機頂盒中的喀嗒聲抑制方案

在電視開機的情況下，如果打開或關(guān)閉機頂盒（STB），就會從電視機揚聲器中聽到令人討厭的劈啪聲及其他噪聲。這個噪聲有可能非常刺耳，聲音的大小取決于音量設(shè)置。迫于客戶對改善系統(tǒng)性能的需求，機頂盒的設(shè)計工程師一直在尋找抑制這些噪聲的方法。

噪聲產(chǎn)生的原因是當機頂盒的電源狀態(tài)發(fā)生變化時，機頂盒的音頻輸出線路上產(chǎn)生了電壓偏移。揚聲器產(chǎn)生的劈啪聲通常是一些瞬態(tài)音頻信號。音頻放大器的結(jié)構(gòu)、音頻信號的交流耦合以及機頂盒供電電源的特性，都可能導致這一結(jié)果。要從根本上完全消除噪聲似乎不太可能，但是，采用直接驅(qū)動技術(shù)的MaximIC能夠大大降低STB中的噪聲。過去，工程師只是憑主觀估測來評估STB音頻輸出的瞬態(tài)噪聲，本文介紹一種更加客觀并且容易被大家接受的測量方法。

首先討論噪聲的主要來源，然后介紹消除噪聲的途徑。使用正確的方法和工具，通過測量SCART STB中兩個不同的音頻放大器芯片闡述測試方法。

1 機頂盒中咔嗒聲的來源

產(chǎn)生咔嗒聲的主要原因是機頂盒輸出端的交流耦合電容。STB的音頻放大器和編解碼器(CODEC)都采用單電源供電，所以，音頻信號必須偏置在供電電源與地電位之間的中間電平附近，否則，放大器的內(nèi)部電路可能無法正常工作。因此，STB輸出需要提供直流偏置給音頻信號。

由于負載（電視）以系統(tǒng)地為參考，負載和放大器之間的壓差會產(chǎn)生一條直流電流路徑。需要放置一個交流耦合電容阻斷負載與放大器輸出之間的直流通道。另外，這個電容還可以在外部短路時為音頻放大器提供保護（音頻插孔暴露在外部，用戶連接時可能會在無意中造成短路）。交流耦合電容為STB提供了良好的隔離和保護，但在新一代放大器中，短路保護電路能夠省去交流耦合電容。

當音頻放大器開啟/關(guān)閉時，輸出電壓上升/下降到偏置電壓（或地電位）。耦合電容充電和放電的斜率取決于容值大小，并最終決定了瞬態(tài)噪聲的頻率。有些設(shè)計人員誤認為選擇合適的電容及增大充電斜率，可以把噪聲移到音頻頻段以外，而進一步調(diào)查顯示這種方法并非如此簡單。

首先，輸出上升到偏置電壓的初始斜率主要取決于放大器輸出級的電流驅(qū)動能力，而電容的大小只是在一定程度上隨著電源的上下波動改變輸出變化率（在偏置電壓和地電位之間）。瞬態(tài)噪聲的陡峭邊沿在放大器上電時產(chǎn)生，而較緩慢的邊緣（瞬態(tài)信號返回地電位）則受容值大小的影響。

另一個限制交流耦合電容大小的因素是其濾波配置。電容和負載形成一個高通濾波器，需要謹慎選擇電容以確保其通頻帶覆蓋音頻頻段，不會降低音頻信號。典型的電視負載為10kΩ，有些STB音頻放大器的負載可能達到3.3kΩ（三個10kΩ負載并聯(lián)）。機頂盒輸出最常見的交流耦合電容為10μF，這個電容不會造成濾波器對音頻信號的衰減。

在STB的音/視頻通道，采用Maxim的直接驅(qū)動濾波放大器，能夠在單電源供電的條件下保證輸出直流偏置在以地為參考的±3mV以內(nèi)。這項技術(shù)省去了輸出端的交流耦合電容。內(nèi)部限流電路能夠在發(fā)生輸出短路故障時為放大器提供有效保護。由于消除了喀嗒聲的一個主要來源，因此大大抑制了瞬態(tài)噪聲。

2 雙SCART音/視頻開關(guān)喀嗒聲的測量

喀嗒聲的幅度還取決于其他因素，如電視機的音量、電視與人耳的距離以及揚聲器的靈敏度。傳統(tǒng)的評估方法是在不同距離、不同音量設(shè)置下，主觀地對STB進行評估。Maxim的工程師則采用了一套正確的方法和工具客觀地評估STB的性能。

典型的歐洲STB包括音/視頻（A/V）開關(guān)，用來切換解碼芯片和兩個SCART連接器之間的音頻、視頻和控制信息。該領(lǐng)域的設(shè)計人員一般傾向于選擇單芯片方案。多家半導體公司（ST、AKM、索尼、Maxim等）已經(jīng)推出了這樣的芯片。音頻部分通常限定于單12V供電的固定增益或可變增益放大器(由于在大多數(shù)應(yīng)用中，STB要求2Vrms音頻輸出)，因此需要交流耦合電容。Maxim近期推出的MAX9598音/視頻開關(guān)芯片不僅省去了音頻輸出端的耦合電容，消除了直流偏置，還降低了系統(tǒng)功耗，因為它工作在3.3V電源。

使用示波器觀察音/視頻開關(guān)電源狀態(tài)改變時STB的音頻輸出瞬態(tài)信號。對兩款SCARTA/V開關(guān)（ST的STV6412A和Maxim的MAX9598）的音頻輸出進行了測量。按照STV6412A數(shù)據(jù)手冊的建議，在音頻輸出端放置1μF的交流耦合電容；MAX9598的音頻輸出采用直流耦合，兩款器件輸入均置于靜音狀態(tài)（接地）。

圖1給出了兩款A(yù)/V開關(guān)音頻輸出的瞬態(tài)響應(yīng)，器件周期性地進入和退出關(guān)斷模式。根據(jù)放大器的設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可能還需要在音頻電源打開、關(guān)閉時，對瞬態(tài)響應(yīng)進行監(jiān)測。

從圖1（a）可以看出，無論是在供電狀態(tài)改變時，還是器件本身的狀態(tài)改變時，器件都會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)噪聲。對于MAX9598（圖1（b）），瞬態(tài)噪聲的主要來源是輸出端的直流失調(diào)漂移。這個漂移只有幾個毫伏，因此，瞬變幅度保持在示波器的噪底以內(nèi)。出于這一考慮，需要尋求一種更加準確的測量方法。

為了達到這一目的，Maxim的音頻組制定了一個通用的方法來測量不同音頻放大器的喀嗒聲指標（圖2），采用AudioPrecision（AP）的系統(tǒng)1和系統(tǒng)2音頻分析儀進行測量。對前面討論過的STV6412A和MAX9598電源進行測試，測試時將輸入端置于靜音狀態(tài)，輸出端連接到AP。

AP設(shè)置為記錄被連續(xù)監(jiān)測輸出的峰值電壓，利用該裝置測試得到了交流耦合的STV6412A在進入待機模式和退出待機模式進入運行模式時的最大瞬態(tài)電壓，分別為244.1mV和-12.247dBV。利用該裝置還測試了MAX9598的最大輸出瞬態(tài)電壓，器件測試條件分別為進入和退出待機模式的瞬態(tài)情況，電源通、斷條件下的瞬態(tài)情況。表1歸納了這些測量的最大值，并對STV6412A與MAX9598的瞬態(tài)噪聲進行了比較。

從表1可以看出，直流耦合輸出能夠大大抑制喀嗒聲。另外，STV6412A輸出端要求使用的交流耦合電容是1μF。由于這樣的電容值會阻止音頻信號的低頻成分，大多數(shù)廠商要求機頂盒A/V開關(guān)使用的電容不應(yīng)低于10μF。而耦合電容較大時可能會產(chǎn)生更大的電壓變化，造成更大的喀嗒聲。

通過對AP測量的進一步分析可能會發(fā)現(xiàn)與示波器測量的差異。可以很容易解釋這些差異，AP輸入包括一個A加權(quán)濾波器，可以濾除高頻噪聲，只保留了音頻范圍的瞬態(tài)信號。而示波器測量結(jié)果包含了更帶頻寬的瞬態(tài)信號，也可以在示波器的探頭上連接一個A加權(quán)濾波器進行測量。從測試結(jié)果看，AP測試系統(tǒng)得到的結(jié)果更能說明問題，因為它只顯示音頻范圍的輸出信號。

表1提供了一個非常客觀的測試，但從測試效果看仍然具有主觀因素。在機頂盒中確定可以接受或可以覺察的喀嗒聲電平并不是一件容易的工作。如前所述，這些噪聲也會受其他因素的影響，如電視機音量、揚聲器的效率、揚聲器與聽眾之間的距離等。但從本文的測試結(jié)果可以明顯看出，采用Maxim的DirectDrive技術(shù)能夠達到很好的喀嗒聲抑制效果。

本文討論了機頂盒中的喀嗒聲抑制問題。主要探討了其中的一個關(guān)鍵因素，即音頻輸出端的交流耦合電容，并且提出了消除這一影響的方法。其他一些抑制喀嗒聲噪聲的途徑（如控制電源擺率）對系統(tǒng)性能的改善取決于放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3 如何處理不帶SCART連接器的STB

對于不帶SCART連接器的機頂盒不需要過多地切換音頻和視頻信號，因此，MAX9598雙SCART音頻/視頻開關(guān)并非對于任何系統(tǒng)都是高性價比的選擇。出于這個原因，公司還針對不帶SCART連接器的機頂盒提供了具體方案。機頂盒設(shè)計者通常使用單電源供電的雙運放作為音頻放大器，輸出端采用交流耦合，對于視頻信號，通常采用分離器件。

對于非SCART系統(tǒng)，MAX9597能夠提供與MAX9598非常接近的喀嗒聲抑制方法。MAX9597支持4個視頻信號通道的濾波、放大，并可切換直流耦合輸出的2Vrms音頻信號，可接受來自機頂盒音頻CODEC的差分或單端信號。