机顶盒中的喀嗒声抑制

2009年03月11日 09:03    李宽
关键词: 机顶盒
在电视开机的情况下,如果打开或关闭机顶盒(STB),就会从电视机扬声器中听到令人讨厌的劈啪声及其他噪声。这个噪声有可能非常刺耳,声音的大小取决于音量设置。迫于客户对改善系统性能的需求,机顶盒的设计工程师一直在寻找抑制这些噪声的方法。
  噪声产生的原因是当机顶盒的电源状态发生变化时,机顶盒的音频输出线路上产生了电压偏移。扬声器产生的劈啪声通常是一些瞬态音频信号。音频放大器的结构、音频信号的交流耦合以及机顶盒供电电源的特性,都可能导致这一结果。要从根本上完全消除噪声似乎不太可能,但是,采用直接驱动技术的MaximIC能够大大降低STB中的噪声。过去,工程师只是凭主观估测来评估STB音频输出的瞬态噪声,本文介绍一种更加客观并且容易被大家接受的测量方法。
首先讨论噪声的主要来源,然后介绍消除噪声的途径。使用正确的方法和工具,通过测量SCART STB中两个不同的音频放大器芯片阐述测试方法。
1 机顶盒中咔嗒声的来源
  产生咔嗒声的主要原因是机顶盒输出端的交流耦合电容。STB的音频放大器和编解码器(CODEC)都采用单电源供电,所以,音频信号必须偏置在供电电源与地电位之间的中间电平附近,否则,放大器的内部电路可能无法正常工作。因此,STB输出需要提供直流偏置给音频信号。
  由于负载(电视)以系统地为参考,负载和放大器之间的压差会产生一条直流电流路径。需要放置一个交流耦合电容阻断负载与放大器输出之间的直流通道。另外,这个电容还可以在外部短路时为音频放大器提供保护(音频插孔暴露在外部,用户连接时可能会在无意中造成短路)。交流耦合电容为STB提供了良好的隔离和保护,但在新一代放大器中,短路保护电路能够省去交流耦合电容。
  当音频放大器开启/关闭时,输出电压上升/下降到偏置电压(或地电位)。耦合电容充电和放电的斜率取决于容值大小,并最终决定了瞬态噪声的频率。有些设计人员误认为选择合适的电容及增大充电斜率,可以把噪声移到音频频段以外,而进一步调查显示这种方法并非如此简单。
  首先,输出上升到偏置电压的初始斜率主要取决于放大器输出级的电流驱动能力,而电容的大小只是在一定程度上随着电源的上下波动改变输出变化率(在偏置电压和地电位之间)。瞬态噪声的陡峭边沿在放大器上电时产生,而较缓慢的边缘(瞬态信号返回地电位)则受容值大小的影响。
  另一个限制交流耦合电容大小的因素是其滤波配置。电容和负载形成一个高通滤波器,需要谨慎选择电容以确保其通频带覆盖音频频段,不会降低音频信号。典型的电视负载为10kΩ,有些STB音频放大器的负载可能达到3.3kΩ(三个10kΩ负载并联)。机顶盒输出最常见的交流耦合电容为10μF,这个电容不会造成滤波器对音频信号的衰减。
  在STB的音/视频通道,采用Maxim的直接驱动滤波放大器,能够在单电源供电的条件下保证输出直流偏置在以地为参考的±3mV以内。这项技术省去了输出端的交流耦合电容。内部限流电路能够在发生输出短路故障时为放大器提供有效保护。由于消除了喀嗒声的一个主要来源,因此大大抑制了瞬态噪声。
2 双SCART音/视频开关喀嗒声的测量
  喀嗒声的幅度还取决于其他因素,如电视机的音量、电视与人耳的距离以及扬声器的灵敏度。传统的评估方法是在不同距离、不同音量设置下,主观地对STB进行评估。Maxim的工程师则采用了一套正确的方法和工具客观地评估STB的性能。
  典型的欧洲STB包括音/视频(A/V)开关,用来切换解码芯片和两个SCART连接器之间的音频、视频和控制信息。该领域的设计人员一般倾向于选择单芯片方案。多家半导体公司(ST、AKM、索尼、Maxim等)已经推出了这样的芯片。音频部分通常限定于单12V供电的固定增益或可变增益放大器(由于在大多数应用中,STB要求2Vrms音频输出),因此需要交流耦合电容。Maxim近期推出的MAX9598音/视频开关芯片不仅省去了音频输出端的耦合电容,消除了直流偏置,还降低了系统功耗,因为它工作在3.3V电源。
  使用示波器观察音/视频开关电源状态改变时STB的音频输出瞬态信号。对两款SCARTA/V开关(ST的STV6412A和Maxim的MAX9598)的音频输出进行了测量。按照STV6412A数据手册的建议,在音频输出端放置1μF的交流耦合电容;MAX9598的音频输出采用直流耦合,两款器件输入均置于静音状态(接地)。
  图1给出了两款A/V开关音频输出的瞬态响应,器件周期性地进入和退出关断模式。根据放大器的设计和内部结构,可能还需要在音频电源打开、关闭时,对瞬态响应进行监测。




  从图1(a)可以看出,无论是在供电状态改变时,还是器件本身的状态改变时,器件都会产生很大的瞬态噪声。对于MAX9598(图1(b)),瞬态噪声的主要来源是输出端的直流失调漂移。这个漂移只有几个毫伏,因此,瞬变幅度保持在示波器的噪底以内。出于这一考虑,需要寻求一种更加准确的测量方法。
  为了达到这一目的,Maxim的音频组制定了一个通用的方法来测量不同音频放大器的喀嗒声指标(图2),采用AudioPrecision(AP)的系统1和系统2音频分析仪进行测量。对前面讨论过的STV6412A和MAX9598电源进行测试,测试时将输入端置于静音状态,输出端连接到AP。



  AP设置为记录被连续监测输出的峰值电压,利用该装置测试得到了交流耦合的STV6412A在进入待机模式和退出待机模式进入运行模式时的最大瞬态电压,分别为244.1mV和-12.247dBV。利用该装置还测试了MAX9598的最大输出瞬态电压,器件测试条件分别为进入和退出待机模式的瞬态情况,电源通、断条件下的瞬态情况。表1归纳了这些测量的最大值,并对STV6412A与MAX9598的瞬态噪声进行了比较。
  从表1可以看出,直流耦合输出能够大大抑制喀嗒声。另外,STV6412A输出端要求使用的交流耦合电容是1μF。由于这样的电容值会阻止音频信号的低频成分,大多数厂商要求机顶盒A/V开关使用的电容不应低于10μF。而耦合电容较大时可能会产生更大的电压变化,造成更大的喀嗒声。



  通过对AP测量的进一步分析可能会发现与示波器测量的差异。可以很容易解释这些差异,AP输入包括一个A加权滤波器,可以滤除高频噪声,只保留了音频范围的瞬态信号。而示波器测量结果包含了更带频宽的瞬态信号,也可以在示波器的探头上连接一个A加权滤波器进行测量。从测试结果看,AP测试系统得到的结果更能说明问题,因为它只显示音频范围的输出信号。
  表1提供了一个非常客观的测试,但从测试效果看仍然具有主观因素。在机顶盒中确定可以接受或可以觉察的喀嗒声电平并不是一件容易的工作。如前所述,这些噪声也会受其他因素的影响,如电视机音量、扬声器的效率、扬声器与听众之间的距离等。但从本文的测试结果可以明显看出,采用Maxim的DirectDrive技术能够达到很好的喀嗒声抑制效果。
  本文讨论了机顶盒中的喀嗒声抑制问题。主要探讨了其中的一个关键因素,即音频输出端的交流耦合电容,并且提出了消除这一影响的方法。其他一些抑制喀嗒声噪声的途径(如控制电源摆率)对系统性能的改善取决于放大器的内部结构。
3 如何处理不带SCART连接器的STB
  对于不带SCART连接器的机顶盒不需要过多地切换音频和视频信号,因此,MAX9598双SCART音频/视频开关并非对于任何系统都是高性价比的选择。出于这个原因,公司还针对不带SCART连接器的机顶盒提供了具体方案。机顶盒设计者通常使用单电源供电的双运放作为音频放大器,输出端采用交流耦合,对于视频信号,通常采用分离器件。
  对于非SCART系统,MAX9597能够提供与MAX9598非常接近的喀嗒声抑制方法。MAX9597支持4个视频信号通道的滤波、放大,并可切换直流耦合输出的2Vrms音频信号,可接受来自机顶盒音频CODEC的差分或单端信号。
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