MPEG2单机编码器视频噪声产生机制及降噪措施.doc

MPEG2 单机编码器视频噪声产生机制及降噪措施造成老前处理板视频信噪比差，噪声谱在 4.43Mhz 有尖峰的原因主要有两点：一是老板元件布局走线不合理、模拟地与数字地交叠，造成模拟处理部分噪声比较大另外一个的原因是 22153 控制输出数据位数的寄存器配置错误，22153 输出送到编码芯片处理的都是 8 位数据，而这个寄存器选择的是输出 10 位数据，变成了从 10 位数据中截取高 8 位去编码，从而产生截取误差，这也是高频噪声（最明显表现在4.43Mhz 有尖峰）产生的主要原因新前处理板改进了 PCB 元件布局，采用两面布元件，元件放置位置以视频信号走线距离尽可能短为原则，布地采用模拟数字地完全分开的方法，模拟电路部分下只布模拟地，数字电路部分下只布数字地，另外还将巴特沃斯滤波器的位置从的第一级放大后移到 A/D 变换前实验表明，这种布局布线方法有效地降低了前处理板模拟电路的噪声水平，已经做到了小于 10 位 A/D 的1/2LSB（表现在 10 位 A/D 输出的最低位可以有完全不变化的情况）将 22153 控制数据输出位数的寄存器配置正确，选择输出圆整到 8 位，高频噪声明显降低，4.43Mhz 尖峰消失，噪声谱基本上是白噪声谱了。

采用了这两种改进措施后，信噪比可以达到很高的水平，加权可到 89dB（这时实际上是解码板的本底噪声了），但是信噪比无法稳定，最差时也只有 58dB到底是什么原因造成信噪比无法稳定、相差如此之大呢？一开始总是找模拟电路的原因，怀疑了电源干扰、电源地回路、噪声虑得不够干净、热噪声影响等等，摸索了很长时间，但始终无法稳定信噪比仔细观察在信噪比差的情况，各行信噪比的变化时，发现信噪比差的情况，都发生在视频输出幅度从一个量化电平跳变到另一个量化电平的时候，过了这个跳变的地方，信噪比又变好仔细进行思考和分析，恍然大悟，以前无法解释的信噪比不能稳定，各行噪声不一样，并且在移动，信噪比还随温度变化等等现象，都找到了原因虽然从 10 位 A/D 变换 出来的数只是在 10 位的1 个 LSB 之间波动，这时的噪声只有 10 位 A/D 的 1/2LSB，但从10 位变成 8 位时，如果这正好处在 8 位量化电平的交界处，则噪声变成了 8 位 A/D 的 1/2LSB，相当于噪声被放大了 4 倍举个例子说明：假如视频信号变换出来的数是在1000000011B 和 1000000100B 之间来回变化，变化的数值是 10位的 1 个 LSB，转换成 8 位数时（还用 10 位表示，最后两位固定为 0），就变成了 1000000000B 和 1000000100B 之间的变动，有 4 个 10 位的 LSB 了。

对于 8 位 A/D 来说，跳变一个 LSB 的信噪比的理论值就是 20Log(256/0.5) =54dB，与我们测到的最差情况 58dB，大致相当由于造成这种情况的原因完全是信号幅度与处在量化电平的位置造成的，而影响信号幅度的变化原因很多——运放的放大倍数的稳定度、温度对各个电阻阻值的影响等等，要求信号幅度的绝对值稳定是不可能的；即使是编码器能做到对输入信号幅度放大绝对稳定，也不能避免由于信号源幅度的变化、电缆长度不同信号衰减幅度不同等原因，引起的视频源的信号到编码器输入端幅度不能完全相同的情况因此，如果不对数字部分做处理的话，信噪比只可能是在 58dB 到 89dB 之间波动为降低 8 位的量化噪声，从数字部分做处理有两种方法：一种是完全采用 10 位系统进行编解码，这样的噪声水平就是最差值降低 4 倍（12dB），信噪比则在 70dB 到 89dB 之间波动但这样改动要改变整个编解码的体系结构，是不现实的另外一种方法是对 A/D 变换的数做降噪处理，避免出现最低位跳变的情况，然后再将数据送给 22153 解码其基本原理是：有条件地将 10 位数据圆整到 9 位，即保存前一个输出的数，当前的数如果只和前一个数相差 1，则当前输出的数和前一个数相同。

这样对于平场信号，如果模拟部分及 A/D 的噪声水平做到足够的低，小于 10 位 A/D 的 1/2LSB，在同一行中，输出的数变成了 9 位数据，并且保持不变，这样，即使经过 22153 解码，再输出为 8 位数据，也不会出现 8 位数据的最低位跳变的情况，从而得使编码器的平场噪声水平达到极限值，编解码系统的噪声只取决与解码器了实际上，采用了这种方法，避免了噪声由于数据从 10 位转换到 8 位而被放大了 4 倍，其结果相对不做处理，更接近噪声的原有水平例如（数据都用 10 位数表示）： 某一行的数据是在1000000011B 和 1000000100B 之间跳变，经过这种圆整到 9 位的算法后，数据变成了都是 1000000011B 或者都是 1000000100B，数据间由原来相差 1 个 LSB，变为 0 个 LSB；而不经过这种处理，最后输出的 8 位数据是在 1000000000B 和 1000000100B 之间跳变，数据间相差是 4 个 LSB，因而采用这种方法也是合理的，同时也起到了降低噪声的作用具体的实现方法是这样的：在 A/D 之后，增加一片 EPLD 进行数字降噪，再送到 22153解码。

为确定每一行数据是向 0 还是向 1 圆整，在平场信号的起始部分，首先采样 16 个原始数据的最低位，如果主要是 1，则最低位向 1 圆整，如果整行的数最多只相差 1，则整行输出的数都一样，最低位都是 1；反之则向 0 圆整，整行输出的数最低位都是 0另外，决定向 0 还是向 1 圆整还不能用简单多数决定的方法，否则在最低位是 0 是 1 的几率相当时，就有会出现前一行是向 0圆整，而后一行是向 1 圆整，再后一行又变成向 0 圆整…虽然每一行的数据不变，但行与行之间的数据是跳变的，经过 22153 进行梳状滤波，相邻行进行加减后，其结果会使输出的数发生跳变，从而引入了噪声采用了类似回滞比较的方法后，则基本上可以避免这种情况的发生具体做法是：如果前一行是向 0 圆整，则只有采样的 16个原始数据的最低位都为 1 时，才变为向 1 圆整；而如果前一行是向 1 圆整，则只有采样的 16 个原始数据的最低位都为 0 时，才变为向 0 圆整，这样尽可能避免出现相邻行数据跳变的情况，可以将噪声水平降到最低的程度实践表明，采用了这种 10 位数据有条件地圆整到 9 位的方法后，编码器信噪比稳定，编解码系统的噪声水平基本取决于解码器了。