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调谐器与其关键技术探析

更新时间:2015-12-30 10:43:31点击次数:597次

一、概述

随着北京奥运会临近和地面数字电视节目的热播,USB电视棒在国内热销起来。之所以一个小小的USB电视棒就能接收射频电视信号,这要归功于硅调谐器技术的成熟。近几年半导体工艺技术和IC设计技术发展很快,这就促成了硅调谐器技术不断更新换代,形成了硅调谐器多种技术并存、多个半导体国际大厂参与竞争的局面。

二、调谐器详解

一般通过电信号近距离传递信息,可以直接传送基带信号,但远距离时必须把基带信号调制到射频信号上,即把低频的信号频谱搬移到高频频谱上。而接收端又必须从调制的信号中解调出基带信号,也就是从高频信号上把有用信号搬移到低频。同时接收端往往会收到许多信号,我们还需选择自己需要的信号。这个完成选择需要的信号和信号频谱向低搬移的器件就是调谐器(在模拟电视时代,调谐器通常用铁盒封装,也称高频头)。

调谐器分类

接收调制视频的射频信号的电子产品有许多种类,如卫星机顶盒、有线机顶盒、电视机、手机电视、电脑电视卡、PCMCIA电视卡、USB电视棒等等。这些电子产品根据其特点使用了多种多样的调谐器。这些调谐器可以从以下几个角度去分类:

从接收信号角度调谐器分为模拟、数字、数模一体化三种,其中有些调谐器还可直接输出基带信号。而从接收信号的制式上看,模拟信号可以做到全制式接收,数字信号接收按地区分为DVB、ATSC、ISDB、DMB等。

从信号传输的网络不同,可区分为卫星调谐器、有线系统调谐器、地面广播调谐器及手机调谐器等。如在欧洲有线网络用DVB-C、地面广播用DVB-T、卫星广播用DVB-S、手持设备用DVB-H等等。

从调谐器处理信号的技术分为模拟和数字两种,传统的铁盒调谐器基本是采用模拟技术,而硅调谐器则是采用数字技术。

从调谐器电路架构方面,可分为下列几类:单转换中频输出、单转换低中频输出、单转换零中频输出、双转换中频输出、双转换低中频输出、及双转换零中频输出等等。

从调谐器改变调谐频率的方式可分为电压合成和频率合成两种。

调谐器基本工作原理

电路最简单的调谐器是单转换中频输出调谐器。其基本组成包括混频器、振荡器、锁相环(MOPLL)和高频放大器等。高频放大器具有自动增益控制(AGC)功能,跟踪滤波器是一个中心频率可调的带通滤波器。中频滤波器是一个具有特殊传输特性的带通滤波器,一般为声表面波滤波器(SAWF)。单转换中频输出调谐器电路架构如图一所示:

 单转换中频输出调谐器电路架构

射频电视信号进入调谐器的高频放大器进行放大,其增益由AGC电路自动控制,再由跟踪滤波器将镜像信号去除,利用混频器和本地振荡器混出中频信号,最后经由中频滤波器虑除杂波、选择出想要的频道并进一步调整通带特性,完成调谐器的功能。

铁盒调谐器现状

目前最普及的电视机还是模拟电视,这类电视机使用的都是铁盒调谐器,其基本功能就是选台和混频,属于单转换中频输出架构。

铁盒调谐器大多采用调谐器专用IC和许多个分立器件组成。其主芯片采用双极(Bipolar)工艺,具有成本极低的优势。由于调谐器处理的是几百MHz的高频信号,所以铁盒调谐器使用了微带和分布参数的器件。其中感应线圈需生产时由人工调节其分布参数。早期的铁盒调谐器都采用电压合成方式选台,目前大多采用频率合成方式,其优点是选台简单,调谐锁定,不易跑台。

经过多年的技术发展,传统铁盒调谐器设计和工艺技术十分成熟,尽管其电路器件多、结构复杂,生产调试难度很大。但是目前其成本十分低廉,只要不到10元人民币,这就是使其在竞争十分激烈的模拟电视机市场占有绝对优势,根本无法被硅调谐器取代。但其肯定会随着模拟电视在世界各国停播,逐被硅调谐器取代。

调谐器的几个关键技术指标

调谐器作为一个电子产品,有几个重要的电性能指标:

动态范围:动态范围指调谐器能接收的输入信号强度的范围。地面电视广播对动态范围的要求最大,约为60~70dB,有线传播方式约30~40dB,卫星传播方式动态范围则要求最小。

噪声指数:也叫噪声系数,就是系统输入输出前后信噪比的比值,也就是输出信号的信噪比比上输入信号的信噪比。它决定了调谐器最小可接收的信号强度,或称为接收灵敏度。目前数字地面电视广播的噪声指数要求不得高于7dB,而有线系统的噪声指数则小于10dB就可以了。

镜像抑制比:就是滤除镜像频道信号的能力。混频器的特点决定了比想要频道频率高或低两倍中频的频道也会输出到后面的中频滤波器,这就会对想要的频道产生干扰。因此,必须在混波器前加一个跟踪滤波器(也称镜像抑制滤波器)来滤除镜像频道。通常调谐器镜像抑制必须达到50~60dB。

相位噪声:相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号总功率的比值。调谐器本振信号易受噪声杂波的干扰而产生抖动,即相位变化,这就是调谐器的相位噪声。因数字电视信号多采用正交调幅(QAM)及四相相移键控调制方式,相位噪声会直接影响到数字调谐器的输出信噪比。而模拟电视信号多采用调幅(AM)或调频(FM)就不易受相位噪声干扰。通常调谐器相位噪声必须达到50dB以上。

三、硅调谐器技术分析

硅调谐器技术分析

采用先进的数字设计技术和硅半导体工艺,把原来铁盒调谐器中的大部分分立器件都集成到一颗硅芯片中,这就是硅调谐器。

目前硅调谐器技术发展迅速,已有应用于多种电子产品的硅调谐器面世。但其成本仍然偏高,市场售价是铁盒调谐器的3倍左右,这就限制了其取代铁盒调谐器的速度。只有在PCMCIA电视卡、USB电视棒等小型产品上硅调谐器充分发挥其体积小的优势,独树一帜。

随着硅调谐器设计技术的提高,其半导体制造工艺也在不断更新换代,其目的就是为了显着降低成本。第一代硅调谐器采用高频半导体领域普遍采用的SiGe工艺,但其成本昂贵。后来过度到BiCMOS工艺,但仍比铁盒调谐器采用的双极(Bipolar)工艺成本高。最新一代硅调谐器已可以采用普遍使用的CMOS工艺。这使得硅调谐器可以与采用同样COMS工艺的解调器、解码器、控制器等集成在一起,构成SoC单芯片,这就大大降低了系统成本。

硅调谐器采用数字处理技术,通过控制口编程就可改变其特性。这样硅调谐器很容易实现多电视接收标准。

硅调谐器市场目前是多种半导体制造工艺、多种技术架构、多个厂家多种产品并存的局面。针对不同领域的应用,不同技术架构发挥了各自的优点。

硅调谐器各种电路架构的优缺点会因不同厂商的独特技术而不同,因而不同厂商对不同电路架构会有不同的喜好。目前看零中频和复变混频架构最有发展前景。

硅调谐器典型应用

在众多硅调谐器方案中,本文选NXP最近推出的新型数模一体化硅调谐器TDA18271,简单介绍其在电脑电视卡上的应用实例。TDA18271不但兼容所有的模拟与数字电视标准(PAL、NTSC、SECAM、DVB-T、ISDB-T、ATSC、DVB-C),且TDA18271芯片本身可将中频信号送至数字中频解调器TDA8295,完成模拟电视解调,输出CVBS模拟电视信号,同时中频信号也送至信道解码器 TDA10048,解出数字电视TS流。具体应用框图见图二。

电视信号接受信号框图
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