应用笔记 3551

满足射频调制要求的A/V信号处理


摘要 : 尽管视频设备正在步入数字时代,它们仍然保留了传统的、射频调制的模拟电视信号输出。这种输出在美国是由国家电视标准委员会(NTSC)进行规范的,并在安全应用领域和欧洲逐行倒相(PAL)电视标准的数字视频广播(DVB)工程中被采用。所有的调制器,无论是简单的模拟方案还是单芯片合成器,都需要经过适当调理的音频、视频输入信号。

尽管存在着集成化需求,调制器与音/视频(A/V)信号之间的接口,这种普遍应用的电路仍未被简化为一片IC。主要原因是由于设计上的难度、不同标准要求各不相同、以及调制器本身对信号电平的不同要求。只好采用分离式设计来实现这种接口。

所需的信号调理包括:视频信号的低通滤波和陷波、群延迟补偿,音频信号的预加重以及音/视频信号的电平控制(为了调节调制深度)。由于许多有线和卫星接收机、VCR、DVD和TV并不完全符合这些信号调理要求,因而3、4个通道的调制信号的质量要比基带复合(Cvbs)信号差。下面探讨这种接口的要求,并给出怎样用标准运算放大器与分立元件来满足要求。组成的低成本线路可用于大多数A/V设备,用来提供后面板输出。

要求和问题

ITU-R BT.470-6建议明确规定了NTSC和PAL系统驱动射频调制器时,对于视频群延迟偏差和音频预加重的要求。其他一些建议中未明确给出的指标被推导出来并归纳于表1和表2,以便确定其他一些建议中未提及的设计指标。表格的内容是根据典型的TV、DVD或机顶盒的后面板输出要求而给出,这些后面板输出中兼有基带和射频调制的A/V输出(图1)。

图1. 用于驱动射频调制器的A/V信号调理电路框图
图1. 用于驱动射频调制器的A/V信号调理电路框图

表1. ITU-R BT.470-6对音频信号的要求
Audio NTSC PAL
Level at Rear Panel 2VRMS 2VRMS
LP Bandwidth 20kHz 20kHz
Preemphasis 75µs 50µs
FM Bandwidth Fac ±25kHz Fac ±50kHz

表2. ITU-R BT.470-6对视频信号的要求
Video NTSC PAL
Level at Rear Panel 1VP-P 1VP-P
Color Subcarrier (Fsc) 3.58MHz 4.43MHz
Color Subcarrier Bandwidth Fsc +620kHz
Fsc -1300kHz
Fsc +600kHz
Fsc -1300kHz
Audio Subcarrier (Fac) 4.5MHz 5.5MHz
LP Bandwidth, -3dB 4.2MHz 5.0MHz
Notch Bandwidth, -3dB 600kHz 600kHz
Notch Bandwidth, -15dB 50kHz 50kHz
Notch Depth at Fac ±25kHz -15dB (min) -15dB (min)
Group Delay at Fsc 170ns (typ) 170ns (typ)
Group Delay Variation Note 1 Note 1

注释1:见ITU-R BT.470-6图3。

这些要求中许多与信号源有关。例如,如果送入调制器的信号来自DAC,显然,就需要重建滤波器以消除带外调制,并除去信号中的瑕疵、噪声和混叠成分。通常这些信号还须进一步放大,以补偿后向端接负载上的损耗和DAC输出中的偏差。

对于视频信号在伴音副载波附近的陷波要求并没有明确提出,但在ITU-R BT.470-6图3所描述的群延迟调整中暗含了。调制器芯片常常建议采用这种限波。对于后面板信号还有衰减要求,它的电平通常高于调制器的输入电平要求。从这些条件我们可以得出对于图1中A/V接口的要求:

  • 用于由DAC产生的A/V输出的低通重建滤波器。

  • 伴音副载波带阻或陷波滤波器,中心位于伴音副载波;这会在陷波频率附近产生较大的群延迟变化¹。

  • 群延迟补偿,以符合ITU-R BT.470-6图3要求,由具体标准决定。

  • 左、右声道混音,产生单声道音频(只有在将立体声输出到单声道调制器中时才需要)。

  • 音频预加重,由ITU-R BT.470-6标准(表1)决定。

  • 可调节的A/V信号幅度,以便设置调制指数,满足ITU-R BT. 470-6标准和所使用的调制器芯片要求。

滤波器设计

首先需要做的是低通重建滤波,以抑制调制器输入中的混叠成分和带外噪声。利用有源滤波器可以将DAC输出提升到标准电平,同时驱动后面板和射频调制器。

对于音频信号,需要采用-3dB点位于22kHz至24kHz的低通滤波器(LPF),并且要有足够的增益以产生2VRMS的后面板输出。假设增益为2,并且由于音频信号被高度过采样,单个无源RC滤波器即可满足要求。稍后我们将会解释,音频调制器还需要第二个RC滤波器(不是用于重建)。图2所示的电路可以驱动后面板输出及射频调制器的音频输入。

图2. 音频输出中具有2V/V增益的单极点重建和噪声滤波器。
图2. 音频输出中具有2V/V增益的单极点重建和噪声滤波器。

视频信号的处理更复杂一些。视频信号没有经过高度过采样,所以至少需要三极点重建滤波器。如果这种滤波器产生了过大的群延迟变化,还必须对其进行补偿,并增加增益以补偿视频DAC输出的变化以及后向端接损耗。最佳方案仍然是有源滤波器。图3给出了一个推荐设计,适合于NTSC或PAL2应用。该设计的好处是群延迟可以调节(用R8),并能够驱动后面板及射频调制器的视频输入。对于多路输出,如复合视频和S-视频,可以采用三运放或四运放(如MAX4382或MAX4383)构建该滤波电路。

图3. NTSC和PAL重建滤波器
图3. NTSC和PAL重建滤波器

音频调制器信号调理

音频调制器信号调理的第一步是将左、右立体声声道的信号混音,转换成单声道信号,并降低信号的振幅3。然后,由带预加重网络的缓冲器4增强高频信号。图4是一种低成本解决方案,采用T型电阻网络(可变电阻接地)。这样,左/右声道信号通过R1和R2求和后进入R3和R4之和。R3用于调节电平,R4设置最大衰减量。

图4. 用于音频调制器驱动的带衰减和预加重的求和网络。
图4. 用于音频调制器驱动的带衰减和预加重的求和网络。

预加重网络是由运算放大器周围的R7、R8、R9和CI构成的超前-滞后网络。其时间常数t = [(R7*R8/R7+R8)+R9]*C1,对NTSC系统,时间常数为75µs (~2100Hz)。改变R7R8/R9和/或C1的值,可以将时间常数设置为用于PAL系统的50µs。R5可以平衡由输入和偏置电流引起的失调电压,R10用于将输出与过大的容性负载相隔离。

注意,为了防止提升频率引起的过调制,可以由音频重建滤波器的第二个极点来消减图4中的预加重效应。这种作用被称为“封顶”预加重。需特别注意的是,如果音频DAC信号含很大的带外噪声,那么,增大LPF带宽会引起过调制。一种折衷方案是调制器和后面板输出分别采用独立的音频重建滤波器。

视频调制器信号调理

接下来是视频信号调理。必须对复合视频信号在FM伴音副载波区域进行陷波或带阻滤波,以防止伴音副载波与视频信号复合时产生干扰。伴音副载波恰好在彩色副载波之上,带阻滤波器引起的群延迟变化是几百纳秒。由于带阻滤波器造成彩色副载波相位的变化,因此会引起图像偏色。为了校正这种现象,必须增加几个一阶延迟器。在本例中,为了减少延迟器的级数,我们采用二阶LC电路而非RC电路来实现陷波和群延迟补偿(如图5所示)。本例是为NTSC应用设计,不过对元件值做些调整后也适用于PAL系统。

图5. NTSC带阻滤波器和延迟均衡器的框图和电路图
图5. NTSC带阻滤波器和延迟均衡器的框图和电路图

这个二阶均衡级使用R2和R3设定增益,用L1和C1设定频率,用R1设定二阶全通网络的Q值。L1是标准的22µH表贴电感。调节C1来设定频率。调节R1来设定Q值和群延迟。该电路略微降低了陷波器所产生的群延迟峰值。

LC带阻滤波器的中心频率为:


带宽(BW)或加载Q值由等效电阻(Req)和感抗(Xl)决定:

Q = Req/Xl = (R4R5/R4+R5) + R6/2πL2 = Fac/BW

已知L2和Fac,我们需要的带宽是3.58MHz + 620kHz = 4.2MHz。从表2查得Fac是4.5MHz,则陷波带宽BW是±300kHz或600kHz。因此,Q值为:

Q = 4.5MHz/600kHz = 7.5

选择L2并计算出Req = 622Ω/7.5 = 83Ω。R4和R5取150Ω,利用R6进行微调,R4-R5分压器还提供-6dB的输入衰减。调节C2来补偿L2的偏差。

U1b作为一个缓冲器来隔离前级和负载,R7和R8设定其增益。如果不需要提供增益,可把R7去掉并把R8的阻值降低到22Ω来防止自激5。经过前级衰减器的衰减和这一级的调整,可将输出电平调节到适合于调制器和设定的调制指数的水平。

下一级二阶均衡电路与第一级类似,只是频率较高且Q值较低。其频率由C3调节,Q值由R13调节。由U1c周围的R9和R10将增益设定到1V/V。

最后一级是一阶均衡器和线驱动器,其中的R14和C4设定延迟,R11和R12设定单位增益。R15用于75Ω负载的反向端接。群延迟和陷波特性如图6所示,其中不含重建滤波器。

图6. 陷波器的增益和群延迟及群延迟补偿
图6. 陷波器的增益和群延迟及群延迟补偿

一旦选定了音频/视频DAC或MPEG解码器和调制器芯片,很多必要的信号调理都可用固定参数元件在最终设计中实现。由于布线和寄生效应的缘故,某些值可能需要调整。尽管会遇到很多困难,我们还是可以用运算放大器和分立元件设计出满足需要的A/V接口,来驱动后面板上的基带输出和射频调制器,其优势如下:

  • 成本低,用标准元件设计具有很高的灵活性;

  • 需要调节的部件少;

  • 符合ITU-R BT.470-6建议要求;

  • 适用于任何MPEG解码器与RF调制器的组合;

  • 可用于NTSC或PAL应用。
注释
¹为使这种补偿有可能实现,NTSC和PAL均将伴音副载波安排在视频最小-3dB带宽以上。
²参见Maxim应用笔记:"5MHz, 3-Pole, Low-Pass Filter plus Video Line Driver for Consumer Video Applications"
³具有独立的左、右声道输入的立体声调制器无需对伴音进行混音。它们需要如图4所示的两套电路,分别用于做、右声道。
4http://perso.wanadoo.fr/jf.fourcadier/television/preaccentuation/preaccentuation_e.htm
5MAX4380-MAX4383数据资料