盡管我們已經(jīng)步入數(shù)字視頻時(shí)代，但是由于歷史原因，仍然保留了RF調(diào)制的模擬電視用于國際標(biāo)準(zhǔn)及安全監(jiān)控應(yīng)用中。調(diào)制器，從簡單的模擬方案到單芯片合成器，都需要經(jīng)過調(diào)理的音頻、視頻輸入信號(hào)，如何滿足音視頻輸入信號(hào)的要求是設(shè)計(jì)工程師所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管這種要求普遍存在，但目前還沒有適當(dāng)?shù)募煞桨�，而是采用分立器件設(shè)計(jì)。主要原因是設(shè)計(jì)難度和標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，以及調(diào)制器本身對(duì)信號(hào)電平的不同要求。對(duì)信號(hào)的調(diào)理通常包括：視頻信號(hào)的低通濾波、帶阻濾波以及群延時(shí)補(bǔ)償，音頻信號(hào)的預(yù)加重以及用于調(diào)節(jié)調(diào)制幅度的音、視頻電平控制。
基于以上原因，許多有線電視和衛(wèi)星接收機(jī)、VCR、DVD、TV等并未完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與基帶復(fù)合信號(hào)(Cvb)相比，調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量較差。本文探討了這種應(yīng)用的接口要求，并利用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器和分立元件提供了一個(gè)低成本解決方案，給出了適合大多數(shù)AV設(shè)備的后面板輸出。
實(shí)際需求與問題
ITU推薦的BT.470-6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了NTSC、PAL對(duì)驅(qū)動(dòng)RF調(diào)制器的視頻信號(hào)群延時(shí)變化和音頻信號(hào)預(yù)加重的要求，但對(duì)其他規(guī)格的要求不夠清晰，本文根據(jù)典型的TV、DVD或機(jī)頂盒(STB)后面板(圖1所示，提供基帶和RF調(diào)制的音頻、視頻輸出)，在表1和表2中歸納了這些要求和設(shè)計(jì)規(guī)范。
有些信號(hào)調(diào)理要求取決于信號(hào)源。例如，如果送入調(diào)制器的信號(hào)來自DAC，這將需要重建濾波器以濾除噪聲、混疊信號(hào)，避免出現(xiàn)帶外調(diào)制。另外，還需要進(jìn)一步的放大處理，以補(bǔ)償后端負(fù)載和DAC輸出的變化。視頻信號(hào)在伴音副載波附近的帶阻濾波并非一定需要，但在圖3中的ITU-470群延時(shí)要求濾波處理，調(diào)制器IC通常也提出了相應(yīng)的建議。典型的后面板信號(hào)輸出電平高于調(diào)制器的輸入電平，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。因此，圖1中的音、視頻信號(hào)接口需要：
1.用于音頻和視頻輸出的低通重建濾波器(假設(shè)這些信號(hào)源自DAC輸出)。
2. 伴音副載波帶阻濾波器或陷波器：濾波器以伴音副載波為中心頻率，這會(huì)在陷波頻率附近產(chǎn)生較大的群延時(shí)變化 (正是由于這個(gè)原因，NTSC和PAL均將伴音副載波置于視頻信號(hào)的最小-3dB帶寬以上，以便能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償)。
3. 群延時(shí)補(bǔ)償：以符合ITU-470圖3中的波形要求，由具體標(biāo)準(zhǔn)決定。
4. 左、右聲道混音：用于單聲道音頻設(shè)備，只有在將立體聲輸出到單聲道調(diào)制器時(shí)才需要。
5. 音頻預(yù)加重：由具體標(biāo)準(zhǔn)決定(表1)。
6. 可調(diào)節(jié)的音頻、視頻信號(hào)幅度：設(shè)置調(diào)制度，由具體標(biāo)準(zhǔn)和所使用的調(diào)制器芯片決定。
濾波器設(shè)計(jì)
首先需要設(shè)計(jì)的是低通重建濾波器，以消除音、視頻信號(hào)的混疊輸出和帶內(nèi)噪聲。利用有源濾波器可以將DAC輸出提升到標(biāo)準(zhǔn)電平，驅(qū)動(dòng)后面板以及RF調(diào)制器。
對(duì)于音頻信號(hào)，需要采用22-24kHz-3dB頻率和足夠增益的低通濾波器(LPF)為后面板提供2V RMS的輸出。由于音頻信號(hào)被高度過采樣，只需一階無源RC濾波即可，第二級(jí)RC濾波器實(shí)際用于音頻調(diào)制，而非信號(hào)重建。圖2所示電路利用MAX4494實(shí)現(xiàn)這一功能，驅(qū)動(dòng)后面板輸出和RF調(diào)制器的音頻輸入。
對(duì)視頻信號(hào)的處理要困難一些，它沒有經(jīng)過高度的過采樣處理，至少需要一個(gè)三極(three-pole)重建濾波器，如果處理過程引入了較大的群延時(shí)變化，還必須進(jìn)行補(bǔ)償、提高增益，以補(bǔ)償DAC輸出的變化和后端損失。最好采用有源濾波方案，圖3所示電路是為NTSC或PAL制式提供的一個(gè)參考方案，圖中采用了MAX4380，利用R8可以調(diào)節(jié)群延時(shí)，為后面板和RF調(diào)制器的視頻輸入提供驅(qū)動(dòng)。對(duì)于多路輸出，如復(fù)合視頻和S視頻，可以采用相同的方案，利用三運(yùn)放或四運(yùn)放的MAX4382或MAX4383構(gòu)建該濾波電路。
音頻調(diào)制器信號(hào)調(diào)理
音頻調(diào)制器信號(hào)調(diào)理的第一步是將左、右立體聲聲道的信號(hào)求和，轉(zhuǎn)換成單聲道信號(hào)，并降低信號(hào)的幅度。然后，由帶有預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)的緩沖器增強(qiáng)高頻信號(hào)。圖4是一種低成本的解決方案，采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)和連接到地的可變電阻，左、右聲道信號(hào)通過R1和R2進(jìn)入R3、R4求和，R3用于調(diào)節(jié)電平，R4設(shè)置最大衰減量。預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)是由MAX4494周圍的R7、R8、R9和C1構(gòu)成的超前-滯后網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間常數(shù)為：
T=2×?×(R7×R8/R7+R8)+R9×C1
對(duì)于NTSC系統(tǒng)，時(shí)間常數(shù)設(shè)置為75μs (~2100HZ)。改變R7、R8、R9和/或C1，可以將時(shí)間常數(shù)設(shè)置為用于PAL系統(tǒng)的50μs。R5用于均衡輸入和偏置電流產(chǎn)生的失調(diào)電壓，R10用于隔離輸出端的容性負(fù)載。
需要注意的是，為了防止提升頻率造成過調(diào)制，可以由音頻重建濾波器的第二極來消除預(yù)加重效應(yīng)。所帶來的負(fù)面影響是增大了LPF的帶寬，如果DAC信號(hào)存在顯著的帶內(nèi)噪聲，同樣會(huì)導(dǎo)致類似于過調(diào)制的問題。一種折衷的方法是采用獨(dú)立的音頻重建濾波器，分別用于調(diào)制器和后面板輸出。
視頻調(diào)制器信號(hào)調(diào)理
視頻信號(hào)的調(diào)理需要對(duì)復(fù)合視頻在FM伴音副載波區(qū)域進(jìn)行陷波處理，避免與視頻信號(hào)復(fù)合時(shí)產(chǎn)生沖突。伴音副載波恰好在彩色副載波之上，帶阻濾波器所產(chǎn)生的群延時(shí)變化大約為幾百納秒。這將改變彩色副載波的相位，造成圖像偏色。為了修正這一效應(yīng)，需要幾個(gè)一階延時(shí)器，本文采用了二階LC網(wǎng)絡(luò)用于帶阻濾波和群延時(shí)補(bǔ)償(圖5)。使用一片MAX4383四運(yùn)放，該電路用于NTSC系統(tǒng)，如果對(duì)電路中的元件參數(shù)做一些調(diào)整，也可用于PAL系統(tǒng)。
輸入級(jí)二階均衡電路利用R2和R3設(shè)置增益，L1和C1設(shè)置頻率，R1設(shè)置二階網(wǎng)絡(luò)的Q值，圖中采用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的22μH SMD電感，可相應(yīng)地調(diào)節(jié)電容C1，這樣可以用兩個(gè)調(diào)節(jié)元件(C1、R1)設(shè)置Q值和群延時(shí)(GD)。該電路對(duì)GD的設(shè)置略低于帶阻濾波器所產(chǎn)生的群延時(shí)。
LC陷波器的中心頻率為：
Fac=1/(L2×C2)1/2
帶寬(BW)或Q值由電阻和感抗決定：
Q=Req/Xl=(R4×R5/R4+R5)+R6/2×?×L2=Fac/BW
已知L2和Fac，從表2可知所需要的頻帶為：3.58MHz+620KHz=4.2MHz。Fac為4.5MHz，則帶寬為+/-300kHz或600kHz，Q值為：
Q=4.5MHz/600kHz=7.5
選擇L2，計(jì)算出Req=622/7.5=83Ω，這里選用150Ω的R4和R5，利用R6進(jìn)行微調(diào)。R4、R5分壓器還提供-6dB 的輸入衰減。調(diào)節(jié)C2用于補(bǔ)償L2的容差。
U1b構(gòu)成增益可調(diào)的緩沖器，增益由R7、R8設(shè)置。如果不需要提供增益，可去掉R7，R8采用22?的小電阻，以防自激。該電路配合前級(jí)衰減器可以將輸出電平設(shè)置在與調(diào)制器相匹配的電平上，確定調(diào)制度。下一級(jí)二階均衡電路與第一級(jí)相同，只是具有更高的頻率和更低的Q值。利用C3調(diào)節(jié)頻率、R13調(diào)節(jié)Q值。增益由R9、R10設(shè)置為1V/V。最后一級(jí)一階均衡器和線驅(qū)動(dòng)器中，R14和C4設(shè)置延時(shí)，R11和R12將U1d設(shè)置為單位增益。R15用于75?負(fù)載終端匹配。
一旦選擇了音頻、視頻DAC或MPEG解碼器和調(diào)制器芯片，就確定了最終設(shè)計(jì)方案中的參數(shù)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，有些元件還需要根據(jù)布線和寄生效應(yīng)作進(jìn)一步的調(diào)整。
本文總結(jié)
從上述設(shè)計(jì)過程可以看出，利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)音、視頻的接口電路難度較大，但它具有以下優(yōu)勢(shì)：
1. 成本低，可利用標(biāo)準(zhǔn)元件靈活設(shè)計(jì)。
2. 需要調(diào)節(jié)的部件較少。
3. 符合ITU推薦的BT.470-6標(biāo)準(zhǔn)。
4. 適用于任何MPEG解碼器和RF調(diào)制器的組合。
5. 可用于NTSC和PAL應(yīng)用。 |
