多标准电视接收的数字信号处理器 【发明背景】
本发明涉及电视系统，特别涉及对有线电视(CATV)转换器的视频、音频和数据解调器/接收器、卫星电视接收器、多信道多点分布服务(MMDS)等进行数字信号处理(DSP)。
有线电视服务从一头端经一电缆分布系统传给用户。在用户处，携带来自比方说一电话杆的信号的分接电缆把有线电视信号或是直接连接到用户的电视机上，或是经一转换器和/或其他电子器件连接到用户的电视机上。如该电缆系统提供的信道不止是2-13，就需要使用转换器。只有“电缆已备的”电视机才能收看频率比VHF广播信道13更高的电缆信道。如电缆操作员提供付款信道之类的额外信道，这些信道的频率必须降低到普通电视机可接收的一个或多个信道所使用的频率。例如，有线电视转换器一般在广播信道3或4所使用的频率上输出选定有线电视信道，用户电视机只要在接收来自该转换器的信号就能收看这些信道。
可寻址转换器为可按照来自电缆头端的数据包中发送的指令使信道可收看或不可收看地转换器。该转换器包括一受用户控制的调谐器，以便挑选某一信道。如所选择服务为一收费服务，该服务被加密，只有在该头端发送的数据控制下才能解密。每一用户有一唯一的电子地址，从而该电缆头端可向每一可寻址转换器提供收看授权。
一典型的有线电视转换器包括一频率转换器和滤波器(供用户调谐到所需信道)、一本机振荡器、控制电路、授权用数据接收器和一解密器。应该指出，卫星电视和MMDS接收器包括类似部件。如除了模拟信号还要接收数字电视信号，还必须有合适的数字部件，一般包括用于所传输数字信号的一降频转换器、一模数转换器、QAM解调器之类的一数字解调器、MPEG解码器之类的一数字电视解码器、屏幕显示电路和视频解码器以把所恢复的模拟格式的电视信号输出到普通电视机。
世界的不同地方采用各种不同的电视广播标准，包括NTSC、PAL和SECAM。世界的不同地方又使用不同的NTSC和PAL。例如，美国使用一种NTSC标准。日本使用稍稍不同的NTSC标准，韩国又使用另一种NTSC标准。同样，不同国家使用不同的PAL。表1为NTSC和PAL的不同电视广播标准的一览表。
表1视频标准音频标准副载波注释NTSC FM-单声道美国NTSC BTSC立体声SAP美国NTSC FM-FM CUE日本NTSC DIN(变型)信道ID韩国NTSC单声道-民用专用NTSC立体声-民用专用NTSC家庭影院(ACl)专用PAL-B/G FM-单声道PAL-B/G NICAM DQPSK PAL-B/G DIN信道ID德国PAL-D FM-单声道中国PAL-I FM-单声道PAL-I NICAM PAL-M FM-单声道巴西 PAL-N FM-单声道阿根廷- 音乐选择DQPSK/ACl
最好提供能与所使用视频标准无关地处理电视信号的有线电视转换器、卫星接收器、MMDS接收器等。但是，从经济性考虑，这类转换器的制作成本必须很低。这在过去很难做到，因为不同视频标准需要使用不同电路，包括各自的解调器、滤波器和有关部件，这使得最终产品的成本高到无法接受的程度。因此，至今未见多标准电视转换器。
最好提供可按不同电视标准恢复视频和音频信号的电视转换器。这类转换器最好使用数字信号处理技术，不管电视输入信号是模拟信号还是数字信号。最好提供这样的转换器，它使用比方说低成本的超大规模集成(VLSI)应用专用集成电路(ASIC)来提供大多数转换器功能，从而降低制作成本。
本发明提供具有上述优点和其他优点的一种转换器。
本发明概述
按照本发明，提供一种按照不同模拟和数字电视标准恢复视频和音频信号的数字信号处理器。该信号处理器包括一视频解调器，该视频解调器的第一路径把一调制视频信号经一奈奎斯特滤波器耦合到一混频器上，第二路径不经该奈奎斯特滤波器把该调制视频信号耦合到一载波恢复电路上。该调制视频信号与一具体电视标准、例如表1所示任一标准相符。该载波恢复电路(ⅰ)恢复该混频器在提供基带视频信号中所用的载频信号和(ⅱ)检测该调制视频信号中的音频内载波。一可编程伴音剥离滤波器按照特别电视标准对基带视频信号中的音频分量进行滤波，输出一解调视频。该音频内载波被提供作为该载波恢复电路的一输出，用于随后按照该具体电视标准恢复音频。
在一实施例中，该数字信号处理器接收中频(IF)调制视频信号。一模数转换器以取样频率Fs对该IF调制信号取样，使该信号数字化后输入该视频解调器。在一优选实施例中，该取样频率Fs为该中频的整数倍。例如，取样频率Fs可为27MHz，而中频为6.75MHz或9.0MHz。这是有利的，因为6.75MHz和9.0MHz都可被27MHz的取样频率整除。解调视频输出可为以频率Fs为13.5MHz取样的数字信号。该取样频率可锁相到该基带视频信号的一水平同步分量。
该数字信号处理器还可包括一从信号频带中检索出调制视频信号的调谐器。与该调制视频信号对应的具体电视标准可由一信道映射表响应该调谐器予以识别。或者，该调制视频信号也可携带表示与该调制视频信号对应的具体电视标准的标记数据。
该数字信号处理器还可包括在该混频器之前延迟该载频信号以补偿由奈奎斯特滤波器引入的延迟。
在该数字信号处理器中用一音频解调器处理音频内载波。在一实施例中，该音频解调器包括选择性地解调音频内载波携带的第一FM调制音频信号或QPSK调制音频信号的第一同步解调器。第二同步解调器解调音频内载波所携带的第二FM调制音频信号。第一和第二同步解调器可包括用初步带通滤波法解调音频内载波的线性锁相环。视频解调器、载波恢复电路、可编程伴音剥离滤波器和音频解调器可做在一集成电路芯片上。
在由一信道映射表响应一调谐器识别与调制视频信号对应的具体电视标准的一实施例中，第一同步解调器响应该信道映射表用于选择性地解调第一FM调制音频信号或QPSK调制音频信号。
在调制视频信号携带表示与调制视频信号对应的具体电视标准的标记数据的一实施例中，第一同步解调器响应该标记数据用于选择性地解调第一FM调制音频信号或QPSK调制音频信号。
本发明还涉及一按照不同模拟和数字电视标准恢复视频和音频信号的数字信号处理器，在该数字信号处理器中，用一音频解调器处理音频内载波。该音频解调器包括选择性地解调音频内载波携带的第一FM调制音频信号或QPSK调制音频信号的第一同步解调器。用该音频解调器中的第二同步解调器解调音频内载波携带的第二FM调制音频信号。第一和第二同步解调器可包括用初步带通滤波法解调音频内载波的线性锁相环。
第一同步解调器可包括一具有第一和第二输出级的QPSK解调器。输出级之一为I输出级，另一输出级为Q输出级，其中，I和Q为相差90°的QPSK星座轴线。一可变振荡器提供其频率由一解调控制信号指定的第一和第二相移振荡器输出。第一振荡器输出与该QPSK解调器的第一输出级相关联，第二振荡器输出与该QPSK的第二输出级相关联。一锁相环响应第一和第二输出级之一的输出控制该可变振荡器。一选择器用来选择性地输出第一和第二输出级之一中的QPSK信号或该锁相环中的FM信号。
提供按照不同模拟和数字电视标准恢复视频和音频信号的设备。该设备包括一选择TV信道信号的调谐器。该TV信道信号与一具体电视标准相符。提供使该电视信道IF信号数字化的装置。中频数字化可有效解调模拟和数字调制格式。提供识别与该TV信道信号相符的具体电视标准的装置。一响应该识别装置的视频数字信号处理器(DSP)解调所选定数字化TV信道信号，输出一视频信号。一响应该识别装置的音频DSP解调所选定数字化TV信道信号，输出一音频信号。该识别装置、数字化装置、视频DSP和音频DSP做在一集成电路芯片上。
可用该集成电路芯片上设置的一数据DSP解调该TV信道信号携带的辅助数据，输出辅助数据信号。该设备还可包括该集成电路芯片上的一数据调制器。该数据调制器调制待从该设备传给远处的返回路径数据。
附图的简要说明
图1为按照本发明的一基带电视转换器进行数字信号处理的单元图；
图2为图1视频DSP部的视频解调部的详细单元图；以及
图3为图1音频DSP部中所使用的FM和QPSK/FM解调器的详细单元图。
本发明的详细说明
本发明把一电视转换器的视频、音频和数据解调/接收功能组合成一经济的包。在一优选实施例中，这些功能在ASIC之类一集成电路中实现。由于本发明使用DSP技术实现电视转换功能，因此无需多个固定带通滤波器和鉴别器进行多标准处理。这样，用一个转换器就可兼容多种不同电视标准。取样频率选择成可简单、高性价比地使用标准主时钟频率，例如MPEG标准使用的、ITU-R BT.601规定的27MHz时钟。由于比方说一个解调器同时用于FM和/或QPSK信号，因此对硬件的需求大大减小。
图1示出该电视转换器的总单元图。该转换器包括一视频DSP12、音频DSP26和定时和数据恢复电路24。该视频DSP解调和解密中频(IF)载波中的视频。该载波可包括比方说低中频(IF)载波，例如以9MHz为中心±100KHz的载波。该视频DSP由一模数(A/D)转换器14、视频解调器16和一视频解密器18构成。从接线端10输入的低IF由A/D转换器14取样。取样率Fs比方说可为27MHz。该取样率是有利的，因为它与MPEG标准和ITU-RBT.601所使用的主时钟频率相符。
(图2详细示出的)视频解调器16接收来自A/D转换器14的经取样视频，生成各种输出。一没有声音载波的基带视频输出到视频解密器18。最好以13.5MHz的取样率生成该基带视频。该视频解密器18按照公知技术解密基带视频而在线22上以比方说13.5MHz的取样率Fs生成未经解密的基带视频。视频DSP12还经线20输出RF和IF自动增益控制(AGC)电压。
除了基带视频，视频解调器16还在线108上输出一自动微调(AFT)控制电压和在线100上输出一音频内载波。在输出该音频内载波前，一混频器/相位检测器94(图2)消除AM调制视频分量。可比方说以27MHz取样率生成该音频内载波。
视频解密器18也在线19上输出一从恢复的视频中获得的同步检测信号。该信号输入作为定时和数据恢复单元24的一部分的强制同步定时和时钟恢复电路28中。电路28恢复水平同步、垂直同步、消隐和反转恢复定时(用来解密视频反转信号)后它们经线29返回视频解密器，用于解密视频解调器16的视频输出。电路28还在线34上输出一强制同步定时信号供该转换器的屏幕显示电路使用。屏幕显示电路以常规方式提供的在用户电视机上显示的文本和图象。
定时和数据恢复单元24还包括一在线36上输出标记数据和一时钟的标记颜色脉冲串解码器30。标记数据为解码到视频信号的颜色脉冲串上、用于包括解密在内的各种转换器控制功能的数据。视频信号亮度部上携带的带内数据(IBD)由一IBD亮度解码器解码后在线38上与一有关时钟信号一起输出。在一优选实施例中，带有标记数据和IBD数据的该时钟信号与比方说为27MHz的主时钟频率为整倍数关系。
该转换器的音频DSP部26包括一音频解调器和基带处理功能。一视频信号的音频部可由一个或两个载波构成。该载波可有一个或多个副载波。当只有单个FM载波时，该FM载波由一FM解调器40解调。一QPSK/FM组合解调器44用来解调第二FM载波。如有一QPSK信道和一FM信道，则用FM解调器40解调FM信道，用QPSK/FM解调器44解调QPSK信道。
如有两个FM信道，经解调信号在一双重FM解码器42中解码后向一立体声数字音频多路转换器/音量控制电路56提供一数字输出。该电路处理该经解码信号，其左右立体声信道输出输入到一数字接口电路58(例如索尼-飞利浦数字接口一“SPDIF”)和一高保真数模转换器60。电路58输出一数字音频(例如SPDIF)信号。数模转换器60输出的左右模拟音频信号输入一普通音频放大器。
如QPSK/FM解调器44恢复的载波中有广播电视制式委员会(BTSC)音频副载波，该副载波在解码器50中解码后输入电路56中。同样，如解调器44恢复的是NICAM音频信号，该音频信号在解码器52中解码。解调器44恢复的杜比ACl音频信号由解码器54解码。不管是NICAM信号还是杜比ACl信号，解码前经一限制器(slicer)46限制和一位流解多路转换器48解多路调制而恢复NICAM或杜比ACl信号提供的数字数据。
如上所述，音频DSP部26可处理各种音频格式。表2示出可处理的各种音频载波。
表2音频格式主载波调制副载波调制BTSC 4.5MHz FM无 -民用BTSC 4.75MHz FM 4.5MHz FM民 用(NTSC) 4.5MHz FM-FM无 -家庭影院 4.5MHz QPSK无 -EIA-J 4.5MHz FM-FM无 -德国DIN 5.5MHz FM 5.742MHz FM韩国DIN 4.5MHz FM 4.7242MHz FM PAL I 6MHz FM 6.552MHz QPSK PAL B 5.5MHz FM 5.85MHz QPSK
如表2所示，民用BTSC、德国DIN、韩国DIN、PAL I和PAL B这些格式中有一主载波和一副载波。当如在民用BTSC、德国DIN和韩国DIN中那样有两个FM载波时，一载波由FM解调器40处理，另一载波由解调器44处理。所有QPSK解调由QPSK/FM解调器44进行。两种PAL格式的副载波中的QPSK调制表示其后由NICAM解码器52处理的NICAM数字音频信号。在家庭影院音频格式中，主载波的QPSK调制生成的杜比ACl数字音频信号由ACl解码器54解码。FM解调器40和QPSK/FM解调器44的详情结合图3说明。
图2详细示出视频解调器16。该解调器可用AM引导信号处理调幅(残留边带一“VSB”)大载波和调幅抑制载波。这两个解调制式之间的差别仅在于载波恢复单元74。确切说，该载波恢复单元中的混频器/相位检测器94可使用Costas环或正交锁相环，这两个环都是公知的。Costas环能用引导AM信号源从AM(残留边带-“VSB”)大载波和抑制载波中恢复载波。正交锁相环(QPLL)只能解调大载波信号。
该视频解调器的输入为可以比方说27MHz取样的视频IF信号。该信号为图1的A/D转换器14的输出信号，然后从图2所示接线端70输入该视频解调器。该信号同时输入一混频器和奈奎斯特滤波器单元72和载波恢复单元74。在混频器和奈奎斯特滤波器单元72中，视频IF首先经奈奎斯特滤波器80奈奎斯特滤波，然后在混频器82中与恢复的载波混合而降频转换成基带。该恢复的载波首先通过一补偿该奈奎斯特滤波器80的延迟的奈奎斯特延迟器84。该奈奎斯特滤波器为一滤波相邻额外信道和均衡VSB双-单边带幅度的低通滤波器。对于NTSC信号，该双边带分量为0-0.75MHz，该单边带分量为0.75-4.2MHz。
该奈奎斯特滤波器80可使用有限脉冲响应(FIR)低通滤波器，比方说，其取样频率为27MHz、通频带边为7.75MHz、通频带衰减为0.5dB、抑止频带边为10.25MHz、抑止频带衰减为40dB、β为3.3953以及-6dB截止频率为9MHz。该FIR滤波器可使用系数固定的27抽头滤波器。
混频器82的输出输入一伴音剥离滤波器(sound strip filter)76。该经解调视频中除去音频信号分量后生成一基带视频输出(例如取样频率fs为13.5MHz)。用该伴音剥离滤波器除去音频分量。使用一降频转换低通滤波器86和一除声低通滤波器92以两级滤波过程进行该滤波。这两个低通滤波器之间有一2分样电路90。
由于在伴音剥离滤波器76中使用两级滤波过程，因此对硬件的需求减小。由LPF86和分样器90构成的第一级把27MHz样本调制视频2分样成13.5MHz。滤波器86为一抗混叠低通滤波器，比方说可包括一FIR半频带低通滤波器。例如，滤波器86的解取样频率可为27MHz，其工作频率为13.5MHz、通频带边为5.5MHz、通频带衰减为0.5dB、抑止频带边为8MHz、抑止频带衰减为60dB，该滤波器可有比方说系数固定的37个抽头。一半频带滤波器用来减少门总数。由于该2比1分样，该滤波器的工作频率为13.5MHz，因为所有其他样本忽略不计。由于使用一半频带滤波器，因此通频带和抑止频带以1/4取样频率(27MHz)或6.75MHz为中心。
该伴音剥离滤波器76的后级为一FIR低通滤波器92。该滤波器可设计成比方说在该声音载波上提供低于该视频50dB声音载波，在该声音载波±50KHz上提供低于视频25dB的声音载波。该滤波器的系数可编程成兼容该电视转换器所能处理的所有不同视频标准。该滤波器的抽头数可由该视频标准决定，使得通-抑止过渡带宽最小。NTSC的过渡带宽最小，为696KHz。
如上所述，用单元74恢复载波。视频IF从接线端70输入一混频器/相位检测器94，其输出经一控制一数控振荡器(NCO)98的环路滤波器96的滤波。该NCO的运行犹如一电压控制振荡器(VCO)，可通过调制其相位误差输入而锁相到一外部时钟。
混频器/相位检测器94的一个输出为带有视频IF的音频内载波。该音频内载波经线100输出，从而可直接输入音频DSP26中(见图1)。最好是，该视频解调器设计成混频器/相位检测器94输出处的除声点无需声音穿过奈奎斯特滤波器80。因此，无需另一使得整个系统成本提高的声音解调器。环路滤波器96和NCO98都可编程，从而可兼容不同电视标准。
NCO输出频率传给一自动微调电路78。该NCO频率在一频率比较电路102中与视频IF信号的实际接收频率比较。一锁频环104受频率比较电路102的控制而自动微调实际工作频率。该锁频环的输出在电路106中经脉冲宽度调制而在线108上输出自动微调(AFT)信号。该电视转换器中的一普通降频转换器(未示出)使用该AFT信号从图1的接线端10把该低IF输入视频DSP。
图3详细示出音频DSP26的FM解调器40和QPSK/FM解调器44。解调器44为一可进行FM或QPSK解调的同步解调器。解调器40为一只用于FM解调的同步解调器。线100上的音频内载波同时传给解调器40和44。在解调器40中，该音频内载波经一2比1多路转换器(用作一选择器)传给一提供自动增益控制(AGC)的混频器152。混频器152的输出输入混频器154和156后与一数控振荡器158的合适输出混合。混频器156的输出通过一环路滤波器162控制NC0158的工作频率。环路滤波器162的输出还通过一低通滤波器164提供经解调FM输出。混频器154的输出在积分器160中经积分输出AGC信号。
多路转换器150在音频格式为DIN格式(需要立体声的两个载波)或PAL格式(此时解调器40解调主载波的FM调制)时把音频内载波输出给混频器152。对于FM立体声或第二音频节目(SAP)信号，“FM1”信号从解调器144的多路转换器(即选择器)142通过多路转换器150到解调器40的混频器152。
同步FM/QPSK解调器44在接线端110接收QPSK／FM选择信号，以便确定该解调器解调QPSK还是解调FM。该音频内载波输入一提供来自积分器126的AGC的混频器116。混频器116的输出连接到接收一可编程NCO122的输出的混频器118和120。该NCO可编程而兼容该转换器所能处理的各种标准。
一环路滤波器124用来保持NCO122的标称工作频率。当解调QPSK信号时，环路滤波器124接收经多路转换器(即选择器)130来自混频器120的QPSK信号的“Q”相位。当该解调器解调FM信号时，接线端110处的QPSK/FM选择信号输入激励多路转换器130，使该arc tan(Q/I)从一直角坐标→极坐标转换器136传到环路滤波器124。该QPSK/FM选择信号还控制一多路转换器(选择器)128向积分器126提供合适输入以提供必要的AGC信号。同时，该QPSK/FM选择信号激励一多路转换器(选择器)142，或是输出来自低通滤波器144的一经解调FM信号，或是输出来自低通滤波器134的一经解调QPSK信号的I分量。滤波器132可包括一根平方余弦(RRC)FIR滤波器和适合的均衡器，经解调QPSK信号的Q分量的滤波器138与其配对。该Q分量在从解调器44输出前通过第二低通滤波器146(该滤波器也可为一RRC FIR滤波器)。分别从低通滤波器134和146输出的I和Q分量输入直角坐标→极坐标转换器136，该转换器136还接收从符号定时恢复电路140输出的样本符号定时恢复。该电路输出一符号时钟(SYMCLK)信号供该电视转换器使用。
当解调器44解调一FM信号时，该FM输出取自环路滤波器124的输出，在经多路转换器142输出前经过多路转换器(选择器)132和经低通滤波器138和144低通滤波。
从图3显然可见，音频信号内载波所携带的音频信号可包括FM调制、QPSK调制或FM调制与QPSK调制。因此，可兼容表2所列任何音频格式。
应该指出，本发明使用数字信号处理技术提供低成本电视转换器。在视频解调部中，为了在处理PAL I、PAL B和NTSC电视信号时在解调过程中不发生混叠，最好使用27MHz的取样频率(但并非必需)。由于总产物比它们在DC中回混到有关7MHz频带时的频率低，因此可防止这类混叠的发生。低IF输入从模拟信号转换成数字信号后传给一奈奎斯特滤波器。在一优选实施例中，该奈奎斯特滤波器可为一9MHz、-6dB对称线性斜调型滤波器。一增益控制乘法器用来把加扰视频格式复原到正确大小。一9MHz NCO锁相到经奈奎斯特滤波的视频载波上后传给I和Q乘法器。所得差为所需基带视频信号。解调后，该视频信号在进一步处理前可分样(例如降频到13.5MHz)。在一优选实施例中，视频PLL(锁相环)带宽在调谐过程中起先约为200KHz，在检测到锁相后减小到约25KHz。DSP设计中的该多速率环在调谐过程中可加速锁相时间、加宽捕获范围。
该Q乘法器用于AFC和生成内载波。它连接在解密增益控制级前，防止AM调制传到该内载波。该线路中在Q乘法器前必需插入一补偿该增益控制乘法器的延迟的延迟器以保持正确的正交相位关系。Q乘法器在奈奎斯特滤波器前与合适延迟器连接可减小AM→PM转换，提高抑止载波的运行。I乘法器2分样和FIR滤波而除去声音载波。FIR滤波器的系数可按照使用中的视频标准编程。
该转换器可独立于视频接收数字音频(例如仅仅是数字音乐信道的音频)。此时，为了混合所需QPSK载波与所需内载波频率，视频载波NCO必需设定成固定频率方式。
该电视转换器能接收各种音频信号格式。对于模拟FM音频，比方说在27MHz的视频解调器正交输出用作音频内载波源。如图象原先用高质量模拟视频调制器调制，该正交输出可望有约40dB的注销。视频注销使音频滤波器可简化。由于上下转换相位噪声，必需对内载波进行处理。可用线性PLL解调器与AGC抽取FM调制，同时拒斥至少40dBAM。由于线性降频转换，声音载波上很少有视频AM。交流声AM由AGC环消除。PLL解调器也可用于DIN音频格式。
对于数字音频，内载波PLL使用在QPSK格式时可包括一用于载波恢复的ROM查表。还包括时钟恢复。I和Q乘法器的输出向下分样成低取样频率以有效进行低通滤波，然后在施加数据取样前向上回内插。一滤波器可用于PAL I、PAL B和ACl。对于这些音频格式来说，只有NCO频率会改变。该经解调数据经解多路转换、授权的话经解密、杜比ACl解码、音量受控、然后经一输出左右立体声音频的数模转换器输出。还提供比方说与索尼-飞利浦数字接口(SPDIF)相符的数字音频输出。对NICAM数据的处理与此相同。
在所示实施例中，视频载波锁相环(PLL)置于AM-VBS奈奎斯特滤波器前，补偿延迟器在该奈奎斯特滤波器后插入在NCO到该乘法器的线路中。这可消除AM→PM转换，提高亮度线性和差分增益和相位。该设计还防止视频信息调相音频内载波，从而消除音频中的视频“蜂鸣”分量。该奈奎斯特滤波器为一可编程FIR高通或低通滤波器，使得调谐振荡器比所需信道更高或更低。换句话说，数字化IF视频载波可高于或低于声音载波。视频载波频率高通时比方说为6.75MHz、低通时比方说为9MHz。
尽管以上结合各具体实施例说明了本发明，但应该指出，在由权利要求限定的本发明范围内可作出种种改动和修正。