高頻頭

---電視調諧器是電視接收終端中的重要器件,俗稱高頻頭。普通電視調諧器是以模擬的方式完成接收放大、選通、變頻、圖聲解調的過程,若其中有畸變和失真,會使接收的圖像和伴音質量變差。數字電視將模擬電視信號改變爲數字信號,進行壓縮、傳輸、接收、處理、存儲、記錄和控制,數字電視接收終端首先要經數字電視調諧器進行高頻放大、比較處理、信道解碼和解調,再經數字電視接收機、機頂盒或PC數字視頻卡進行信源解碼等處理後還原原始圖像和聲音,若其中這一過程發生畸變就會造成誤碼出錯,若超出調諧器可調控的範圍,就無法接收到圖像和伴音。因此,數字式調諧器不僅包含原來彩電的重要指標,在相位噪聲、非線性指標及鎖定時間等檢測方法上差異也很大。模擬電視調諧器接收模擬電視信號時,將許多不同頻率的高頻電視信號變換成一個固定的中頻輸出,完成頻譜的搬移。數字電視調諧器接收數字廣播電視信號時,不僅要完成模擬調諧器所要完成的頻譜搬移功能,而且還要完成解調和信道解碼,作爲數字電視接收機、機頂盒及PC數字視頻卡的前端,數字電視調諧器採用數字器件,使其在生產過程中比模擬調諧器易於裝配和調整,可靠性和穩定性也大幅度提高。因此,數字電視調諧器在技術和工藝上有許多不同於模擬電視調諧器的特點,其性能大大優於模擬電視調諧器。整個數字電視調諧器由兩部分功能電路組成,如圖1所示,前端的調諧電路,負責射頻接收、變頻、濾波以及自動增益控制等功能,該部分電路除了要實現信號接收的基本功能,還要處理好信號干擾問題,常見的如鏡像信號干擾、 ---臨頻道干擾等問題,模擬電視中干擾會帶來多條圖線,而數字電視中干擾嚴重時可直接導致信號的丟失;後端的解調電路,負責A/D轉換、解調以及糾錯解碼等功能。 ---隨着微電子技術、超大規模集成電路設計技術、數字信號處理技術以及計算機技術等方面的實用技術突破,國際市場競爭的加劇,電視調諧器的製作越來越精良,性能越來越優異,並向集成化、小型化和高可靠性發展,從上個世紀70年代開始,分離器件構成的電路模塊逐漸被相應專用集成電路所代替,並且隨着集成電路設計技術的發展,電視調諧器專用芯片的集成度越來越高。本文所設計的新型數字電視調諧芯片及應用方案實現的是前端調諧電路的功能,後端解調電路採用其他解調專用芯片。 2 數字電視調諧器專用芯片及應用方案 ---目前,數字電視調諧器可分爲三大類：一類是單變頻結構,直接把接收到的射頻電視信號下變頻到中頻信號,單變頻結構又分爲兩種結構：兩波段(VHF和UHF)單變頻結構和三波段(VHFL、VHFH和UHF)單變頻結構;另一類是雙變頻結構,首先把接收到的射頻電視信號上變頻到某一固定頻率,然後再降至中頻信號;還有一類是最近推出的低中頻結構。相應的調諧芯片也分爲三大類：單變頻數字電視調諧芯片、雙變頻數字電視調諧芯片和低中頻數字電視調諧器芯片,我們按照芯片的集成度可以把數字電視調諧器劃分爲五類,下面分別詳細介紹各種調諧器方案並分析各自優缺點。 ---1）採用三個專用芯片的單變頻結構調諧器。該調諧器包括混頻振盪專用芯片（如飛利浦公司的TDA5737）、頻率綜合芯片（如Zarlink公司的SP5730）和中頻可變增益放大器芯片（如Infineon公司的TUA6192）,此方案在國內出現的最早,主要是從模擬調諧器演變過來的,但是此方案專用芯片多,分離器件也多,導致調諧器系統設計及調試變的困難。 ---2）採用兩個專用芯片的單變頻結構調諧器。該調諧器在方案1）的基礎上把混頻振盪芯片和頻率綜合芯片集成在一起成爲一個獨立的專用芯片,使得調諧器系統變的相對簡單,僅包括兩個專用芯片,典型方案如Infineon公司的TUA6020和TUA6192芯片方案。 ---3）採用單一芯片的單變頻結構調諧器。由於單變頻結構調諧器功耗相對較低,一般小於0.5W[1],但是上兩種方案分離器件均比較多,人工調試繁瑣且穩定性較差,因此,美國Broadcom公司提出了集成所有單變頻結構調諧器電路的專用芯片BCM3418,該芯片不但集成了混頻器、振盪器、頻率綜合器,還集成了中頻可變增益放大器和前置跟蹤濾波器,大大簡化了調諧器系統設計,但是該芯片成本非常高,相對於目前國內數字電視市場對調諧器成本的要求存在較大的差距。 ---4）採用兩個專用芯片的雙變頻結構調諧器。由於雙變頻結構調諧器自身性能的優點,如高鏡像抑制、高本振信號諧波抑制、中頻響應平坦等優點[2],雙變頻結構調諧器越來越多,典型的有Broadcom公司的BCM3416和Microtune公司的MT2050等,該調諧器首先把整個射頻電視信號上變頻到固定中頻信號,該中頻信號稱爲第一中頻信號,第一中頻的頻率高於所有射頻電視信號,通常選在1～1.4GHz,使得射頻信號的鏡像頻率落在了1GHz以上,因此調諧器前端的濾波器可較好的把鏡像干擾信號濾除掉,使上變頻過程中不存在鏡像干擾問題。第一中頻信號通過固定頻率濾波器(通常採用聲表面波濾波器SAW)進行頻道選擇,然後再通過具有鏡像抑制功能的下變頻器下變頻到最終中頻信號輸出。雙變頻結構調諧器除了包含一個調諧芯片外,相配套的芯片還有高頻可變增益放大器芯片,如BCM3416套片方案中的BCM3401,或是中頻可變增益放大器芯片,如MT2050套片方案中的MT1230。該調諧器方案集成度高,近似實現免調試功能,但是由於雙變頻結構調諧器功耗較大,一般大於1.5W[1],使得芯片封裝必須具有散熱裝置,同時,調諧器系統要採用兩個聲表面波濾波器(SAW),最終導致整個調諧器系統成本升高,相對於單變頻結構調諧器而言,此調諧器雖然在性能上有所提高,但是其成本及功耗也遠大於單變頻結構調諧器。 ---5）全芯片集成的低中頻結構調諧器。該專用芯片採用低中頻接收技術,直接把射頻電視信號下變頻到低中頻,消除了上述幾種方案中的聲表面波濾波器,使得整個調諧器電路都可集成在一個芯片上,系統基本上不再需要分離元件,真正實現了免調試調諧器,大大簡化了系統設計,典型芯片方案如Broadcom公司最新推出的BCM3419。 ---本文提出了一種新型低成本低功耗的數字電視調諧器專用芯片,該芯片採用單變頻結構,不但集成了混頻器、振盪器和頻率合成器,還集成了中頻可變增益放大器,同時該芯片採用低成本CMOS工藝,可大大降低現有單變頻結構芯片及系統的成本。 3 新型低成本低功耗數字電視調諧器專用芯片 ---從上述分析可以得知,雖然雙變頻結構調諧器性能好、集成度高,但是調諧器芯片功耗大,系統成本高,一般多用於電纜調製器(Cable Modem),相對於低成本要求的數字電視調諧器而言,雙變頻結構的專用芯片應用並不是十分廣泛,特別是在我國的調諧器市場上,當前我國數字電視調諧器大多數採用單變頻結構的調諧器,應用最爲廣泛的是Infineon公司推出的TUA6020和TUA6192芯片方案,該方案產品生產加工可以繼承以往的模擬電視調諧器生產線,因此,國內大多數數字電視調諧器加工廠都採用此方案,如成都旭光、蘇州勝利等。但是該方案最主要的缺點是調諧器必須採用兩個專用芯片,系統設計相對複雜,因此,本文提出了一種新型的單變頻結構數字電視調諧器專用芯片,該芯片在繼承TUA6020芯片方案的基礎上,首次採用CMOS工藝把兩塊芯片集成在一起,既可以簡化系統設計,又可以降低系統成本。 ---本文提出的數字電視調諧器專用芯片框圖如下圖所示,此芯片包括三個波段的混頻器 圖2新型低成本低功耗數字電視調諧器專用芯片框圖 ---(MIXER)和振盪器(OSCILATOR),其中VHFL波段混頻採用單端輸入,VHFH和UHF波段混頻器採用雙端輸入,三個波段的振盪器均只需要兩個管腳,振盪器採用外部分離的LC振盪迴路。混頻器的中頻輸出信號在送至聲表面波濾波器驅動電路(SAW DRIVER)的同時輸出給芯片外部中頻濾波器,通過此中頻濾波器,可以抑制混頻器產生的諧波干擾信號,提高調諧器的整體選擇性。中頻信號通過外置中頻聲表面波濾波器(SAW)再輸入到芯片中的中頻可變增益放大器(VGA),實現中頻可變增益放大,最終輸出中頻電視信號,送至解調電路進行信道解調解碼。 ---該專用芯片除了集成上述信號鏈路中的混頻器、SAW驅動電路和中頻可變增益放大器外,還集成了鎖相環(PLL)電路：可編程分頻器(PROG. DIVIDER)、鑑頻鑑相器(PHASE/FREQ COMP)、電荷泵(CHARGE PUMP)、晶振驅動電路(XTAL OSCILLATOR)和參考分頻器(REFERENCE DIVIDER)。整個芯片採用I2C接口實現通信,主要配置各電路模塊的控制字以及進行波段選擇,芯片中的三波段選擇通過並口(PORTS)實現,並口信號在切換內部波段電路時,也輸出給芯片外相應的波段電路,如前置放大器和跟蹤濾波器等。 4 芯片測試結果 ---該芯片已採用0.25μm CMOS工藝流片測試,由於調諧器芯片工作頻帶很寬,在此僅給出了幾個典型測試結果。壓控振盪器的振盪頻率測試結果如圖3所示,混頻器中頻輸出頻譜測試結果如圖4所示,中頻可變增益放大器測試結果如圖5所示。 (a) 低波段振盪器 (b) 中波段振盪器(c) 高波段振盪器 圖3 壓控振盪器測試結果 (a) 低波段混頻器(b) 中波段混頻器(c) 高波段混頻器 圖4 混頻器中頻輸出頻譜測試結果 圖5 中頻可變增益放大器測試結果 ---縱上所述,芯片模塊典型性能測試結果可彙總成表一： 表一芯片模塊典型性能測試結果 VHFL波段 VHFH波段 UHF波段 振盪器本振頻率 75 ~ 165 MHz 150 ~ 450 MHz 430 ~ 750 MHz 振盪器本振信號幅度 105 dBuV 105 dBuV 105 dBuV 振盪器諧波抑制 > 10 dB > 10 dB > 10 dB 混頻器轉換增益 -4 dB -6 ~ -1 dB -7.5 ~ -4 dB 中頻可變增益放大器增益 9 ~ 49 dB (增益變化範圍40dB) 芯片還有一些性能正在測試分析中,在某些測試結果的基礎上,我們已開始做進一步的優化設計,準備下一次的芯片流片工作。 5 芯片應用方案 該芯片採用三波段單變頻接收技術,其應用方案如圖6所示。射頻電視信號進入到數字 圖6 新型調諧器專用芯片應用方案 ---電視調諧器中首先通過一個高通濾波器HPF,把上行信號濾除,在上下行都存在的調諧器中,HPF通常是一個分工器。高通濾波器後緊接着是三個波段的跟蹤濾波器TF和高頻可變增益放大器VGLNA,每個波段都有兩級跟蹤濾波器TF1和TF2,中間是VGLNA,爲了使射頻接收系統具有較低的噪聲係數,通常高頻可變增益放大器都工作在最高增益處,增益變換首先由中頻可變增益放大器實現,當中頻可變增益放大器增益變化範圍無法滿足接收要求時,才啓動高頻可變增益放大器。高頻可變增益放大器和中頻可變增益放大器的自動增益控制信號均來自調諧器後端的解調芯片。三個波段的跟蹤濾波器和高頻可變增益放大器是通過調諧芯片提供的波段選擇信號PHIGH、PMID和PLOW進行切換的,三個波段選擇信號一次只能有一個有效,當某一波段選擇信號有效時,片外該波段的跟蹤濾波器和高頻放大器以及芯片內的混頻器和壓控振盪器均被選中,進行該波段電視信號的調諧接收。 ---調諧芯片振盪器外接LC振盪迴路,調諧振盪迴路由電感和變容管構成,變容管的調諧電壓與跟蹤濾波器的調諧電壓採用同一個信號,都是由芯片內PLL的電荷泵和低通濾波器產生,這樣可以保證每一個調諧電壓VT對應一個射頻電視信號,通過I2C配置芯片內PLL的分頻比,可以獲得不同的調諧電壓VT,從而實現電視頻道選擇。 ---芯片混頻器的輸出可外接一中頻濾波器,這樣可以濾除混頻器產生的干擾信號,提高調諧器系統的選擇性。經過SAW驅動電路的中頻信號必須接一個SAW濾波器,然後再進入到芯片內輸入給中頻可變增益放大器,最後輸出峯峯值穩定的中頻電視信號,送至解調芯片進行模數轉換及信道解調等。 ---本文提出的新型數字電視調諧器專用芯片應用方案的主要優點有：1）系統成本比當前主流調諧器方案低;2）芯片集成度比當前主流芯片高;3）芯片功耗與當前主流芯片相當,比雙變頻芯片低;4）系統設計比當前主流調諧器系統設計簡單,但關鍵分離電路設計相近,便於調諧器生產廠家加工生產;因此,基於本文提出的新型調諧器專用芯片的數字電視調諧器更具有競爭優勢,更符合國內的調諧器市場需求。 6 結論 ---本文首先根據數字電視調諧器專用芯片的集成度把數字電視調諧器方案劃分爲五大類,系統分析了當前數字電視調諧器專用芯片及應用系統的優缺點,從中我們亦可以總結出數字電視調諧器的發展趨勢,就是最終實現單一芯片免調試的調諧器,隨着集成電路設計技術的發展,數字電視調諧器不但可以把前端的調諧電路集成在單一芯片上,也可以把前端調諧電路和後端解調電路集成在單一芯片上,最終實現整個數字電視調諧器的SoC (System-on-Chip,片上系統)。隨後本文提出了一種新型低成本低功耗的數字電視調諧器專用芯片,該芯片集成了混頻器、振盪器、頻率綜合器和中頻可變增益放大器,把由兩個芯片構成的當前主流數字電視調諧器變爲由單一芯片構成的新型數字電視調諧器,調諧器系統成本降低,同時,新型數字電視調諧器的系統設計變的簡單化且與當前主流系統設計相近,國內數字電視調諧器生產廠家無需太大的改動就可以進行過渡生產,因此,本文提出的新型數字電視調諧器專用芯片及應用方案很適合國內的調諧器市場需求且具有較大的競爭優勢。