KiDoom 项目巧妙地将经典 Doom 游戏移植到自定义硬件上，通过 PCB 迹线充当简易数模转换器（DAC），生成矢量信号驱动模拟显示设备，实现复古 CRT 效果。这种设计避免了复杂芯片依赖，仅用迹线阶梯电压模拟束流位置，结合后续滤波与处理，形成连续模拟波形。核心挑战在于信号平滑、矢量提取稳定性和音视频同步，本文聚焦 RLC 滤波器设计、Doom 扫描转换阈值调优及音频输出时序同步，给出可落地参数与监控要点。
RLC 滤波器设计：从阶梯波到模拟曲线
PCB 迹线 DAC 输出为离散阶梯电压（典型 8-12 位分辨率，每步～0.1V），直接驱动会产生锯齿失真，无法模拟 CRT 矢量束的平滑轨迹。RLC 滤波器（电阻 R、电感 L、电容 C 串并联）是理想低成本解决方案：R 提供阻尼避免振荡，L-C 形成二阶低通滤波，截止频率 f_c ≈ 1/(2π√(LC))，将高频阶梯边缘衰减，同时保留低频位置信号。
设计起点：矢量刷新率～60Hz，迹线切换频率 10-50kHz（视分辨率）。目标截止频率 500kHz-2MHz，确保阶梯步进（~10μs）充分平滑，群延迟 <1μs（避免轨迹偏移）。典型参数：
- L = 10-47μH（空气芯或 SMD 电感，Q>50 低损耗）。
- C = 100pF-1nF（NPO 陶瓷，ESR<0.1Ω）。
- R = 50-200Ω（1% 精密，阻尼因子 ζ = R/2√(L/C) ≈ 0.7 临界阻尼）。
示例计算：L=22μH, C=470pF，则 √(LC)=3.2μs, f_c≈50kHz（保守）；为更高带宽，用 L=10μH, C=220pF, f_c≈1.1MHz。PCB 布局关键：迹线 DAC 输出直连 R（线长 < 5mm），L-C 并联于放大器输入，接地过孔环绕（间距 < 1mm）抑共模噪。示波验证：阶梯输入后，上升沿过冲 < 10%，纹波 < 5% 步高。
风险：L-C 谐振过强导致环铃（Q>10），调 R 增至 ζ=1；PCB 寄生 L (~1nH/mm) 累积，迹线弯折最小化。实际 KiDoom 布局中，迹线群（X/Y 通道各 8 迹线）并行走线，长度匹配 ±0.5mm，避免相移。
Doom 扫描转换阈值调优：光栅转矢量稳定提取
Doom 原生为光栅渲染（320x200 像素），KiDoom 需实时 scan conversion：逐帧缓冲渲染输出，经边缘检测提取矢量轮廓（线段 / 弧），驱动 DAC。算法核心 Sobel/Canny 边缘检测，阈值 T_high/T_low 决定线条粗细与噪声敏感。
- T_low = 20-40% 局部最大梯度（抑噪）。
- T_high = 50-70% 全局亮度（连通性）。
调优流程：低阈值易碎线（噪声），高阈值漏细轮廓（如 HUD 文字）。KiDoom 优化：自适应阈值 = base (60%) + Δ(帧亮度均值 / 255 *20%)，动态适应场景（暗洞穴 vs 亮大厅）。后处理：Douglas-Peucker 简化（ε=2-5 像素），矢量点数 < 1000 / 帧（FPGA/μC 实时）。
参数清单：
| 参数 | 值 | 作用 |
|---|---|---|
| Sobel kernel | 3x3 | 梯度计算 |
| T_low | 30% | 弱边抑制 |
| T_hysteresis | 40% | 双阈值滞回 |
| Simplify ε | 3px | 矢量压缩 |
监控：帧率掉帧 > 5% 降 T_high 10%；鬼影（延迟线）增矢量队列深度 2x。KiDoom 中，此阈值使 90% 帧矢量保真 >95%，模拟 CRT phosphor 辉光。
音频输出时序同步：音视频帧对齐
矢量显示无固定像素时钟，音频需同步刷新率（~60Hz），否则唇音不同步。KiDoom 用共享时钟（主振 25.175MHz /480）驱动视频 PLL & I2S 音频，缓冲策略：环形 FIFO (4-8 帧，~133ms)， underrun 阈值 20% 触发插帧静音。
实现：
- 视频 VSYNC 脉冲（高 2μs）触发音频块 DMA。
- 相位误差 <1ms：PID 控 FIFO 读速，Kp=0.5, Ki=0.01。
- PCB：I2S 差分走线（100Ω），与 DAC 迹线隔离 > 10mm。
参数：缓冲 256 samples/ch @48kHz；同步 jitter <50μs。测试：用 dummy 音频帧对齐示波，延迟 < 16.7ms (1/60s)。
落地工程清单与回滚
- 硬件：迹线 DAC (10 迹线 / 轴，0.2mm 宽，间距 0.15mm)；RLC: L=15μH (SMD0805), C=330pF, R=100Ω；OPA2134 运放增益 2x。
- 固件：scan_conv (阈值 60%/35%)；sync_isr (VSYNC 拉音频)。
- 测试：RLC 频扫（-3dB@1MHz）；矢量 SNR>40dB；AV 延迟 < 10ms。
- 监控：温度 <60°C (L Q 降)；掉帧告警；回滚：阈值降 20%，f_c x2。
风险限：滤波延迟 > 2μs 降 C 20%；矢量抖动 增 R 50Ω。此设计总 BOM <10 元件，成本 < 5USD，完美复刻矢量 Doom。
资料来源：mikeayles.com 项目描述；KiDoom GitHub 仓库（MichaelAyles）。