編碼器的備用通道將全屋立體聲音頻嵌入衛(wèi)星機頂盒設計中

作者：Jeritt Kent and Victor Chang

衛(wèi)星機頂盒 （STB） 和電視接收器包含許多需要高速時鐘的芯片。如果視頻解碼器芯片沒有外部時鐘驅(qū)動器（許多較新的設備沒有），則必須為需要它的任何音頻組件間接生成時鐘。本文介紹如何使用鎖相環(huán)（PLL）為采用雙通道BTSC編碼器（如AD71028）的廣播電視系統(tǒng)（BTSC）立體聲系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的高速時鐘。

編碼器的一個通道處理實際的BTSC立體聲編碼輸出，第二個通道用于導出主通道的主時鐘和它自己的輔助時鐘——使用BTSC復合音頻頻譜中的退化導頻信號加上負反饋糾錯。以這種方式使用AD71028，在設計衛(wèi)星機頂盒時可以低成本地增加立體聲功能。對于消費者來說，這意味著在電視和音頻/視頻 （A/V） 接收器位于多個房間的家庭中，BTSC 立體聲可以通過同軸電纜饋送到整個房屋，從而避免了 RCA 音頻/視頻電纜的高成本和低抗噪性。

本文介紹了機頂盒環(huán)境中的時鐘生成問題，然后展示了一種緊湊的低成本解決方案，該解決方案既能生成穩(wěn)定的系統(tǒng)主時鐘，又能為立體聲音頻分配系統(tǒng)派生時鐘。

多聲道電視聲音（MTS），更廣為人知的是BTSC編碼，由Zenith開發(fā)，于1984年被美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）采用，作為將三個附加音頻頻道編碼到國家電視系統(tǒng)委員會（NTSC）格式視頻信號的方法。早期的NTSC視頻已經(jīng)包含單聲道音頻信號（相當于L + R，立體聲和），因此BTSC增加了立體聲差分信號（L – R），它與總和信號相結(jié)合來解碼立體聲音頻。此外，第二頻道，稱為第二音頻節(jié)目（SAP），可用于提供第二語言，視障人士的音頻描述服務或無線電服務。廣播電臺可以使用第三個專業(yè) （PRO） 頻道進行音頻或數(shù)據(jù)交換。

NTSC復合視頻和BTSC復合音頻頻譜的頻率圖分別如圖1和圖2所示。請注意，BTSC頻譜包含15.734 kHz的導頻信號，該信號與NTSC視頻水平同步的頻率相同，1H =fH 同步.接收器使用該導頻信號在 2H 時恢復雙邊帶抑制載波 （DSBSC） 調(diào)制立體聲差分 （L – R） 音頻通道，在 5H 和 6.5H 時恢復 SAP 和 PRO 通道。需要注意的是，DSBSC調(diào)制需要相干解調(diào)，因此發(fā)射點和接收點的相位和頻率必須相同，以避免嚴重失真。

圖1.電視頻道的NTSC頻譜。

圖2.BTSC定義的音頻頻譜。

在接收器設計中，本振（LO）中使用鎖相環(huán)（PLL）來消除由于環(huán)境影響（如環(huán)境溫度變化）引起的頻率和相位偏移。由于這些失調(diào)會導致下變頻和解調(diào)誤差，因此獨立振蕩器既不跟蹤頻率也不跟蹤相位，因此是不夠的。典型的PLL包含一個低漂移基準振蕩器和一個提供頻率調(diào)諧的壓控振蕩器（VCO）。使用負反饋時，基準輸入產(chǎn)生低漂移輸出。因為fH 同步PLL可用作低漂移參考信號，可用于為BTSC編碼器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）生成主時鐘。傳統(tǒng)方法使用PLL產(chǎn)生主時鐘，但此處介紹的電路使用了一種不尋常的技術(shù)：它將需要主時鐘的器件集成到產(chǎn)生主時鐘的PLL反饋環(huán)路中。

PLL的最基本形式由鑒相器、環(huán)路濾波器和VCO組成，如圖3所示。鑒相器將參考信號的相位與反饋信號進行比較，并產(chǎn)生緩慢變化的輸出作為差值的函數(shù)。鑒相器的輸出經(jīng)過濾波，為VCO提供干凈的控制電壓。VCO輸出反饋給鑒相器，負反饋迫使VCO產(chǎn)生等于平衡時參考頻率的頻率。相位檢測器將跟蹤參考信號的頻率或相位（頻率變化率）的變化。鑒相器的濾波輸出驅(qū)動VCO，使其遵循參考頻率。當VCO輸出頻率和相位等于參考信號時，PLL被稱為處于“鎖定”狀態(tài)。

圖3.基本鎖相環(huán)系統(tǒng)。

只需稍作修改，這一基本PLL原理就可以以許多有用的方式應用。例如，通過在環(huán)路中添加一個分頻器（例如，一個模N計數(shù)器），如圖4所示，基本PLL成為一個穩(wěn)定且可調(diào)諧的頻率合成器，其產(chǎn)生的VCO輸出頻率可能是輸入?yún)⒖碱l率的整數(shù)或小數(shù)倍。fVCO = N ×f裁判.

圖4.PLL頻率合成器。當循環(huán)穩(wěn)定時，fVCO = N ×f裁判.

機頂盒和電視接收器包含多個需要高速時鐘的芯片。例如，基于移動圖像專家組 （MPEG） 的接收器使用 27 MHz 主時鐘，必須將其路由到補充音頻組件。這個時鐘的來源通常是MPEG解碼器芯片，但如果MPEG解碼器不對外提供，則必須在其他地方生成。以下支持BTSC的系統(tǒng)應用采用PLL原理，使用AD71028雙通道BTSC編碼器作為小數(shù)分頻器，獲得穩(wěn)定的高速、頻率和鎖相時鐘。編碼器的一個通道用于BTSC立體聲編碼輸出，而第二個通道用于負反饋，以導出主通道和編碼器本身的主時鐘。

在本應用中，AD71028無需27 MHz時鐘源即可以低廉的成本為衛(wèi)星機頂盒增加立體聲功能。在各個房間使用電視和音頻/視頻接收器 （AVR） 的家庭中，這種技術(shù)允許 BTSC 立體聲信號通過同軸電纜在整個房屋中傳遞，避免了成本高、立體聲分離差和不平衡 RCA 電纜的低抗噪性。之所以可以使用這種簡化的方法，是因為BTSC復合音頻頻譜中的退化15.734 kHz導頻信號為PLL的鑒相器提供了理想的參考信號。

有線電視機頂盒（在頻道 3 或頻道 4 上調(diào)制）的射頻輸出已經(jīng)采用 BTSC 立體聲編碼。然而，廉價衛(wèi)星電視機頂盒的RCA輸出通常僅限于單聲道聲音。為了增加衛(wèi)星機頂盒的立體聲功能，系統(tǒng)中添加了AD71028 BTSC立體聲編碼器。在擁有多臺電視的家庭中，主衛(wèi)星機頂盒中需要一個ADC，用于在編碼前將左右模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。AD71028、ADC和其他專業(yè)音頻轉(zhuǎn)換器和元件需要一個主時鐘。這些組件的準標準采樣率為48 kHz，但通常在12.288 MHz（48 kHz×256）進行過采樣。通過 12.288 MHz 主時鐘和數(shù)字化 L 和 R 音頻通道，編碼器將生成主單聲道 （L + R）、BTSC 立體聲子通道 （L – R） 和 15.734-kHz 導頻信號。

主時鐘又會產(chǎn)生分數(shù)比例的導頻信號，可以通過以下幾種方式之一生成。一種選擇，即使用基于晶體的振蕩器，將無法確保相應的BTSC導頻信號的頻率或鎖相fH 同步，這是準確解碼雙邊帶抑制載波編碼立體聲音頻的要求。在遠程電視上，視頻信號可能比音頻高10 dB，這可能會導致立體聲矩陣解碼中的相位對齊錯誤。此外，即使是最好的高度穩(wěn)定的晶體也只能指定為0.01%，對應于導頻信號中的1.6 Hz容差。例如，如果BTSC接收器中的PLL要鎖定NTSC的強偽影fH 同步，而不是晶體生成的導頻，信號差異將導致L+R和L-R之間的時變相位錯位，導致解碼過程中左右通道之間的分離嚴重喪失。此外，根據(jù)鑒相器的結(jié)構(gòu)，VCO可能會在晶體生成的導頻和fH 同步偽影，再次導致相位未對準。

更可行的選擇是推導具有小數(shù) N 分頻 PLL 的時鐘，實際上使用fH 同步作為參考輸入。圖5所示為反饋路徑中帶有小數(shù)N分頻器的典型PLL。如果fH 同步用作輸入?yún)⒖?，N 分頻器的值為 780.9838...（N =fMCLK/fH 同步），需要非常高分辨率的設備。這種方法還需要額外的元件，因此在電路板空間非常寶貴的設計中不切實際。

圖5.使用 PLL 的典型 MCLK 推導。小數(shù) N 分頻器設置為 MCLK 為 12.288 MHz。

第三種選擇是在反饋環(huán)路中包括AD71028的次級通道（包含兩個立體聲音頻通道），用于自校正和自我維持主時鐘，如圖6所示。AD71028的主（A）通道用于編碼BTSC立體聲音頻。它從音頻ADC接收數(shù)字輸入，例如AD1871。如果次級（B）通道的音頻輸入接地，則輸出端僅看到退化的導頻。如果相位和頻率鎖定為fH 同步，該信號可用于生成 12.288-MHz 主時鐘，fMCLK.

圖6.fMCLK使用H同步和BTSC試點進行合成。

觀察AD71028如何集成到PLL的反饋環(huán)路中

在編碼器的B溝道輸出之后，需要一個雙極點低通濾波器和一個偏置比較器，以向鑒相器提供干凈的方波導頻信號。AD71028主時鐘頻率中的任何誤差都將立即通過次級通道反映到鑒相器的反饋輸入，通過退化導頻，其成正比fMCLK.因此，這種BTSC導頻反饋時鐘合成方法將提供比傳統(tǒng)的小數(shù)N分頻PLL時鐘更精確的主時鐘，因為主時鐘將以正確的頻率反饋比直接生成。在本應用中，PLL概念之所以成功，是因為AD71028內(nèi)核能夠以固定的小數(shù)比以數(shù)字方式生成導頻音。MCLK.

因此，主時鐘頻率必須精確為12.288 MHz，導頻音必須為15.734 kHz。當回路穩(wěn)定并鎖定時，fMCLK將是BTSC編碼器輸出瞬時頻率的小數(shù)倍，f防彈少年團輸出（也就是說，fMCLK= α ×f防彈少年團 外），并且發(fā)送到遠程電視的飛行員被鎖定到 NTSCfH 同步.耦合偽影fH 同步在接收器的相位和頻率上與導頻相同，因此沒有錯誤的解調(diào)。

當兩臺電視使用簡單的機頂盒連接到一個衛(wèi)星機頂盒時，遠處房間的電視必須通過同軸電纜連接。衛(wèi)星天線通過ANT IN直接連接到機頂盒，如圖7所示。音頻信號通過 RCA 電纜路由到主電視，第二臺電視通過同軸電纜在頻道 3 或 4 上接收其音頻和視頻。但是，第二臺電視將僅接收單聲道聲音，因為它接收的音頻頻譜中不存在立體聲差分信號 L – R（圖 8）。

圖7.衛(wèi)星機頂盒的 A/V 輸入和輸出。

原因是BTSC編碼器傳統(tǒng)上價格昂貴，因為設計需要許多模擬元件、較大的電路板空間和復雜的校準調(diào)整，這使得它們對于低成本衛(wèi)星機頂盒來說不切實際。如果希望在這樣的系統(tǒng)中保留立體聲，解碼的左右模擬音頻信號必須通過擴展的非平衡RCA電纜傳遞到第二臺（遠程）電視，與圖8所示的L和R電纜并聯(lián)，但這種設置極易受到噪聲和信號衰減的影響。

圖8.典型衛(wèi)星電視設置的音頻頻譜，其中單聲道音頻被發(fā)送到 2德·房間電視

另一方面，如果如上所述使用雙通道BTSC立體聲編碼器AD71028，則其A通道可用于通過單根同軸電纜將編碼的視頻和立體聲音頻傳遞到第二臺電視。在電視和音頻/視頻接收器可能位于多個房間的家庭中，消費者現(xiàn)在可以通過同軸電纜將BTSC立體聲傳遞到整個房屋。

圖9顯示了衛(wèi)星接入電視（SATV）接收器的框圖。它具有帶 BTSC 立體聲的射頻輸出和 PLL 生成的 MCLK。

圖9.SATV接收器框圖。MCLK是使用BTSC試點得出的。

AD71028的A聲道輸出可用于為第二室電視或次級A/V接收器提供BTSC立體聲。

數(shù)字BTSC編碼器，包括ADC

最近發(fā)布的AD1970集成了BTSC編碼器AD71028和ADC1871。 該器件所需的輸入是NTSC復合視頻信號以及L和R音頻通道。由于時鐘是自生成的，內(nèi)核中的隱藏次級通道，因此無需外部時鐘來驅(qū)動該器件。因此，AD1970為支持BTSC的衛(wèi)星機頂盒應用提供了完全集成的解決方案。

結(jié)論

鎖相環(huán)的一種新穎應用為衛(wèi)星機頂盒提供了精確、低漂移、自校正的主時鐘。將來自雙 BTSC 編碼器次級通道的 BTSC 導頻與 NTSC 水平同步速率 （15.734 kHz） 連續(xù)進行比較，得出 12.288 MHz 的自我維持穩(wěn)定主時鐘頻率。該時鐘可以路由到其他專業(yè)音頻轉(zhuǎn)換器和組件，并且可以用作推導更多時鐘頻率的來源。此外，編碼器的主通道提供BTSC立體聲編碼輸出。這允許輔助電視和A / V接收器通過單個標準同軸電纜互連。在設備相距很遠的電視和 A/V 設置中，這種方法可以經(jīng)濟高效地保持系統(tǒng)的信號完整性。

審核編輯：郭婷