RF调制器的音视频信号调理电路设计

调制器，从简单的模拟方案到单芯片合成器，都需要经过调理的音频、视频输入信号，如何满足音视频输入信号的要求是设计工程师所面临的一个挑战。本文利用标准运算放大器和分立元件提供了一个低成本解决方案，并给出了电路设计方法。

尽管我们已经步入数字视频时代，但是由于历史原因，仍然保留了RF调制的模拟电视用于国际标准及安全监控应用中。调制器，从简单的模拟方案到单芯片合成器，都需要经过调理的音频、视频输入信号，如何满足音视频输入信号的要求是设计工程师所面临的一个挑战。尽管这种要求普遍存在，但目前还没有适当的集成方案，而是采用分立器件设计。主要原因是设计难度和标准之间的差异，以及调制器本身对信号电平的不同要求。对信号的调理通常包括：视频信号的低通滤波、带阻滤波以及群延时补偿，音频信号的预加重以及用于调节调制幅度的音、视频电平控制。

基于以上原因，许多有线电视和卫星接收机、VCR、DVD、TV等并未完全达到设计要求，与基带复合信号(Cvb)相比，调制信号的质量较差。本文探讨了这种应用的接口要求，并利用标准运算放大器和分立元件提供了一个低成本解决方案，给出了适合大多数AV设备的后面板输出。

实际需求与问题

ITU推荐的BT.470-6标准规定了NTSC、PAL对驱动RF调制器的视频信号群延时变化和音频信号预加重的要求，但对其他规格的要求不够清晰，本文根据典型的TV、DVD或机顶盒(STB)后面板(图1所示，提供基带和RF调制的音频、视频输出)，在表1和表2中归纳了这些要求和设计规范。

有些信号调理要求取决于信号源。例如，如果送入调制器的信号来自DAC，这将需要重建滤波器以滤除噪声、混叠信号，避免出现带外调制。另外，还需要进一步的放大处理，以补偿后端负载和DAC输出的变化。视频信号在伴音副载波附近的带阻滤波并非一定需要，但在图3中的ITU-470群延时要求滤波处理，调制器IC通常也提出了相应的建议。典型的后面板信号输出电平高于调制器的输入电平，需要对信号进行衰减。因此，图1中的音、视频信号接口需要：

1.用于音频和视频输出的低通重建滤波器(假设这些信号源自DAC输出)。

2. 伴音副载波带阻滤波器或陷波器：滤波器以伴音副载波为中心频率，这会在陷波频率附近产生较大的群延时变化 (正是由于这个原因，NTSC和PAL均将伴音副载波置于视频信号的最小-3dB带宽以上，以便能够实现补偿)。

3. 群延时补偿：以符合ITU-470图3中的波形要求，由具体标准决定。

4. 左、右声道混音：用于单声道音频设备，只有在将立体声输出到单声道调制器时才需要。

5. 音频预加重：由具体标准决定(表1)。

6. 可调节的音频、视频信号幅度：设置调制度，由具体标准和所使用的调制器芯片决定。

滤波器设计

首先需要设计的是低通重建滤波器，以消除音、视频信号的混叠输出和带内噪声。利用有源滤波器可以将DAC输出提升到标准电平，驱动后面板以及RF调制器。

对于音频信号，需要采用22-24kHz-3dB频率和足够增益的低通滤波器(LPF)为后面板提供2V RMS的输出。由于音频信号被高度过采样，只需一阶无源RC滤波即可，第二级RC滤波器实际用于音频调制，而非信号重建。图2所示电路利用MAX4494实现这一功能，驱动后面板输出和RF调制器的音频输入。

对视频信号的处理要困难一些，它没有经过高度的过采样处理，至少需要一个三极(three-pole)重建滤波器，如果处理过程引入了较大的群延时变化，还必须进行补偿、提高增益，以补偿DAC输出的变化和后端损失。最好采用有源滤波方案，图3所示电路是为NTSC或PAL制式提供的一个参考方案，图中采用了MAX4380，利用R8可以调节群延时，为后面板和RF调制器的视频输入提供驱动。对于多路输出，如复合视频和S视频，可以采用相同的方案，利用三运放或四运放的MAX4382或MAX4383构建该滤波电路。

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求和，转换成单声道信号，并降低信号的幅度。然后，由带有预加重网络的缓冲器增强高频信号。图4是一种低成本的解决方案，采用T型电阻网络和连接到地的可变电阻，左、右声道信号通过R1和R2进入R3、R4求和，R3用于调节电平，R4设置最大衰减量。预加重网络是由MAX4494周围的R7、R8、R9和C1构成的超前-滞后网络。时间常数为：

T=2×?×(R7×R8/R7+R8)+R9×C1

对于NTSC系统，时间常数设置为75μs (~2100HZ)。改变R7、R8、R9和/或C1，可以将时间常数设置为用于PAL系统的50μs。R5用于均衡输入和偏置电流产生的失调电压，R10用于隔离输出端的容性负载。

需要注意的是，为了防止提升频率造成过调制，可以由音频重建滤波器的第二极来消除预加重效应。所带来的负面影响是增大了LPF的带宽，如果DAC信号存在显著的带内噪声，同样会导致类似于过调制的问题。一种折衷的方法是采用独立的音频重建滤波器，分别用于调制器和后面板输出。

视频调制器信号调理

视频信号的调理需要对复合视频在FM伴音副载波区域进行陷波处理，避免与视频信号复合时产生冲突。伴音副载波恰好在彩色副载波之上，带阻滤波器所产生的群延时变化大约为几百纳秒。这将改变彩色副载波的相位，造成图像偏色。为了修正这一效应，需要几个一阶延时器，本文采用了二阶LC网络用于带阻滤波和群延时补偿(图5)。使用一片MAX4383四运放，该电路用于NTSC系统，如果对电路中的元件参数做一些调整，也可用于PAL系统。

输入级二阶均衡电路利用R2和R3设置增益，L1和C1设置频率，R1设置二阶网络的Q值，图中采用了一个标准的22μH SMD电感，可相应地调节电容C1，这样可以用两个调节元件(C1、R1)设置Q值和群延时(GD)。该电路对GD的设置略低于带阻滤波器所产生的群延时。

LC陷波器的中心频率为：

Fac=1/(L2×C2)^1/2

带宽(BW)或Q值由电阻和感抗决定：

Q=Req/Xl=(R4×R5/R4+R5)+R6/2×?×L2=Fac/BW

已知L2和Fac，从表2可知所需要的频带为：3.58MHz+620KHz=4.2MHz。Fac为4.5MHz，则带宽为+/-300kHz或600kHz，Q值为：

Q=4.5MHz/600kHz=7.5

选择L2，计算出Req=622/7.5=83Ω，这里选用150Ω的R4和R5，利用R6进行微调。R4、R5分压器还提供-6dB 的输入衰减。调节C2用于补偿L2的容差。

U1b构成增益可调的缓冲器，增益由R7、R8设置。如果不需要提供增益，可去掉R7，R8采用22小电阻，以防自激。该电路配合前级衰减器可以将输出电平设置在与调制器相匹配的电平上，确定调制度。下一级二阶均衡电路与第一级相同，只是具有更高的频率和更低的Q值。利用C3调节频率、R13调节Q值。增益由R9、R10设置为1V/V。最后一级一阶均衡器和线驱动器中，R14和C4设置延时，R11和R12将U1d设置为单位增益。R15用于75?负载终端匹配。

一旦选择了音频、视频DAC或MPEG解码器和调制器芯片，就确定了最终设计方案中的参数。实际设计中，有些元件还需要根据布线和寄生效应作进一步的调整。

本文总结

从上述设计过程可以看出，利用运算放大器设计音、视频的接口电路难度较大，但它具有以下优势：

1. 成本低，可利用标准元件灵活设计。

2. 需要调节的部件较少。

3. 符合ITU推荐的BT.470-6标准。

4. 适用于任何MPEG解码器和RF调制器的组合。

5. 可用于NTSC和PAL应用。

作者： Bill Stutz

Maxim集成产品公司