盡管我們已經步入數字視頻時代，但是由于歷史原因，仍然保留了RF調制的模擬電視用于國際標準及安全監控應用中。調制器，從簡單的模擬方案到單芯片合成器，都需要經過調理的音頻、視頻輸入信號，如何滿足音視頻輸入信號的要求是設計工程師所面臨的一個挑戰。盡管這種要求普遍存在，但目前還沒有適當的集成方案，而是采用分立器件設計。主要原因是設計難度和標準之間的差異，以及調制器本身對信號電平的不同要求。對信號的調理通常包括：視頻信號的低通濾波、帶阻濾波以及群延時補償，音頻信號的預加重以及用于調節調制幅度的音、視頻電平控制。
基于以上原因，許多有線電視和衛星接收機、VCR、DVD、TV等并未完全達到設計要求，與基帶復合信號(Cvb)相比，調制信號的質量較差。本文探討了這種應用的接口要求，并利用標準運算放大器和分立元件提供了一個低成本解決方案，給出了適合大多數AV設備的后面板輸出。
實際需求與問題
ITU推薦的BT.470-6標準規定了NTSC、PAL對驅動RF調制器的視頻信號群延時變化和音頻信號預加重的要求，但對其他規格的要求不夠清晰，本文根據典型的TV、DVD或機頂盒(STB)后面板(圖1所示，提供基帶和RF調制的音頻、視頻輸出)，在表1和表2中歸納了這些要求和設計規范。
有些信號調理要求取決于信號源。例如，如果送入調制器的信號來自DAC，這將需要重建濾波器以濾除噪聲、混疊信號，避免出現帶外調制。另外，還需要進一步的放大處理，以補償后端負載和DAC輸出的變化。視頻信號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群延時要求濾波處理，調制器IC通常也提出了相應的建議。典型的后面板信號輸出電平高于調制器的輸入電平，需要對信號進行衰減。因此，圖1中的音、視頻信號接口需要：
1.用于音頻和視頻輸出的低通重建濾波器(假設這些信號源自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，這會在陷波頻率附近產生較大的群延時變化 (正是由于這個原因，NTSC和PAL均將伴音副載波置于視頻信號的最小-3dB帶寬以上，以便能夠實現補償)。
3. 群延時補償：以符合ITU-470圖3中的波形要求，由具體標準決定。
4. 左、右聲道混音：用于單聲道音頻設備，只有在將立體聲輸出到單聲道調制器時才需要。
5. 音頻預加重：由具體標準決定(表1)。
6. 可調節的音頻、視頻信號幅度：設置調制度，由具體標準和所使用的調制器芯片決定。
濾波器設計
首先需要設計的是低通重建濾波器，以消除音、視頻信號的混疊輸出和帶內噪聲。利用有源濾波器可以將DAC輸出提升到標準電平，驅動后面板以及RF調制器。
對于音頻信號，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。由于音頻信號被高度過采樣，只需一階無源RC濾波即可，第二級RC濾波器實際用于音頻調制，而非信號重建。圖2所示電路利用MAX4494實現這一功能，驅動后面板輸出和RF調制器的音頻輸入。
對視頻信號的處理要困難一些，它沒有經過高度的過采樣處理，至少需要一個三極(three-pole)重建濾波器，如果處理過程引入了較大的群延時變化，還必須進行補償、提高增益，以補償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制式提供的一個參考方案，圖中采用了MAX4380，利用R8可以調節群延時，為后面板和RF調制器的視頻輸入提供驅動。對于多路輸出，如復合視頻和S視頻，可以采用相同的方案，利用三運放或四運放的MAX4382或MAX4383構建該濾波電路。
音頻調制器信號調理
音頻調制器信號調理的第一步是將左、右立體聲聲道的信號求和，轉換成單聲道信號，并降低信號的幅度。然后，由帶有預加重網絡的緩沖器增強高頻信號。圖4是一種低成本的解決方案，采用T型電阻網絡和連接到地的可變電阻，左、右聲道信號通過R1和R2進入R3、R4求和，R3用于調節電平，R4設置最大衰減量。預加重網絡是由MAX4494周圍的R7、R8、R9和C1構成的超前-滯后網絡。時間常數為：
T=2×?×(R7×R8/R7+R8)+R9×C1
對于NTSC系統，時間常數設置為75μs (~2100HZ)。改變R7、R8、R9和/或C1，可以將時間常數設置為用于PAL系統的50μs。R5用于均衡輸入和偏置電流產生的失調電壓，R10用于隔離輸出端的容性負載。
需要注意的是，為了防止提升頻率造成過調制，可以由音頻重建濾波器的第二極來消除預加重效應。所帶來的負面影響是增大了LPF的帶寬，如果DAC信號存在顯著的帶內噪聲，同樣會導致類似于過調制的問題。一種折衷的方法是采用獨立的音頻重建濾波器，分別用于調制器和后面板輸出。
視頻調制器信號調理
視頻信號的調理需要對復合視頻在FM伴音副載波區域進行陷波處理，避免與視頻信號復合時產生沖突。伴音副載波恰好在彩色副載波之上，帶阻濾波器所產生的群延時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，需要幾個一階延時器，本文采用了二階LC網絡用于帶阻濾波和群延時補償(圖5)。使用一片MAX4383四運放，該電路用于NTSC系統，如果對電路中的元件參數做一些調整，也可用于PAL系統。
輸入級二階均衡電路利用R2和R3設置增益，L1和C1設置頻率，R1設置二階網絡的Q值，圖中采用了一個標準的22μH SMD電感，可相應地調節電容C1，這樣可以用兩個調節元件(C1、R1)設置Q值和群延時(GD)。該電路對GD的設置略低于帶阻濾波器所產生的群延時。
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，計算出Req=622/7.5=83Ω，這里選用150Ω的R4和R5，利用R6進行微調。R4、R5分壓器還提供-6dB 的輸入衰減。調節C2用于補償L2的容差。
U1b構成增益可調的緩沖器，增益由R7、R8設置。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。該電路配合前級衰減器可以將輸出電平設置在與調制器相匹配的電平上，確定調制度。下一級二階均衡電路與第一級相同，只是具有更高的頻率和更低的Q值。利用C3調節頻率、R13調節Q值。增益由R9、R10設置為1V/V。最后一級一階均衡器和線驅動器中，R14和C4設置延時，R11和R12將U1d設置為單位增益。R15用于75?負載終端匹配。
一旦選擇了音頻、視頻DAC或MPEG解碼器和調制器芯片，就確定了最終設計方案中的參數。實際設計中，有些元件還需要根據布線和寄生效應作進一步的調整。
本文總結
從上述設計過程可以看出，利用運算放大器設計音、視頻的接口電路難度較大，但它具有以下優勢：
1. 成本低，可利用標準元件靈活設計。
2. 需要調節的部件較少。
3. 符合ITU推薦的BT.470-6標準。
4. 適用于任何MPEG解碼器和RF調制器的組合。
5. 可用于NTSC和PAL應用。 |
