基于JS-6B1的视频前端系统的设计与实现

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摘 要：JS-6b1/111是一款全I2C控制的频率合成多制式视频电子调谐器，介绍了该芯片的特点、功能。并利用JS-6b1/111设计了电视信号前端处理系统，给出了其硬件结构以及软件流程。
关键字：高频头；调台；单片机；I2C总线；电视

1 概述
       常用的电视接收机大多采用电子调谐器（高频头）选择接收电视信号，高频头的好坏是决定收视质量的重要因素之一，其作用是从天线感应的电信号中选择出欲接收频道的高频电视信号，并将选出的微弱的高频电视信号进行放大，以提高接收机的灵敏度，最后变频，将接收机的任何一个频道的高载频电视信号，经过混频级产生一个固定的图像中频电视信号和伴音第一中频信号输出。调谐器一般还要和中频放大电路进行连接，将调谐器输出的图像和伴音信号送入到图像中放通道中进行放大，最后通过后端的一些其他处理在各种显示器上显示。
       本电视信号前端处理系统采用的是成都旭光的多制式视频电子调谐器，它集分立式调谐器和中放电路于一体，性能稳定，可直接从射频信号中解调出视频信号和音频信号，目前在视频接收等方面应用广泛，并取得了良好的效果。
2 电视信号前端处理系统的硬件电路组成
       图1给出了该电视信号前端处理系统的结构框图。如图中所示，该系统主要由图像处理部分、LED显示部分、存储部分、音频处理部分以及单片机控制等几部分组成。
图像处理部分由高频调谐器JS-6b1/111组成，它把从天线接收到的PAL、NTSC制式的高频电视信号进行处理，搜索出相应频道的电视节目，最后输出复合视频信号（CVbS）给后端的电路处理，拿液晶电视为例，此CVbS信号会输入到数字视频解码器进行亮度/色度分离并在图像处理器（scaler）中还原成RGb信号,最终进行图像的显示；系统中的E2PROM采用AT24C02,用于存储高频头搜索到的电视节目；LED显示部分，就用于显示电视频道的频道号；该视频前端处理系统另外一部分为音频部分，在高频调谐器中输出的声音信号会输入到此部分电路，其中音效控制器选用杭州仕兰公司生产的SC7313，音频功率放大器选用TI公司生产的TPA1517。SC7313含有输入多路选择器可以输入三路立体声，可对其平衡度和响度进行每级1.25db衰减和提升，独立的静音控制，具有音量、高低音控制功能。TPA1517NE是6 W的音响功率放大器，完成对SC7313输出的信号进行功率放大，最终推动扬声器发声。



                     图1 电视信号前端处理系统
    整个系统采用单片机C8051FO23进行控制。C8051F023是选用美国Silabs公司推出的一款与51单片机内核兼容的单片机，具有高速、高性能、高集成度的特点。系统的程序存储在内部64Kb的FLASH程序存储器中。其作用是通过内部带有的I2C总线对系统中的JS-6b1/111、SC7313以及TPA1517NE的内部寄存器进行设置，完成指定的功能，协调整个系统的工作。
3高频调谐器JS-6b1/111的功能和特点简介
       JS-6b1/111采用+5V电压供电，全增补电视频道，多制式接收，包括PAL b/G、I、D/K；NTSC M/N电视制式，调谐和中放一体化，全I2C控制调谐，地址译码，AFC状态信息等。可直接解调，图像输出峰-峰值为1V±0.2V(p-p)和音频输出500±150mV(rms)。
       JS-6b1/111内部电路集成在一个全金属长方形屏蔽罩内，能够有效的抵抗电磁杂波。内部功能主要由射频锁相环部分（采用飞利浦的tdA6500TT）及中频锁相环（采用飞利浦的tdA9885TS）两部分实现。JS-6b1/111的主要工作原理为：首先将天线接收的射频电视信号输入到三个不同频段的滤波器中进行放大和滤波，将频率划分为高中低三个频段VL、VH、VUF，并且同对应的三个频段的晶体振荡器进行混频，混频器产生一个图像中频信号，送入到中频放大器中进行放大。该中频信号经过SIF SAW(图像中频声表面波滤波器)后输入到锁相环控制中频解调模块中，该模块最后输出复合视频信号和声音信号。
JS-6b1/111内部具有I2C接口，可与微处理器进行通信。对JS-6b1/111操作主要有读和写两种工作模式。频道的选择和频道的切换主要是通过单片机使用I2C接口对调谐器锁相环部分写入进行控制实现的，内部寄存器如表1所示。
表1 JS-6b1/111 I2C写控制方式逻辑



地址字节

1

1

0

0

0

MA1

MA0

R/W

A


分频编程字节1

0

n14

n13

n12

n11

n10

n9

n8

A


分频编程字节2

n7

n6

n5

n4

n3

n2

n1

n0

A


控制命令字1

1

CP

0

0

1

RSA

RSb

OS

A


控制命令字2

0

0

0

P4

P3

P2

P1

P0

A


控制命令字3

0

1

1

0

0

0

0

0

A
       在表1中，A为调谐器被成功写入一个字节后的应答信号。地址字节中MA1,MA0用于I2C地址选择，由高频头JS-6b1/111的第9脚的输入电压决定，地址可以有四个包括0XC0、0XC2、0XC4、0XC6，一般该引脚直接接地，对应MA1、MA0 值为 0、0 ，I2C地址则为0XC0。另外 R/W表示读写位，当此位为0时表示对芯片进行写操作，为1时表示对芯片进行读操作；分频比是用来设定接收的电视频道的射频信号频率的，其设置使用分频编程字节1和分频编程字节2，如下面公式所示：
N=20×（Frf.pc(MHz)+Fif.pc(MHz)）=20×Fosc(MHz)
=8192×n13+4096×n12+2048×n11+1024×n10+512×n9+256×n8+128×n7+64×n6   + 32×n5+16×n4+8×n3+4×n2+2×n1+1×n0
其中：Frf.pc(MHz)对应所要选择的频道的图像载频，Fif.pc(MHz)为图像中频（PAL制式为38.0MHz）, Fosc(MHz)对应频道的本振；控制命令字1中的CP位为充电泵设置位，可以设置为0或者1，分别对应电流60uA和280uA，同时分别对应着中速和快速调谐；OS位为表示PLL锁相环的工作状态；RSA,RSb位用于设置调谐步长，调整精度为KHz；控制信息字用于选择欲接收频道的波段控制，包括VL、VH、UHF频段。表中的五个控制字均以标准的I2C时序方式写入，可以单个寄存器写入，也可以连续写入。
调谐器的中频部分锁相环寄存器的设置应按照典型设置。以PAL D/K制式为例，如表3所示，此部分的器件写入地址为0X85。表中的调整功能寄存器用于AGC控制，可根据各个频道的情况通过总线随时进行改变，以达到各个频道的最佳设置。
                              表3 中频锁相环寄存器



功能

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0


转换功能寄存器

1

1

0

1

0

1

1

0


调整功能寄存器

0

1

1

1

0

0

0

0


数据寄存器

0

0

0

0

1

1

1

1
       通过I2C总线的读模式可将JS-6b1/111的内部锁定状态读出，相应的信息如表4、表5所示。
表4



地址信息

1

1

0

0

0

MA1

MA0

R/W=0

A


状态字节

POR

FL

1

1

AGC

A2

A1

A0

A
表5



功能

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0


READ

AFCWIN

VIFLEV

――

AFC4

AFC3

AFC2

AFC1

PONR
    表4状态信息字的读出地址是0XC1。POR是电源标志，当POR=1时表示电源开状态；FL为内部锁定标志，当FL=1表示锁定状态。A2～A0为AFC电压的数字输出。AFC(自动频率控制)的数字信息可以通过中频部分总线读出。AFC电路主要用于对接收信号频率和相位的跟踪和锁定。寄存器设置如表5所示。AFCWIN用于检测VCO(压控振荡器)是否在±1.6MHz的AFC window内；VIFLEV用于表示目前的图像中频信号的输入电平状况；PONR用于指示目前寄存器的状态是刚刚复位还是处于成功读取信息的状态。AFC[4:1]具有16种状态，读取相应的值就可以监视到目前偏离理想图像中频信号的程度。
4电视信号前端处理的软件实现
4.1 自动搜台
       下面就以搜索PAL D/K制式电视信号为例给出自动搜台的软件设计流程。自动搜台程序实现对目前天线接收到的所有频道进行搜索，并将搜索到的频道的分频系数（对应频道的载频）和频段信息按照搜索顺序写入到E2PROM中，以便频道切换时调出相应的数据，写入到相应的寄存器中。自动搜台的方法如图2所示。本系统采用的单片机C8051F023内部
带有I2C总线接口，无需使用普通IO口进行模拟，系统上电应对此功能进行配置。然后是
对音效控制芯片进行初始化以便搜索到相应频道时扬声器发声。



图2 自动搜台软件流程
       频道搜索采用从低频率向高频率搜索的方法，图像载频覆盖范围为49.75MHz到865MHz，调谐步长选择62.5KHz，在每个图像载频处以每步62.5KHz微调±0.5MHz。首先从49.75MHz开始搜索，将其对应的分频系数写入调谐器进行调谐，延时20ms系统稳定后读取ADC的电压值，当微调时前后两次读出的电压值不同且满足第一次读出的为(0.45～0.60)Vcc,第二次读出的为(0.15～0.10)Vcc或者第一次读出的不是(0.15～0.30)Vcc,第二次读出的为(0.15～0.30)Vcc时，读取调谐器的AFC[4:1]状态字，否则继续微调直到满足要求。当读取AFC值时,只有间隔7ms的两次读取均在±37.5KHz时，表示该频率处有电视频道，将其对应的分频系数以及频段信息写入E2PROM中。然后根据频率表跳到一个频点处重复上述过程继续搜台、存台，当无台时跳转不存台，一直搜到最高频率865MHz。
4.2 频道转换
    频道转换目前采用按键控制，当有按键按下时单片机进入相应的中断处理程序，判断是向下或者向上转换，并在LED上显示出相应的频道号，并将相应频道的分频系数和频段信息从E2PROM中取出送入调谐器实现频道的切换。
5 创新观点
       目前该电视信号前端处理系统用于液晶电视的驱动卡中，并已经实现电视图像清晰稳定的显示以及声音的完美再现。在自动搜台过程中，对漏台现象进行了研究，是我们的创新点。针对本项目，当采用外接解码器的同步信号进行辅助判断，并且搜台的调谐步长适当减小一些时，可以避免漏台现象的发生。当挑选出电视频道时，就可以将其记录在E2PROM中完成存台功能了。
参考文献
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[3] 王卫东,电视原理与系统[M],重庆：重庆大学出版社,2003年.
[4] 石武信.锁相环数字频率合成调谐选台技术.[J]电视技术,2001年,223(1),33-34.