| 一種新型低成本低功耗數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片及應(yīng)用方案 |
| 東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 唐守龍 薛海妹 鄆廷華 孫文 葉榮芳 |
| 摘要－本文在系統(tǒng)分析比較當(dāng)前數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片及應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,首次提出了基于CMOS工藝的低成本低功耗單變頻結(jié)構(gòu)數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片及應(yīng)用方案,該芯片集成了混頻器、振蕩器、頻率綜合器和中頻可變增益放大器,提高了調(diào)諧器專用芯片的集成度,降低了單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器系統(tǒng)成本。本文提出的調(diào)諧器專用芯片已經(jīng)過流片驗(yàn)證,測試結(jié)果較好。 |
| 一、引言 ---電視調(diào)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(diào)諧器是以模擬的方式完成接收放大、選通、變頻、圖聲解調(diào)的過程,若其中有畸變和失真,會使接收的圖像和伴音質(zhì)量變差。數(shù)字電視將模擬電視信號改變?yōu)閿?shù)字信號,進(jìn)行壓縮、傳輸、接收、處理、存儲、記錄和控制,數(shù)字電視接收終端首先要經(jīng)數(shù)字電視調(diào)諧器進(jìn)行高頻放大、比較處理、信道解碼和解調(diào),再經(jīng)數(shù)字電視接收機(jī)、機(jī)頂盒或PC數(shù)字視頻卡進(jìn)行信源解碼等處理后還原原始圖像和聲音,若其中這一過程發(fā)生畸變就會造成誤碼出錯,若超出調(diào)諧器可調(diào)控的范圍,就無法接收到圖像和伴音。因此,數(shù)字式調(diào)諧器不僅包含原來彩電的重要指標(biāo),在相位噪聲、非線性指標(biāo)及鎖定時(shí)間等檢測方法上差異也很大。模擬電視調(diào)諧器接收模擬電視信號時(shí),將許多不同頻率的高頻電視信號變換成一個(gè)固定的中頻輸出,完成頻譜的搬移。數(shù)字電視調(diào)諧器接收數(shù)字廣播電視信號時(shí),不僅要完成模擬調(diào)諧器所要完成的頻譜搬移功能,而且還要完成解調(diào)和信道解碼,作為數(shù)字電視接收機(jī)、機(jī)頂盒及PC數(shù)字視頻卡的前端,數(shù)字電視調(diào)諧器采用數(shù)字器件,使其在生產(chǎn)過程中比模擬調(diào)諧器易于裝配和調(diào)整,可靠性和穩(wěn)定性也大幅度提高。因此,數(shù)字電視調(diào)諧器在技術(shù)和工藝上有許多不同于模擬電視調(diào)諧器的特點(diǎn),其性能大大優(yōu)于模擬電視調(diào)諧器。整個(gè)數(shù)字電視調(diào)諧器由兩部分功能電路組成,如圖1所示,前端的調(diào)諧電路,負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)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(shù)字電視中干擾嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致信號的丟失;后端的解調(diào)電路,負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、解調(diào)以及糾錯解碼等功能。 ---隨著微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的實(shí)用技術(shù)突破,國際市場競爭的加劇,電視調(diào)諧器的制作越來越精良,性能越來越優(yōu)異,并向集成化、小型化和高可靠性發(fā)展,從上個(gè)世紀(jì)70年代開始,分離器件構(gòu)成的電路模塊逐漸被相應(yīng)專用集成電路所代替,并且隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,電視調(diào)諧器專用芯片的集成度越來越高。本文所設(shè)計(jì)的新型數(shù)字電視調(diào)諧芯片及應(yīng)用方案實(shí)現(xiàn)的是前端調(diào)諧電路的功能,后端解調(diào)電路采用其他解調(diào)專用芯片。 2 數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片及應(yīng)用方案 ---目前,數(shù)字電視調(diào)諧器可分為三大類：一類是單變頻結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)又分為兩種結(jié)構(gòu)：兩波段(VHF和UHF)單變頻結(jié)構(gòu)和三波段(VHFL、VHFH和UHF)單變頻結(jié)構(gòu);另一類是雙變頻結(jié)構(gòu),首先把接收到的射頻電視信號上變頻到某一固定頻率,然后再降至中頻信號;還有一類是最近推出的低中頻結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的調(diào)諧芯片也分為三大類：單變頻數(shù)字電視調(diào)諧芯片、雙變頻數(shù)字電視調(diào)諧芯片和低中頻數(shù)字電視調(diào)諧器芯片,我們按照芯片的集成度可以把數(shù)字電視調(diào)諧器劃分為五類,下面分別詳細(xì)介紹各種調(diào)諧器方案并分析各自優(yōu)缺點(diǎn)。 ---1）采用三個(gè)專用芯片的單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器。該調(diào)諧器包括混頻振蕩專用芯片（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(nèi)出現(xiàn)的最早,主要是從模擬調(diào)諧器演變過來的,但是此方案專用芯片多,分離器件也多,導(dǎo)致調(diào)諧器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試變的困難。 ---2）采用兩個(gè)專用芯片的單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器。該調(diào)諧器在方案1）的基礎(chǔ)上把混頻振蕩芯片和頻率綜合芯片集成在一起成為一個(gè)獨(dú)立的專用芯片,使得調(diào)諧器系統(tǒng)變的相對簡單,僅包括兩個(gè)專用芯片,典型方案如Infineon公司的TUA6020和TUA6192芯片方案。 ---3）采用單一芯片的單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器。由于單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器功耗相對較低,一般小于0.5W[1],但是上兩種方案分離器件均比較多,人工調(diào)試繁瑣且穩(wěn)定性較差,因此,美國Broadcom公司提出了集成所有單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器電路的專用芯片BCM3418,該芯片不但集成了混頻器、振蕩器、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(diào)諧器系統(tǒng)設(shè)計(jì),但是該芯片成本非常高,相對于目前國內(nèi)數(shù)字電視市場對調(diào)諧器成本的要求存在較大的差距。 ---4）采用兩個(gè)專用芯片的雙變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器。由于雙變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器自身性能的優(yōu)點(diǎn),如高鏡像抑制、高本振信號諧波抑制、中頻響應(yīng)平坦等優(yōu)點(diǎn)[2],雙變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器越來越多,典型的有Broadcom公司的BCM3416和Microtune公司的MT2050等,該調(diào)諧器首先把整個(gè)射頻電視信號上變頻到固定中頻信號,該中頻信號稱為第一中頻信號,第一中頻的頻率高于所有射頻電視信號,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(diào)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(通常采用聲表面波濾波器SAW)進(jìn)行頻道選擇,然后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(jié)構(gòu)調(diào)諧器除了包含一個(gè)調(diào)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(diào)諧器方案集成度高,近似實(shí)現(xiàn)免調(diào)試功能,但是由于雙變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器功耗較大,一般大于1.5W[1],使得芯片封裝必須具有散熱裝置,同時(shí),調(diào)諧器系統(tǒng)要采用兩個(gè)聲表面波濾波器(SAW),最終導(dǎo)致整個(gè)調(diào)諧器系統(tǒng)成本升高,相對于單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器而言,此調(diào)諧器雖然在性能上有所提高,但是其成本及功耗也遠(yuǎn)大于單變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器。 ---5）全芯片集成的低中頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器。該專用芯片采用低中頻接收技術(shù),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(gè)調(diào)諧器電路都可集成在一個(gè)芯片上,系統(tǒng)基本上不再需要分離元件,真正實(shí)現(xiàn)了免調(diào)試調(diào)諧器,大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片,該芯片采用單變頻結(jié)構(gòu),不但集成了混頻器、振蕩器和頻率合成器,還集成了中頻可變增益放大器,同時(shí)該芯片采用低成本CMOS工藝,可大大降低現(xiàn)有單變頻結(jié)構(gòu)芯片及系統(tǒng)的成本。 3 新型低成本低功耗數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片 ---從上述分析可以得知,雖然雙變頻結(jié)構(gòu)調(diào)諧器性能好、集成度高,但是調(diào)諧器芯片功耗大,系統(tǒng)成本高,一般多用于電纜調(diào)制器(Cable Modem),相對于低成本要求的數(shù)字電視調(diào)諧器而言,雙變頻結(jié)構(gòu)的專用芯片應(yīng)用并不是十分廣泛,特別是在我國的調(diào)諧器市場上,當(dāng)前我國數(shù)字電視調(diào)諧器大多數(shù)采用單變頻結(jié)構(gòu)的調(diào)諧器,應(yīng)用最為廣泛的是Infineon公司推出的TUA6020和TUA6192芯片方案,該方案產(chǎn)品生產(chǎn)加工可以繼承以往的模擬電視調(diào)諧器生產(chǎn)線,因此,國內(nèi)大多數(shù)數(shù)字電視調(diào)諧器加工廠都采用此方案,如成都旭光、蘇州勝利等。但是該方案最主要的缺點(diǎn)是調(diào)諧器必須采用兩個(gè)專用芯片,系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜,因此,本文提出了一種新型的單變頻結(jié)構(gòu)數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片,該芯片在繼承TUA6020芯片方案的基礎(chǔ)上,首次采用CMOS工藝把兩塊芯片集成在一起,既可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),又可以降低系統(tǒng)成本。 ---本文提出的數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片框圖如下圖所示,此芯片包括三個(gè)波段的混頻器
圖2新型低成本低功耗數(shù)字電視調(diào)諧器專用芯片框圖 ---(MIXER)和振蕩器(OSCILATOR),其中VHFL波段混頻采用單端輸入,VHFH和UHF波段混頻器采用雙端輸入,三個(gè)波段的振蕩器均只需要兩個(gè)管腳,振蕩器采用外部分離的LC振蕩回路�；祛l器的中頻輸出信號在送至聲表面波濾波器驅(qū)動電路(SAW DRIVER)的同時(shí)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(chǎn)生的諧波干擾信號,提高調(diào)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(shí)現(xiàn)中頻可變增益放大,最終輸出中頻電視信號,送至解調(diào)電路進(jìn)行信道解調(diào)解碼。 ---該專用芯片除了集成上述信號鏈路中的混頻器、SAW驅(qū)動電路和中頻可變增益放大器外,還集成了鎖相環(huán)(PLL)電路：可編程分頻器(PROG. DIVIDER)、鑒頻鑒相器(PHASE/FREQ COMP)、電荷泵(CHARGE PUMP)、晶振驅(qū)動電路(XTAL OSCILLATOR)和參考分頻器(REFERENCE DIVIDER)。整個(gè)芯片采用I2C接口實(shí)現(xiàn)通信,主要配置各電路模塊的控制字以及進(jìn)行波段選擇,芯片中的三波段選擇通過并口(PORTS)實(shí)現(xiàn),并口信號在切換內(nèi)部波段電路時(shí),也輸出給芯片外相應(yīng)的波段電路,如前置放大器和跟蹤濾波器等。 4 芯片測試結(jié)果 ---該芯片已采用0.25μm CMOS工藝流片測試,由于調(diào)諧器芯片工作頻帶很寬,在此僅給出了幾個(gè)典型測試結(jié)果。壓控振蕩器的振蕩頻率測試結(jié)果如圖3所示,混頻器中頻輸出頻譜測試結(jié)果如圖4所示,中頻可變增益放大器測試結(jié)果如圖5所示。
(a) 低波段振蕩器
圖3 壓控振蕩器測試結(jié)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(jié)果
圖5 中頻可變增益放大器測試結(jié)果 ---縱上所述,芯片模塊典型性能測試結(jié)果可匯總成表一： 表一芯片模塊典型性能測試結(jié)果 |
