编码器的备用通道将全屋立体声音频嵌入卫星机顶盒设计中

作者：Jeritt Kent and Victor Chang

卫星机顶盒 （STB） 和电视接收器包含许多需要高速时钟的芯片。如果视频解码器芯片没有外部时钟驱动器（许多较新的设备没有），则必须为需要它的任何音频组件间接生成时钟。本文介绍如何使用锁相环（PLL）为采用双通道BTSC编码器（如AD71028）的广播电视系统（BTSC）立体声系统获得稳定的高速时钟。

编码器的一个通道处理实际的BTSC立体声编码输出，第二个通道用于导出主通道的主时钟和它自己的辅助时钟——使用BTSC复合音频频谱中的退化导频信号加上负反馈纠错。以这种方式使用AD71028，在设计卫星机顶盒时可以低成本地增加立体声功能。对于消费者来说，这意味着在电视和音频/视频 （A/V） 接收器位于多个房间的家庭中，BTSC 立体声可以通过同轴电缆馈送到整个房屋，从而避免了 RCA 音频/视频电缆的高成本和低抗噪性。

本文介绍了机顶盒环境中的时钟生成问题，然后展示了一种紧凑的低成本解决方案，该解决方案既能生成稳定的系统主时钟，又能为立体声音频分配系统派生时钟。

多声道电视声音（MTS），更广为人知的是BTSC编码，由Zenith开发，于1984年被美国联邦通信委员会（FCC）采用，作为将三个附加音频频道编码到国家电视系统委员会（NTSC）格式视频信号的方法。早期的NTSC视频已经包含单声道音频信号（相当于L + R，立体声和），因此BTSC增加了立体声差分信号（L – R），它与总和信号相结合来解码立体声音频。此外，第二频道，称为第二音频节目（SAP），可用于提供第二语言，视障人士的音频描述服务或无线电服务。广播电台可以使用第三个专业 （PRO） 频道进行音频或数据交换。

NTSC复合视频和BTSC复合音频频谱的频率图分别如图1和图2所示。请注意，BTSC频谱包含15.734 kHz的导频信号，该信号与NTSC视频水平同步的频率相同，1H =fH 同步.接收器使用该导频信号在 2H 时恢复双边带抑制载波 （DSBSC） 调制立体声差分 （L – R） 音频通道，在 5H 和 6.5H 时恢复 SAP 和 PRO 通道。需要注意的是，DSBSC调制需要相干解调，因此发射点和接收点的相位和频率必须相同，以避免严重失真。

图1.电视频道的NTSC频谱。

图2.BTSC定义的音频频谱。

在接收器设计中，本振（LO）中使用锁相环（PLL）来消除由于环境影响（如环境温度变化）引起的频率和相位偏移。由于这些失调会导致下变频和解调误差，因此独立振荡器既不跟踪频率也不跟踪相位，因此是不够的。典型的PLL包含一个低漂移基准振荡器和一个提供频率调谐的压控振荡器（VCO）。使用负反馈时，基准输入产生低漂移输出。因为fH 同步PLL可用作低漂移参考信号，可用于为BTSC编码器和模数转换器（ADC）生成主时钟。传统方法使用PLL产生主时钟，但此处介绍的电路使用了一种不寻常的技术：它将需要主时钟的器件集成到产生主时钟的PLL反馈环路中。

PLL的最基本形式由鉴相器、环路滤波器和VCO组成，如图3所示。鉴相器将参考信号的相位与反馈信号进行比较，并产生缓慢变化的输出作为差值的函数。鉴相器的输出经过滤波，为VCO提供干净的控制电压。VCO输出反馈给鉴相器，负反馈迫使VCO产生等于平衡时参考频率的频率。相位检测器将跟踪参考信号的频率或相位（频率变化率）的变化。鉴相器的滤波输出驱动VCO，使其遵循参考频率。当VCO输出频率和相位等于参考信号时，PLL被称为处于“锁定”状态。

图3.基本锁相环系统。

只需稍作修改，这一基本PLL原理就可以以许多有用的方式应用。例如，通过在环路中添加一个分频器（例如，一个模N计数器），如图4所示，基本PLL成为一个稳定且可调谐的频率合成器，其产生的VCO输出频率可能是输入参考频率的整数或小数倍。fVCO = N ×f裁判.

图4.PLL频率合成器。当循环稳定时，fVCO = N ×f裁判.

机顶盒和电视接收器包含多个需要高速时钟的芯片。例如，基于移动图像专家组 （MPEG） 的接收器使用 27 MHz 主时钟，必须将其路由到补充音频组件。这个时钟的来源通常是MPEG解码器芯片，但如果MPEG解码器不对外提供，则必须在其他地方生成。以下支持BTSC的系统应用采用PLL原理，使用AD71028双通道BTSC编码器作为小数分频器，获得稳定的高速、频率和锁相时钟。编码器的一个通道用于BTSC立体声编码输出，而第二个通道用于负反馈，以导出主通道和编码器本身的主时钟。

在本应用中，AD71028无需27 MHz时钟源即可以低廉的成本为卫星机顶盒增加立体声功能。在各个房间使用电视和音频/视频接收器 （AVR） 的家庭中，这种技术允许 BTSC 立体声信号通过同轴电缆在整个房屋中传递，避免了成本高、立体声分离差和不平衡 RCA 电缆的低抗噪性。之所以可以使用这种简化的方法，是因为BTSC复合音频频谱中的退化15.734 kHz导频信号为PLL的鉴相器提供了理想的参考信号。

有线电视机顶盒（在频道 3 或频道 4 上调制）的射频输出已经采用 BTSC 立体声编码。然而，廉价卫星电视机顶盒的RCA输出通常仅限于单声道声音。为了增加卫星机顶盒的立体声功能，系统中添加了AD71028 BTSC立体声编码器。在拥有多台电视的家庭中，主卫星机顶盒中需要一个ADC，用于在编码前将左右模拟音频信号转换为数字信号。AD71028、ADC和其他专业音频转换器和元件需要一个主时钟。这些组件的准标准采样率为48 kHz，但通常在12.288 MHz（48 kHz×256）进行过采样。通过 12.288 MHz 主时钟和数字化 L 和 R 音频通道，编码器将生成主单声道 （L + R）、BTSC 立体声子通道 （L – R） 和 15.734-kHz 导频信号。

主时钟又会产生分数比例的导频信号，可以通过以下几种方式之一生成。一种选择，即使用基于晶体的振荡器，将无法确保相应的BTSC导频信号的频率或锁相fH 同步，这是准确解码双边带抑制载波编码立体声音频的要求。在远程电视上，视频信号可能比音频高10 dB，这可能会导致立体声矩阵解码中的相位对齐错误。此外，即使是最好的高度稳定的晶体也只能指定为0.01%，对应于导频信号中的1.6 Hz容差。例如，如果BTSC接收器中的PLL要锁定NTSC的强伪影fH 同步，而不是晶体生成的导频，信号差异将导致L+R和L-R之间的时变相位错位，导致解码过程中左右通道之间的分离严重丧失。此外，根据鉴相器的结构，VCO可能会在晶体生成的导频和fH 同步伪影，再次导致相位未对准。

更可行的选择是推导具有小数 N 分频 PLL 的时钟，实际上使用fH 同步作为参考输入。图5所示为反馈路径中带有小数N分频器的典型PLL。如果fH 同步用作输入参考，N 分频器的值为 780.9838...（N =fMCLK/fH 同步），需要非常高分辨率的设备。这种方法还需要额外的元件，因此在电路板空间非常宝贵的设计中不切实际。

图5.使用 PLL 的典型 MCLK 推导。小数 N 分频器设置为 MCLK 为 12.288 MHz。

第三种选择是在反馈环路中包括AD71028的次级通道（包含两个立体声音频通道），用于自校正和自我维持主时钟，如图6所示。AD71028的主（A）通道用于编码BTSC立体声音频。它从音频ADC接收数字输入，例如AD1871。如果次级（B）通道的音频输入接地，则输出端仅看到退化的导频。如果相位和频率锁定为fH 同步，该信号可用于生成 12.288-MHz 主时钟，fMCLK.

图6.fMCLK使用H同步和BTSC试点进行合成。

观察AD71028如何集成到PLL的反馈环路中

在编码器的B沟道输出之后，需要一个双极点低通滤波器和一个偏置比较器，以向鉴相器提供干净的方波导频信号。AD71028主时钟频率中的任何误差都将立即通过次级通道反映到鉴相器的反馈输入，通过退化导频，其成正比fMCLK.因此，这种BTSC导频反馈时钟合成方法将提供比传统的小数N分频PLL时钟更精确的主时钟，因为主时钟将以正确的频率反馈比直接生成。在本应用中，PLL概念之所以成功，是因为AD71028内核能够以固定的小数比以数字方式生成导频音。MCLK.

因此，主时钟频率必须精确为12.288 MHz，导频音必须为15.734 kHz。当回路稳定并锁定时，fMCLK将是BTSC编码器输出瞬时频率的小数倍，f防弹少年团输出（也就是说，fMCLK= α ×f防弹少年团 外），并且发送到远程电视的飞行员被锁定到 NTSCfH 同步.耦合伪影fH 同步在接收器的相位和频率上与导频相同，因此没有错误的解调。

当两台电视使用简单的机顶盒连接到一个卫星机顶盒时，远处房间的电视必须通过同轴电缆连接。卫星天线通过ANT IN直接连接到机顶盒，如图7所示。音频信号通过 RCA 电缆路由到主电视，第二台电视通过同轴电缆在频道 3 或 4 上接收其音频和视频。但是，第二台电视将仅接收单声道声音，因为它接收的音频频谱中不存在立体声差分信号 L – R（图 8）。

图7.卫星机顶盒的 A/V 输入和输出。

原因是BTSC编码器传统上价格昂贵，因为设计需要许多模拟元件、较大的电路板空间和复杂的校准调整，这使得它们对于低成本卫星机顶盒来说不切实际。如果希望在这样的系统中保留立体声，解码的左右模拟音频信号必须通过扩展的非平衡RCA电缆传递到第二台（远程）电视，与图8所示的L和R电缆并联，但这种设置极易受到噪声和信号衰减的影响。

图8.典型卫星电视设置的音频频谱，其中单声道音频被发送到 2德·房间电视

另一方面，如果如上所述使用双通道BTSC立体声编码器AD71028，则其A通道可用于通过单根同轴电缆将编码的视频和立体声音频传递到第二台电视。在电视和音频/视频接收器可能位于多个房间的家庭中，消费者现在可以通过同轴电缆将BTSC立体声传递到整个房屋。

图9显示了卫星接入电视（SATV）接收器的框图。它具有带 BTSC 立体声的射频输出和 PLL 生成的 MCLK。

图9.SATV接收器框图。MCLK是使用BTSC试点得出的。

AD71028的A声道输出可用于为第二室电视或次级A/V接收器提供BTSC立体声。

数字BTSC编码器，包括ADC

最近发布的AD1970集成了BTSC编码器AD71028和ADC1871。 该器件所需的输入是NTSC复合视频信号以及L和R音频通道。由于时钟是自生成的，内核中的隐藏次级通道，因此无需外部时钟来驱动该器件。因此，AD1970为支持BTSC的卫星机顶盒应用提供了完全集成的解决方案。

结论

锁相环的一种新颖应用为卫星机顶盒提供了精确、低漂移、自校正的主时钟。将来自双 BTSC 编码器次级通道的 BTSC 导频与 NTSC 水平同步速率 （15.734 kHz） 连续进行比较，得出 12.288 MHz 的自我维持稳定主时钟频率。该时钟可以路由到其他专业音频转换器和组件，并且可以用作推导更多时钟频率的来源。此外，编码器的主通道提供BTSC立体声编码输出。这允许辅助电视和A / V接收器通过单个标准同轴电缆互连。在设备相距很远的电视和 A/V 设置中，这种方法可以经济高效地保持系统的信号完整性。

审核编辑：郭婷