卫星机顶盒的时钟生成解决方案

简介

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 - 并且许多新设备没有 - 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）为广播电视系统委员会（BTSC）立体声系统获取稳定的高速时钟启用系统，采用双通道BTSC编码器，如AD71028。

编码器的一个通道处理实际的BTSC立体声编码输出，第二个通道用于推导主通道的主控通道时钟及其自己的辅助时钟 - 使用BTSC复合音频频谱中的残留导频信号加上负反馈误差校正。通过这种方式使用AD71028，在设计卫星机顶盒时可以低成本地添加立体声功能。对于消费者而言，这意味着在家庭中，电视和音频/视频（A / V）接收器位于多个房间，BTSC立体声可通过同轴电缆馈送到整个房屋，避免了高成本和RCA音频/视频电缆具有低噪声抗扰度。

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，低成本的解决方案，可以生成稳定的系统主时钟并为立体声音频分配系统提供时钟。

多通道电视声音（MTS），更为人所知的是由Zenith开发的BTSC编码 - 于1984年被美国联邦通信委员会（FCC）采用为用于将三个附加音频信道编码到 National Television Systems Committee （NTSC）格式视频信号上的方法。早期的NTSC视频已包含单声道音频信号（相当于L + R，立体声和），因此BTSC添加了立体声差信号（L-R），它与和信号组合以解码立体声音频。此外，第二个通道（称为第二音频程序（SAP））可用于为视障人士或无线电服务提供第二语言，音频描述服务。广播电台可以使用第三个专业（PRO）信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显示在分别如图1和图2所示。注意，BTSC频谱包含15.734 kHz的导频信号，该频率与NTSC视频水平同步相同，1H = f H sync 。接收器使用该导频信号在2H恢复双边带抑制载波（DSBSC）调制立体声差分（L-R）音频信道，在5H恢复SAP和PRO信道。 6.5H。值得注意的是，DSBSC调制需要相干解调，因此发送和接收点的相位和频率必须相同，以避免严重失真。

< p>在接收机设计中，锁相环（PLL）用于本地振荡器（LO），以消除由于环境影响引起的频率和相位偏移 - 例如随着环境温度的变化。由于这些偏移会导致下变频和解调误差，因此独立振荡器不足，因为它们既不跟踪频率也不跟踪相位。典型的PLL包含一个低漂移参考振荡器和一个提供频率调谐的压控振荡器（VCO）。使用负反馈，从参考输入生成低漂移输出。由于 f H sync 可用作低漂移参考信号，因此PLL可用于为BTSC编码器生成主时钟，并且模拟到 - 数字转换器（ADC）。传统方法使用PLL来产生主时钟，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生成的PLL反馈环路中主时钟。

在最基本的形式中，PLL由相位检测器，环路滤波器和VCO组成，如图3所示。相位检测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异的函数。滤波器的输出经过滤波，为VCO提供干净的控制电压。 VCO输出反馈到相位检测器，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。相位检测器的滤波输出驱动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。

稍作修改，这个基本的PLL原理可以应用于许多有用的方法。例如，通过在环路中添加分频器（例如，模N计数器），如图4所示，基本PLL成为稳定且可调谐的频率合成器，其产生可以是整数的VCO输出频率。 - 或输入参考频率的分数倍， f VCO = N × f REF 。

STB和电视接收器包含多个需要高速时钟的芯片。例如，基于运动图像专家组（MPEG）的接收器使用必须路由到补充音频组件的27MHz主时钟。这个时钟源通常是MPEG解码器芯片，但如果MPEG解码器没有在外部提供它，它必须在其他地方生成。以下在支持BTSC的系统中的应用采用PLL原理，将AD71028双通道BTSC编码器用作分数分频器，从而获得稳定，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，以获得主通道和编码器本身的主时钟。

在此应用中，AD71028可以低成本地为卫星机顶盒增加立体声功能，而无需27 MHz时钟源。在电视和音频/视频接收机器（AVR）的各个房间中使用的家，该技术允许BTSC立体声信号在整个经由同轴电缆房子被传递，避免了成本高，立体声差分离，以及不平衡RCA电缆的低噪声抗扰度。这种简化的方法可以使用，因为在BTSC复合音频频谱中的残留15.734千赫的导频信号提供了一个理想的参考信号到PLL的相位检测器。

的RF输出电缆 -TV机顶盒（在频道3或频道4上调制）已经是BTSC立体声编码。然而，便宜的卫星电视机顶盒的RCA输出通常限于单声道声音。为了向卫星STB添加立体声功能，系统中添加了AD71028 BTSC立体声编码器。在具有多个TV的家庭中，主卫星STB中需要ADC以在编码之前将左和右模拟音频信号转换为数字。 AD71028，ADC和其他专业音频转换器和组件需要主时钟。这些组件的准标准采样率为48 kHz，但通常在12.288 MHz（48 kHz×256）下进行过采样。具有12.288MHz的主时钟和数字化的L和R音频通道，编码器将生成主单声道信道（L + R），所述BTSC立体声子信道。（L - R），和15.734千赫导频信号

主时钟可以以多种方式之一生成，后者又生成分数比例的导频信号。一个选项中，使用基于晶体振荡器的，将不保证相应BTSC导频信号是频或相位锁定到˚F<子>水平同步 的，一个给要求准确地解码双边带抑制载波编码的立体声音频。在远程电视处，视频信号可能比音频高10dB，可能导致立体声矩阵解码中的相位对准误差。此外，即使是最好的高稳定性晶体也仅规定为0.01％，相当于导频信号的1.6 Hz容差。例如，如果PLL在BTSC接收器分别锁定到所述NTSC的一个强有力的伪像的˚F<子>水平同步 的，而不是晶体生成的导频，该信号差将导致L + R和L-R之间的时变相位错位，导致在解码期间左右声道之间的分离严重损失。此外，根据不同的相位检测器的结构中，VCO可晶体产生的导频和˚F<子>水平同步 之间摇摆伪像，再次导致相位失调。

更可行的选择是使用小数N分频PLL导出时钟，实际上使用 f H sync 作为参考输入。图5显示了一个典型的PLL，在其反馈路径中带有分数N分频器。如果 f H sync 用作输入参考，则N分频器的值为780.9838 ...（N = f MCLK / f H sync ）需要非常高分辨率的设备。这种方法还需要额外的元件，这使得它在电路板空间非常宝贵的设计中不切实际。

第三种选择是包含AD71028的辅助通道 - 其中包含两个立体声音频通道 - 在反馈环路中，使用它来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。如果辅助（B）通道的音频输入接地，则只在输出端看到残留导频。如果相位和频率锁定到 f H sync ，该信号可用于生成12.288-MHz主时钟， f MCLK 。

在编码器的B通道输出之后，需要一个双极低通滤波器和一个偏置比较器来提供干净的方波导频发信号到相位检测器。 AD71028的主时钟频率中的任何错误都将立即通过辅助通道反射到相位检测器的反馈输入，通过残留导频，与 f MCLK 成正比。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分钟PLL时钟更精确的主时钟，因为主时钟将直接以正确的频率反馈比生成。在此应用中，PLL概念是成功的，因为AD71028内核能够以与 f MCLK 的固定小数比率以数字方式生成导频音。

因此，主时钟频率必须精确为12.288 MHz，导频音为15.734 kHz。当环路稳定并锁定时， f MCLK 将是BTSC编码器输出的瞬时频率的分数倍， f btsc out （即 f MCLK =α× f btsc out ），发送到远程电视的导频被锁定到NTSC f H sync 。接收器上 f H sync 的耦合伪像在相位和频率上与导频相同，因此没有错误的解调。

当两台电视机时使用简单的STB连接到一个卫星STB，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STB，如图7所示。音频信号通过RCA电缆连接到主电视，第二个电视通过同轴电缆在3或4频道接收音频和视频。然而，第二台电视只接收单声道声音，因为立体声差分信号L-R不会出现在它收到的音频频谱中（图8）。

原因BTSC编码器传统上是昂贵的，因为设计需要许多模拟元件，大板空间和复杂的校准调整，这使得它们对于低成本的卫星STB来说是不切实际的。如果希望在这样的系统中保留立体声，解码的左和右模拟音频信号必须通过扩展的不平衡RCA电缆传递到第二（远程）电视，与图8中所示的L和R电缆并联，但是这设置非常容易受到噪声和信号衰减的影响。

另一方面，如果如上所述使用双通道BTSC立体声编码器AD71028，其A通道可用于通过以下方式将编码视频和立体声音频传送到第二台电视。单根同轴电缆。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在整个房屋内传递BTSC立体声。

图9显示了卫星接入的方框图 -TV（SATV）接收器。它具有带BTSC立体声的RF输出和PLL生成的MCLK。

包括ADC的数字BTSC编码器

最近发布的AD1970集成了AD71028 BTSC编码器和AD1871 ADC。该设备所需的输入是NTSC复合视频信号和L和R音频通道。由于时钟是由内核中隐藏的辅助通道自行生成的，因此不需要外部时钟来驱动该部分。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

锁相环的新应用为卫星机顶盒提供了精确，低漂移，自校正的主时钟。来自双BTSC编码器的辅助信道的BTSC导频连续地与NTSC水平同步速率（15.734kHz）进行比较，以得到12.288MHz的自持续稳定主时钟频率。该时钟可以路由到其他专业音频转换器和组件，它可以用作导出更多时钟频率的源。此外，编码器的主要通道提供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。