《電子技術(shù)應(yīng)用》
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傳送視頻的硅調(diào)諧器工作原理及技術(shù)分析
摘要: 之所以一個(gè)小小的USB電視棒就能接收射頻電視信號(hào),,這要?dú)w功于硅調(diào)諧器技術(shù)的成熟,。近幾年半導(dǎo)體工藝技術(shù)和IC設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展很快,這就促成了硅調(diào)諧器技術(shù)不斷更新?lián)Q代,,形成了硅調(diào)諧器多種技術(shù)并存,、多個(gè)半導(dǎo)體國(guó)際大廠參與競(jìng)爭(zhēng)的局面,。熱起來的硅調(diào)諧器技術(shù)就是本文關(guān)注的焦點(diǎn)。
Abstract:
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1 引言

一般通過電信號(hào)近距離傳遞信息,,可以直接傳送基帶信號(hào),但遠(yuǎn)距離時(shí)必須把基帶信號(hào)調(diào)制到射頻信號(hào)上,,即把低頻的信號(hào)頻譜搬移到高頻頻譜上,。而接收端又必須從調(diào)制的信號(hào)中解調(diào)出基帶信號(hào),也就是從高頻信號(hào)上把有用信號(hào)搬移到低頻,。同時(shí)接收端往往會(huì)收到許多信號(hào),,我們還需選擇自己需要的信號(hào)。這個(gè)完成選擇需要的信號(hào)和信號(hào)頻譜向低搬移的器件就是調(diào)諧器(在模擬電視時(shí)代,,調(diào)諧器通常用鐵盒封裝,,也稱高頻頭)。

調(diào)諧器應(yīng)用廣泛,,它可以傳送視頻,、聲音、數(shù)據(jù)等等信息,。在種類繁多,、形狀各異的調(diào)諧器中,最常見的,、也是本文要討論的就是傳送視頻內(nèi)容的調(diào)諧器(以下“調(diào)諧器”就特指這類調(diào)諧器),。之所以一個(gè)小小的USB電視棒就能接收射頻電視信號(hào),這要?dú)w功于硅調(diào)諧器技術(shù)的成熟,。近幾年半導(dǎo)體工藝技術(shù)和IC設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展很快,,這就促成了硅調(diào)諧器技術(shù)不斷更新?lián)Q代,,形成了硅調(diào)諧器多種技術(shù)并存、多個(gè)半導(dǎo)體國(guó)際大廠參與競(jìng)爭(zhēng)的局面,。熱起來的硅調(diào)諧器技術(shù)就是本文關(guān)注的焦點(diǎn),。

2 調(diào)諧器介紹

2.1 調(diào)諧器分類

接收調(diào)制視頻的射頻信號(hào)的電子產(chǎn)品有許多種類,如衛(wèi)星機(jī)頂盒,、有線機(jī)頂盒,、電視機(jī)、手機(jī)電視,、電腦電視卡,、PCMCIA電視卡、USB電視棒等等,。這些電子產(chǎn)品根據(jù)其特點(diǎn)使用了多種多樣的調(diào)諧器,。這些調(diào)諧器可以從以下幾個(gè)角度去分類:

從接收信號(hào)角度調(diào)諧器分為模擬、數(shù)字,、數(shù)模一體化三種,,其中有些調(diào)諧器還可直接輸出基帶信號(hào)。而從接收信號(hào)的制式上看,,模擬信號(hào)可以做到全制式接收,,數(shù)字信號(hào)接收按地區(qū)分為DVB、ATSC,、ISDB,、DMB等。

從信號(hào)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)不同,,可區(qū)分為衛(wèi)星調(diào)諧器,、有線系統(tǒng)調(diào)諧器、地面廣播調(diào)諧器及手機(jī)調(diào)諧器等,。如在歐洲有線網(wǎng)絡(luò)用DVB-C,、地面廣播用DVB-T、衛(wèi)星廣播用DVB-S,、手持設(shè)備用DVB-H等等,。

從調(diào)諧器處理信號(hào)的技術(shù)分為模擬和數(shù)字兩種,傳統(tǒng)的鐵盒調(diào)諧器基本是采用模擬技術(shù),,而硅調(diào)諧器則是采用數(shù)字技術(shù),。

從調(diào)諧器電路架構(gòu)方面,可分為下列幾類:?jiǎn)无D(zhuǎn)換中頻輸出,、單轉(zhuǎn)換低中頻輸出,、單轉(zhuǎn)換零中頻輸出、雙轉(zhuǎn)換中頻輸出、雙轉(zhuǎn)換低中頻輸出,、及雙轉(zhuǎn)換零中頻輸出等等,。

從調(diào)諧器改變調(diào)諧頻率的方式可分為電壓合成和頻率合成兩種。

2.2 調(diào)諧器基本工作原理

電路最簡(jiǎn)單的調(diào)諧器是單轉(zhuǎn)換中頻輸出調(diào)諧器,。其基本組成包括混頻器,、振蕩器、鎖相環(huán)(MOPLL)和高頻放大器等,。高頻放大器具有自動(dòng)增益控制(AGC)功能,,跟蹤濾波器是一個(gè)中心頻率可調(diào)的帶通濾波器。中頻濾波器是一個(gè)具有特殊傳輸特性的帶通濾波器,,一般為聲表面波濾波器(SAWF),。單轉(zhuǎn)換中頻輸出調(diào)諧器電路架構(gòu)如圖一所示:

單轉(zhuǎn)換中頻輸出調(diào)諧器電路架構(gòu)

射頻電視信號(hào)進(jìn)入調(diào)諧器的高頻放大器進(jìn)行放大,其增益由AGC電路自動(dòng)控制,,再由跟蹤濾波器將鏡像信號(hào)去除,,利用混頻器和本地振蕩器混出中頻信號(hào),最后經(jīng)由中頻濾波器慮除雜波,、選擇出想要的頻道并進(jìn)一步調(diào)整通帶特性,,完成調(diào)諧器的功能。

2.3鐵盒調(diào)諧器現(xiàn)狀

目前最普及的電視機(jī)還是模擬電視,,這類電視機(jī)使用的都是鐵盒調(diào)諧器,,其基本功能就是選臺(tái)和混頻,屬于單轉(zhuǎn)換中頻輸出架構(gòu),。

鐵盒調(diào)諧器大多采用調(diào)諧器專用IC和許多個(gè)分立器件組成,。其主芯片采用雙極(Bipolar)工藝,具有成本極低的優(yōu)勢(shì),。由于調(diào)諧器處理的是幾百M(fèi)Hz的高頻信號(hào),所以鐵盒調(diào)諧器使用了微帶和分布參數(shù)的器件,。其中感應(yīng)線圈需生產(chǎn)時(shí)由人工調(diào)節(jié)其分布參數(shù),。早期的鐵盒調(diào)諧器都采用電壓合成方式選臺(tái),目前大多采用頻率合成方式,,其優(yōu)點(diǎn)是選臺(tái)簡(jiǎn)單,,調(diào)諧鎖定,不易跑臺(tái),。

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展,,傳統(tǒng)鐵盒調(diào)諧器設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)十分成熟,盡管其電路器件多,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,,生產(chǎn)調(diào)試難度很大。但是目前其成本十分低廉,只要不到10元人民幣,,這就是使其在競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的模擬電視機(jī)市場(chǎng)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),,根本無法被硅調(diào)諧器取代。但其肯定會(huì)隨著模擬電視在世界各國(guó)停播,,逐被硅調(diào)諧器取代,。

2.4 調(diào)諧器的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

調(diào)諧器作為一個(gè)電子產(chǎn)品,有幾個(gè)重要的電性能指標(biāo):

動(dòng)態(tài)范圍:動(dòng)態(tài)范圍指調(diào)諧器能接收的輸入信號(hào)強(qiáng)度的范圍,。地面電視廣播對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求最大,,約為60~70dB,有線傳播方式約30~40dB,,衛(wèi)星傳播方式動(dòng)態(tài)范圍則要求最小,。

噪聲指數(shù):也叫噪聲系數(shù),就是系統(tǒng)輸入輸出前后信噪比的比值,,也就是輸出信號(hào)的信噪比比上輸入信號(hào)的信噪比,。它決定了調(diào)諧器最小可接收的信號(hào)強(qiáng)度,或稱為接收靈敏度,。目前數(shù)字地面電視廣播的噪聲指數(shù)要求不得高于7dB,,而有線系統(tǒng)的噪聲指數(shù)則小于10dB就可以了。

 鏡像抑制比:就是濾除鏡像頻道信號(hào)的能力,?;祛l器的特點(diǎn)決定了比想要頻道頻率高或低兩倍中頻的頻道也會(huì)輸出到后面的中頻濾波器,這就會(huì)對(duì)想要的頻道產(chǎn)生干擾,。因此,,必須在混波器前加一個(gè)跟蹤濾波器(也稱鏡像抑制濾波器)來濾除鏡像頻道。通常調(diào)諧器鏡像抑制必須達(dá)到50~60dB,。


相位噪聲:相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)總功率的比值,。調(diào)諧器本振信號(hào)易受噪聲雜波的干擾而產(chǎn)生抖動(dòng),即相位變化,,這就是調(diào)諧器的相位噪聲,。因數(shù)字電視信號(hào)多采用正交調(diào)幅(QAM)及四相相移鍵控調(diào)制方式,相位噪聲會(huì)直接影響到數(shù)字調(diào)諧器的輸出信噪比,。而模擬電視信號(hào)多采用調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)就不易受相位噪聲干擾,。通常調(diào)諧器相位噪聲必須達(dá)到50dB以上。


3 硅調(diào)諧器技術(shù)分析

3.1硅調(diào)諧器技術(shù)分析

采用先進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)和硅半導(dǎo)體工藝,,把原來鐵盒調(diào)諧器中的大部分分立器件都集成到一顆硅芯片中,,這就是硅調(diào)諧器。

目前硅調(diào)諧器技術(shù)發(fā)展迅速,,已有應(yīng)用于多種電子產(chǎn)品的硅調(diào)諧器面世,。但其成本仍然偏高,,市場(chǎng)售價(jià)是鐵盒調(diào)諧器的3倍左右,這就限制了其取代鐵盒調(diào)諧器的速度,。只有在PCMCIA電視卡,、USB電視棒等小型產(chǎn)品上硅調(diào)諧器充分發(fā)揮其體積小的優(yōu)勢(shì),獨(dú)樹一幟,。

隨著硅調(diào)諧器設(shè)計(jì)技術(shù)的提高,,其半導(dǎo)體制造工藝也在不斷更新?lián)Q代,其目的就是為了顯著降低成本,。第一代硅調(diào)諧器采用高頻半導(dǎo)體領(lǐng)域普遍采用的SiGe工藝,,但其成本昂貴。后來過度到BiCMOS工藝,,但仍比鐵盒調(diào)諧器采用的雙極(Bipolar)工藝成本高,。最新一代硅調(diào)諧器已可以采用普遍使用的CMOS工藝。這使得硅調(diào)諧器可以與采用同樣COMS工藝的解調(diào)器,、解碼器,、控制器等集成在一起,構(gòu)成SoC單芯片,,這就大大降低了系統(tǒng)成本,。

硅調(diào)諧器采用數(shù)字處理技術(shù),通過控制口編程就可改變其特性,。這樣硅調(diào)諧器很容易實(shí)現(xiàn)多電視接收標(biāo)準(zhǔn),。

硅調(diào)諧器市場(chǎng)目前是多種半導(dǎo)體制造工藝、多種技術(shù)架構(gòu),、多個(gè)廠家多種產(chǎn)品并存的局面,。針對(duì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用,不同技術(shù)架構(gòu)發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn),。

硅調(diào)諧器各種電路架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)會(huì)因不同廠商的獨(dú)特技術(shù)而不同,,因而不同廠商對(duì)不同電路架構(gòu)會(huì)有不同的喜好。目前看零中頻和復(fù)變混頻架構(gòu)最有發(fā)展前景,。

3.2 常見硅調(diào)諧器

英飛凌公司(Infineon)已推出了TUA6041,、TUA6045和TUA6039等硅調(diào)諧器芯片。下一代是以TUA8010 ,、TUS9090為代表的硅調(diào)諧器產(chǎn)品。

美信公司(Maxim)產(chǎn)品包括MAX2165,、MAX3580,、MAX3540和MAX3541等高度集成的單次變頻電視調(diào)諧器。

Microtune的硅芯片調(diào)諧器產(chǎn)品包括:MT2060系列低功率數(shù)字調(diào)諧器以及MT2131和MT2063多標(biāo)準(zhǔn),、多模式硅調(diào)諧器芯片,。

瑞科信公司(Xceive)推出了新一代高集成性硅調(diào)諧器XC5000和調(diào)諧器芯片模塊SN5000,。

恩智浦公司(NXP)硅調(diào)諧器有TDA18292HN、TDA18252HN,、TDA18271,、TDA18251HD、TDA18211HD等,,涵蓋了衛(wèi)星,、有線、地面,、手持移動(dòng)等多種應(yīng)用,。

Max-Linear公司推出了全球標(biāo)準(zhǔn)的硅調(diào)諧器MxL5005S,可用于機(jī)頂盒和移動(dòng)接收,。MxL7001則是適合ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)電視用硅調(diào)諧器芯片,。

思卡爾(Freescale)推出了MC44S803單芯片硅調(diào)諧器

三星電子(Samsung)的硅調(diào)諧器S5M8602可以支持DVB-H/T,DAB-IP,,ISDB-T以及T-DMB等多個(gè)國(guó)家的電視標(biāo)準(zhǔn),。

ST、TI等已有解調(diào)解碼芯片的公司,,已將硅調(diào)諧器與解調(diào)器,、解碼器、控制器等集成在一起,,構(gòu)成SoC單芯片,,如ST公司的STB6100單芯片、TI公司的“Hollywood”手機(jī)電視芯片等,。

3.3 硅調(diào)諧器典型應(yīng)用

在眾多硅調(diào)諧器方案中,,本文選NXP最近推出的新型數(shù)模一體化硅調(diào)諧器TDA18271,簡(jiǎn)單介紹其在電腦電視卡上的應(yīng)用實(shí)例,。TDA18271不但兼容所有的模擬與數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)(PAL,、NTSC、SECAM,、DVB-T,、ISDB-T、ATSC,、DVB-C),,且TDA18271芯片本身可將中頻信號(hào)送至數(shù)字中頻解調(diào)器TDA8295,完成模擬電視解調(diào),,輸出CVBS模擬電視信號(hào),,同時(shí)中頻信號(hào)也送至信道解碼器 TDA10048,解出數(shù)字電視TS流,。具體應(yīng)用框圖見圖二,。

應(yīng)用框圖

4 鐵盒調(diào)諧器與硅調(diào)諧器比較

雖然有些性能指標(biāo)硅調(diào)諧器不及鐵盒調(diào)諧器好,,但硅調(diào)諧器也達(dá)到數(shù)字/模擬廣播標(biāo)準(zhǔn)的要求。現(xiàn)階段只有高成本是硅調(diào)諧器的主要缺點(diǎn),。

5 結(jié)語

數(shù)字電視廣播在全世界范圍內(nèi)的普及為硅調(diào)諧器的發(fā)展提供了極好的機(jī)會(huì),,硅調(diào)諧器的小體積優(yōu)點(diǎn)也為調(diào)諧器開辟了USB電視棒等新的應(yīng)用領(lǐng)域。再過兩年,,隨著硅調(diào)諧器的普及,,其成本會(huì)與鐵盒調(diào)諧器的成本差別相差無幾,屆時(shí)硅調(diào)諧器將會(huì)獨(dú)霸天下,。同時(shí)隨著硅調(diào)諧器技術(shù)水平的提高和成本的降低,,硅調(diào)諧器市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更加激烈,目前這種廠家多品種多的“混亂”局面將會(huì)改觀,。僅有的幾款功能全,、性能優(yōu)、價(jià)格低的硅調(diào)諧器就能滿足多種領(lǐng)域的需求,。

 

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