硅調諧器技術分析及應用

中心議題：

?硅調諧器介紹

?調諧器基本工作原理

?硅調諧器技術分析

解決方案：

?采用普遍使用的CMOS工藝

?采用數字處理技術通過控制口編程就可改變其特性

一般通過電信號近距離傳遞信息，可以直接傳送基帶信號，但遠距離時必須把基帶信號調制到射頻信號上，即把低頻的信號頻譜搬移到高頻頻譜上。而接收端又必須從調制的信號中解調出基帶信號，也就是從高頻信號上把有用信號搬移到低頻。同時接收端往往會收到許多信號，我們還需選擇自己需要的信號。這個完成選擇需要的信號和信號頻譜向低搬移的器件就是調諧器（在模擬電視時代，調諧器通常用鐵盒封裝，也稱高頻頭）。
　　調諧器應用廣泛，它可以傳送視頻、聲音、數據等等信息。在種類繁多、形狀各異的調諧器中，最常見的、也是本文要討論的就是傳送視頻內容的調諧器（以下“調諧器”就特指這類調諧器）。
　　隨著北京奧運會臨近和地面數字電視節目的熱播，USB電視棒在國內熱銷起來。之所以一個小小的USB電視棒就能接收射頻電視信號，這要歸功于硅調諧器技術的成熟。近幾年半導體工藝技術和IC設計技術發展很快，這就促成了硅調諧器技術不斷更新換代，形成了硅調諧器多種技術并存、多個半導體國際大廠參與競爭的局面。熱起來的硅調諧器技術就是本文關注的焦點。

調諧器介紹
　　1 調諧器分類
　　接收調制視頻的射頻信號的電子產品有許多種類，如衛星機頂盒、有線機頂盒、電視機、手機電視、電腦電視卡、PCMCIA電視卡、USB電視棒等等。這些電子產品根據其特點使用了多種多樣的調諧器。這些調諧器可以從以下幾個角度去分類：
　　從接收信號角度調諧器分為模擬、數字、數模一體化三種，其中有些調諧器還可直接輸出基帶信號。而從接收信號的制式上看，模擬信號可以做到全制式接收，數字信號接收按地區分為DVB、ATSC、ISDB、DMB等。
　　從信號傳輸的網絡不同，可區分為衛星調諧器、有線系統調諧器、地面廣播調諧器及手機調諧器等。如在歐洲有線網絡用DVB-C、地面廣播用DVB-T、衛星廣播用DVB-S、手持設備用DVB-H等等。
　　從調諧器處理信號的技術分為模擬和數字兩種，傳統的鐵盒調諧器基本是采用模擬技術，而硅調諧器則是采用數字技術。
　　從調諧器電路架構方面，可分為下列幾類：單轉換中頻輸出、單轉換低中頻輸出、單轉換零中頻輸出、雙轉換中頻輸出、雙轉換低中頻輸出、及雙轉換零中頻輸出等等。
　　從調諧器改變調諧頻率的方式可分為電壓合成和頻率合成兩種。

2 調諧器基本工作原理
　　電路最簡單的調諧器是單轉換中頻輸出調諧器。其基本組成包括混頻器、振蕩器、鎖相環(MOPLL)和高頻放大器等。高頻放大器具有自動增益控制（AGC）功能，跟蹤濾波器是一個中心頻率可調的帶通濾波器。中頻濾波器是一個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)。單轉換中頻輸出調諧器電路架構如圖一所示：

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射頻電視信號進入調諧器的高頻放大器進行放大，其增益由AGC電路自動控制，再由跟蹤濾波器將鏡像信號去除，利用混頻器和本地振蕩器混出中頻信號，最后經由中頻濾波器慮除雜波、選擇出想要的頻道并進一步調整通帶特性，完成調諧器的功能。

3 鐵盒調諧器現狀
　　目前最普及的電視機還是模擬電視，這類電視機使用的都是鐵盒調諧器，其基本功能就是選臺和混頻，屬于單轉換中頻輸出架構。
　　鐵盒調諧器大多采用調諧器專用IC和許多個分立器件組成。其主芯片采用雙極（Bipolar）工藝，具有成本極低的優勢。由于調諧器處理的是幾百MHz的高頻信號，所以鐵盒調諧器使用了微帶和分布參數的器件。其中感應線圈需生產時由人工調節其分布參數。早期的鐵盒調諧器都采用電壓合成方式選臺，目前大多采用頻率合成方式，其優點是選臺簡單，調諧鎖定，不易跑臺。
　　經過多年的技術發展，傳統鐵盒調諧器設計和工藝技術十分成熟，盡管其電路器件多、結構復雜，生產調試難度很大。但是目前其成本十分低廉，只要不到10元人民幣，這就是使其在競爭十分激烈的模擬電視機市場占有絕對優勢，根本無法被硅調諧器取代。但其肯定會隨著模擬電視在世界各國停播，逐被硅調諧器取代。

4 調諧器的幾個關鍵技術指標
　　調諧器作為一個電子產品，有幾個重要的電性能指標：
　　動態范圍：動態范圍指調諧器能接收的輸入信號強度的范圍。地面電視廣播對動態范圍的要求最大，約為60~70dB，有線傳播方式約30~40dB，衛星傳播方式動態范圍則要求最小。
　　噪聲指數：也叫噪聲系數，就是系統輸入輸出前后信噪比的比值，也就是輸出信號的信噪比比上輸入信號的信噪比。它決定了調諧器最小可接收的信號強度，或稱為接收靈敏度。目前數字地面電視廣播的噪聲指數要求不得高于7dB，而有線系統的噪聲指數則小于10dB就可以了。
　　鏡像抑制比：就是濾除鏡像頻道信號的能力。混頻器的特點決定了比想要頻道頻率高或低兩倍中頻的頻道也會輸出到后面的中頻濾波器，這就會對想要的頻道產生干擾。因此，必須在混波器前加一個跟蹤濾波器（也稱鏡像抑制濾波器）來濾除鏡像頻道。通常調諧器鏡像抑制必須達到50~60dB。
　　相位噪聲：相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內的信號功率與信號總功率的比值。調諧器本振信號易受噪聲雜波的干擾而產生抖動，即相位變化，這就是調諧器的相位噪聲。因數字電視信號多采用正交調幅(QAM)及四相相移鍵控調制方式，相位噪聲會直接影響到數字調諧器的輸出信噪比。而模擬電視信號多采用調幅（AM）或調頻（FM）就不易受相位噪聲干擾。通常調諧器相位噪聲必須達到50dB以上。

硅調諧器技術分析

1 硅調諧器技術分析
　　采用先進的數字設計技術和硅半導體工藝，把原來鐵盒調諧器中的大部分分立器件都集成到一顆硅芯片中，這就是硅調諧器。
　　目前硅調諧器技術發展迅速，已有應用于多種電子產品的硅調諧器面世。但其成本仍然偏高，市場售價是鐵盒調諧器的3倍左右，這就限制了其取代鐵盒調諧器的速度。只有在PCMCIA電視卡、USB電視棒等小型產品上硅調諧器充分發揮其體積小的優勢，獨樹一幟。
　　隨著硅調諧器設計技術的提高，其半導體制造工藝也在不斷更新換代，其目的就是為了顯著降低成本。第一代硅調諧器采用高頻半導體領域普遍采用的SiGe工藝，但其成本昂貴。后來過度到BiCMOS工藝，但仍比鐵盒調諧器采用的雙極（Bipolar）工藝成本高。最新一代硅調諧器已可以采用普遍使用的CMOS工藝。這使得硅調諧器可以與采用同樣COMS工藝的解調器、解碼器、控制器等集成在一起，構成SoC單芯片，這就大大降低了系統成本。
　　硅調諧器采用數字處理技術，通過控制口編程就可改變其特性。這樣硅調諧器很容易實現多電視接收標準。
　　硅調諧器市場目前是多種半導體制造工藝、多種技術架構、多個廠家多種產品并存的局面。針對不同領域的應用，不同技術架構發揮了各自的優點。
　　硅調諧器各種電路架構的優缺點會因不同廠商的獨特技術而不同，因而不同廠商對不同電路架構會有不同的喜好。目前看零中頻和復變混頻架構最有發展前景。

2 常見硅調諧器
　　英飛凌公司（Infineon）已推出了TUA6041、TUA6045和TUA6039等硅調諧器芯片。下一代是以TUA8010、TUS9090為代表的硅調諧器產品。
　　美信公司（Maxim）產品包括MAX2165、MAX3580、MAX3540和MAX3541等高度集成的單次變頻電視調諧器。
　　Microtune的硅芯片調諧器產品包括：MT2060系列低功率數字調諧器以及MT2131和MT2063多標準、多模式硅調諧器芯片。

瑞科信公司(Xceive)推出了新一代高集成性硅調諧器XC5000和調諧器芯片模塊SN5000。
　　恩智浦公司（NXP）硅調諧器有TDA18292HN、TDA18252HN、TDA18271、TDA18251HD、TDA18211HD等，涵蓋了衛星、有線、地面、手持移動等多種應用。
　　Max-Linear公司推出了全球標準的硅調諧器MxL5005S，可用于機頂盒和移動接收。MxL7001則是適合ISDB-T標準的移動電視用硅調諧器芯片。
　　思卡爾（Freescale）推出了MC44S803單芯片硅調諧器
　　三星電子（Samsung）的硅調諧器S5M8602可以支持DVB-H/T，DAB-IP，ISDB-T以及T-DMB等多個國家的電視標準。
　　ST、TI等已有解調解碼芯片的公司，已將硅調諧器與解調器、解碼器、控制器等集成在一起，構成SoC單芯片，如ST公司的STB6100單芯片、TI公司的“Hollywood”手機電視芯片等。

3 硅調諧器典型應用
　　在眾多硅調諧器方案中，本文選NXP最近推出的新型數模一體化硅調諧器TDA18271，簡單介紹其在電腦電視卡上的應用實例。TDA18271不但兼容所有的模擬與數字電視標準(PAL、NTSC、SECAM、DVB-T、ISDB-T、ATSC、DVB-C)，且TDA18271芯片本身可將中頻信號送至數字中頻解調器TDA8295，完成模擬電視解調，輸出CVBS模擬電視信號，同時中頻信號也送至信道解碼器TDA10048，解出數字電視TS流。具體應用框圖見圖二。

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鐵盒調諧器與硅調諧器比較

雖然有些性能指標硅調諧器不及鐵盒調諧器好，但硅調諧器也達到數字/模擬廣播標準的要求。現階段只有高成本是硅調諧器的主要缺點。
　　數字電視廣播在全世界范圍內的普及為硅調諧器的發展提供了極好的機會，硅調諧器的小體積優點也為調諧器開辟了USB電視棒等新的應用領域。再過兩年，隨著硅調諧器的普及，其成本會與鐵盒調諧器的成本差別相差無幾，屆時硅調諧器將會獨霸天下。同時隨著硅調諧器技術水平的提高和成本的降低，硅調諧器市場的競爭將會更加激烈，目前這種廠家多品種多的“混亂”局面將會改觀。僅有的幾款功能全、性能優、價格低的硅調諧器就能滿足多種領域的需求。