使用优化的视频DAC提供高质量模拟视频信号

Synopsys模拟设 计经理 Antonio Leal, Apr. 19, 2016 – 

摘要

基带视频信号的模拟传输是多媒体和数字家用娱乐系统中的一项标准功能。除了其他优点之外，它还能确 保现代和以往视频设备之间的互通，因为在以往的视频设备中，模拟视频接口很常见。不仅如此，通过长 的电缆，模拟接口还允许将视频信号传输至远程显示设备，而数字视频传输方式如HDMI和DP电缆会出现 视频质量下降的情况。

在大多数现代消费设备中，如数字电视、游戏机、机顶盒、摄录像机、数字视频录像机等，多媒体内容是以数字方 式进行处理的。然而，为了模拟视频传输，需要将数字视频内容转换为模拟形式。为了实现该目的，必须使用针对 视频应用而优化过的数字-模拟转换器（DAC）（图1）。高性能DAC提供了特定的特性和功能，可转换高质量的视 频信号，支持多种类型的视频标准，同时还能保持较低的系统成本。如果接收器是数字视频设备，如数字电视， 需在接收端将接收到的模拟信号转回为数字信号。

在本白皮书中，介绍了多媒体片上系统（SOC）必需支持的最常用模拟视频信号标准/规范。描述了针对视频应用 而优化的DAC方案的关键特性和功能。此外还介绍了系统级技术，当将其与优化的DAC结合在一起时，SOC设 计人员能够实现低功耗且功能丰富的多媒体设备。

视频格式和模拟视频信号标准/规范

大多数多媒体消费应用需处理多种视频格式，范围从标清视频格式（PAL或NTSC）到高清和超高清视频格式以 及高分辨率图形格式（QSXGA）。这些格式伴随着更高的带宽和采样率，要求多媒体SOC能够集成最大采样率达 300MHZ的高速视频DAC（图2）。

通常以亮度和色度分量形式对视频信息进行编码，以预先定义的格式增加行和帧同步信息，以便接收器能够提取像素时钟，并对接收到的图像进行同步。视频信号的格式是标准化的，方便设备间的互联。

有两种主要的模拟视频规范：复合视频和分量视频。复合视频基带信号（CVBS）是一种模拟视频格式，能够在单条线缆上传输视频信号。该格式能够以不同制式实现，具体情况取决于色度的编码特征，或帧尺寸和刷新率。例如，在全球有多种制式，NTSC，PAL，以及SECAM。分量视频格式指明了如何通过两线或多线传输以及构建视频信号。RGB就是这方面的一个范例，其中，每一条导线传输一种色彩信息（红绿蓝） [1]。

冲，用于承载水平和垂直同步信息，这类信息是在显示接收侧重新生成画面所必需的。剩余的0.7V/1.0V电压范围包含像素亮度和色度信息，其格式由视频信号类型规定。在图3中，给出了由视频DAC所生成的复合视频信号示例。

在VESA（视频电子标准协会）的视频信号标准（VSIS™）中，规定了分量视频格式所要求的特性，以便实现信号完整性。如果不符合要求，会导致图像质量降低，如色饱和度、边缘增强、钝化和颗粒等。VESA VSIS标准规定了多种电气特性，如升降时间、过冲和下冲、稳定时间、分辨率、线性度和单调性、通道间失配和噪声注入等。

已优化视频DAC的关键特征和特性

与所有视频格式和信号标准的兼容性

在当今的多媒体SOC中，实现了复杂的数字视频处理功能，与前一章节中提及的多种视频格式兼容。视频DAC也必须与前述标准兼容，能够将与多种视频格式对应的不同数字视频格式转换为高质量模拟信号。

电流舵架构

电流舵架构本身具有高速和高线性度，可在先进数字CMOS工艺上制造，这使其成为视频DAC的理想解决方案。

电流舵架构主要包含匹配的电流源和锁存器阵列（图4）。电流源阵列可在差分输出端产生稳定准确的电流，而电流大小正比于包含像素信息的数字输入值。为了实现峰值性能并降低非线性度，必须使用恰当的设计技术实现电流源阵列，使金属氧化物半导体（MOS）器件的失配最小化。此外，必须对输出电流的时序准确度进行良好控制。将仔细匹配的锁存器阵列插入解码逻辑和电流源阵列之间，以保证时序准确度，并降低非线性度和噪声注入。

集成电流舵架构还能允许低至1.8V的低功耗操作，可，因而十分适合集成在28纳米工艺中，同时还能生成具有标准幅度的（至1.3V）模拟视频信号。从而使得基于电流舵架构的视频DAC成为高级多媒体SOC的低功耗解决方案。

满量程电流可编程性

为了处理不同的视频格式要求，视频DAC应能生成具有不同幅度的模拟视频信号。以数字方式处理视频信号即可实现该要求，使其与DAC输入字上的缩减范围相适应。然而，更有效的方式是利用DAC输出信号满量程可编程性的优点。按照规定要求调节DAC的满量程范围，可降低功率，同时不会损失系统线性度和动态范围。将视频DAC增益调节至最大输出动态范围，即可实现该目的，如图5所示。

视频同步脉冲生成

模拟视频信号包含同步脉冲，使得视频接收器能够提取像素时钟，并对收到的图像进行同步。这些同步脉冲Hsync和Vsync由数字视频编码器生成，视频DAC将像素数据转换为模拟信号。如图6所示，对于10比特视频DAC，0h到124h（对应于0.285V同步脉冲和1V输出动态范围）的转换范围用于同步，剩余范围用于视频信息。该视频DAC特性可降低SOC的复杂度，原因在于，系统中无需额外的用于生产该负脉冲的分离部件，这样提高了集成水平，并降低了成本。

差分增益、差分相位和总谐波失真

在CVBS视频格式中，色度、亮度和同步信息合并在单一信号中。在基带中对亮度进行调制，在视频副载波频率下用相位对色度进行调制。副载波振幅或相位误差会导致差分增益（dG [2]）和差分相位（dP [3]）。差分增益和相位为线性失真，它会损害图像质量。过高的dG会导致饱和度差，过高的dP会导致本应相同的图形部分出现色差。

总谐波失真（THD）是谐波分量功率与基频功率之比，是dG的良好指示器。对于10比特视频DAC，INL（积分线性误差）小于+-1LSB，THD低于-60dB，从而确保dG小于0.1%（图7），这正是消费应用或演播室品质应用所要求的。

dP受所有视频DAC电流源元件同步部分的限制 [4]。在图8中，显示了同步输出处的时间不确定度（Δt），同步输出由电流舵DAC的锁存器阵列确定。对于4.43 MHz信号，1ps的时间不确定度会导致0.0015度的dP，这正是确保消费应用或演播室品质应用的高质量图形所要求的值。

节能

为了节省功耗，SoC能够知道某一通道连接是断开的，并使用该信息有选择地关断未连接的通道（图9）。使用视频DAC中的内置的电缆传感器来感测电缆，确定在远端是否存在端接。可在图像帧之间的消隐间隔内执行电缆检测，这样不影响图像传输，系统中也不需要额外的引脚。

如果对视频DAC中使用的大部分电流进行调节，在电缆末端建立正确的电压电平，就能提高能效，DAC本身只消耗很小一部分。对于使用电流舵架构设计的视频DAC，它能将大部分电流消耗转换为信号功率，从而避免了额外的功率损耗（图10）。

重构数字模拟转换视频信号

对于信号带宽限制在数MHz至数十MHz的视频标准，常用方式是在系统层面上、在视频DAC输出处使用重构滤波器。这样，就能避免频谱中出现因数字到模拟采样效应而导致的信号镜像，并改善视频信号恢复。将具有不同截止频率的滤波器应用在不同的视频标准中，从用于标清视频或CVBS的10 MHz，到用于高清视频的80 MHz（图11）。

使用主动滤波器，由于不再需要视频DAC来直接驱动视频电缆，还可以降低输出满量程电流从而降低SoC功耗。

对于高分辨率格式，如QSXGA（其中时钟信号由接收器重构），不需要重构滤波器，也就是说，从视频DAC到线路的直接输出已足够。然而，视频电缆要求在线路两端使用恰当的线路端接（典型值为75欧姆），以避免因信号反射而导致的图像质量降低。要想在75欧姆双端接线路上生成正确的信号幅度，视频DAC需达到每通道35 mA满幅电流（图12）。

ESD保护

对于任何使用长距离电缆传输的设备，都会受到高达15KV静电放电（ESD）事件的影响。模拟VGA视频常出现该情 形，例如远程摄像机传输图像，或在建筑物内传输视频等等。

用于生产SOC的先进硅工艺，无法承受这类高放电事件（在现代SOC上，典型的ESD保护限制在~2 kV）。为避免因较 高ESD事件而导致的损坏，必须在系统中增加恰当的保护手段，通常采用外部ESD保护模块，它包含连接在受保护线 路、电源和地之间的反偏二极管。因此，它们不会影响系统性能，同时还能吸收高于2KV的所有ESD事件（图13）。

结论

大多数视频应用均需要模拟视频传输。为了交付功能丰富的视频设备，SOC设计人员必需集成优化过的视频DAC， 以便将经过数字处理的视频内容转换为高质量模拟信号。这些视频DAC必需采用电流舵架构开发，它具有以下特点：

• 高速和高性能，支持所有常见的视频格式，从SDTV到HDTV，以及高分辨率图形格式。
• 能够支持多个通道配置，从用于复合视频的单通道到用于分量视频的三通道。
• 能够生成符合VESA标准规定的严格电子规范的模拟输出信号。
• 宽输出范围和满量程的可编程性，满足多种输出要求。
• 能够直接驱动端接的视频电缆。
• 低功耗特性，包括通道检测，当未使用时能够有选择地关断通道。

Synopsys的最佳视频DAC IP解决方案提供了所有这些特性，它能帮助SOC设计人员降低开发风险，并为当今的视频 和多媒体应用提供节能的高质量SOC。

额外资源

• http://www.synopsys.com/IP/AnalogIP/Pages/multimedia-digitaltv-applications.aspx
• http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1276233
• https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3416

[1] 虽然最常见的方式是使用三个通道，但S端子也可以使用两个通道。

[2] dP：亮度变化时的相位变化，按百分比测得（%）。

[3] dG：亮度变化时的色饱和度变化，按度测得。

[4] 本文中的术语同步与视频DAC的内部锁存器/开关驱动器的同步相关，锁存器/开关驱动器可为内部电流源提 供接通和关断信号。

 Back