数字卫星电视接收机前端设计系统考量

消费性影音传输方法的全球标准化已成功产生几项影响，其中之一是全球广播业者只需选择一种直播卫星 (Direct Broadcast Satellite，DBS) 电视标准。世界各地对于模拟和数字地面广播或有线电视传输各有其标准，卫星广播则与它们完全不同，DVB-S标准获得全球採用后已带动数字卫星机上盒市场的接收机销售量成长超过6,000万部，其中大多数是符合DVB-S标准的产品。

直到最近，OEM厂商只要选择套装射频模组就不必面对卫星射频前端的设计细节。接收机碟型天线内的低噪音降频转换器 (LNB Converter) 会先将C或Ku频带的接收信号降频转换为950-2150MHz的L频带信号，再由射频模组将这些中频讯号转换为MPEG-2传输流 (transport stream)。

机上盒制造商一直都有降低系统成本的压力，功能整合度更高的硅晶调谐器又已在市场上出现，这些因素使得OEM厂商不再需要套装射频模组，他们可以透过主电路板直接提供这项功能。多项因素让射频前端设计相当困难，包括射频输入的频率很高、卫星转频器的信号频宽很大 (通常为27或36MHz)、复合输入功率的范围很广 (-80至0dBm) 以及低噪音降频转换器和信号选择器 (multi-switch) 等其它卫星週边都需要直流电源和交流控制信号回馈，这些电源和控制信号必须透过同轴缆线与接收信号一起上传。

除此之外，OEM厂商处在这个竞争激烈的环境里，自然必须将他们的设计资源集中于个人录影 (PVR)、互动性和家用网路等加值功能。因此他们需要零组件供应商提供射频前端解决方案以便将研发投资减至最少，同时确认其产品达到所需的接收机效能标准或付费电视业者的认证要求。单晶片射频前端的目标
符合DVB标准的卫星、有线电视、地面广播和新出现的可携式应用环境现都采用位元流格式相同的MPEG-2传输流，因此OEM厂商在范畴经济和规模经济考量下通常会选择採用单一平台。这表示不同的媒体接收机会使用相同的MPEG解码器和主机元件，然后由有线电视、地面广播、卫星或IP等媒体的前端电路将传输流提供给主机。

射频电路前端包含调谐器和解调器功能，两者会透过从解调器到调谐器的专属模拟控制信号进行各种互动，像是自动增益控制、射频调谐和滤波器频宽选择等动作，这使得想要取代套装射频模组的OEM厂商必须解决电路板层级的信号完整性问题才能维持系统操作一致性，同时将电路板布局和零件误差等外部因素对于接收机效能的影响减至最少。就此角度而言，将调谐器和解调器整合至同一颗元件显然有极大优点，因为设计人员就不必在电路板上费心安排这些回授信号。实作损耗：前端电路优劣的重要指标
实作损耗是DVB-S前端最重要的规格，它代表接收机实际效能与理论最佳值的差距。实作损耗是在特定符码率 (symbol rate)、Viterbi编码率，输入功率和射频频率等传输参数下将输出位元错误率降到可接受水准的实际所需载波噪音比 (Carrier-to-Noise) 与理想解调器的载波噪音比之间的相差值 (以dB表示)。DVB-S标准规定Viterbi解码器输出测量所得的实作损耗在2×10-4位元错误率下不能超过0.8dB，无论接收机的传输参数设定为何都必须达到这项效能要求。实作损耗越低，接收机就越能将噪音影响减至最小。

测量不同输入功率和无线频率下的实作损耗非常有用。例如当功率很大时，接收机的互调积就可能造成实作损耗恶化；同样的，本地振盪频率的混附信号也可能导致某些通道效能下降。图1是在不同输入功率下提供3/4旋积编码率和22.5Mbaud符码率的QEF操作时 (定义为Viterbi解码后的位元误差率为2×10-4) 所需的载波噪音比 (Eb/No)。
　

 

图1：载波噪音比与输入功率的关系 (22.5 MBaud，编码率3/4)
　

 

灵敏度、选择性、互调和本地振盪信号的洩漏现象
图2是卫星接收机的灵敏度计算范例。
　

 

图2：DVB-S接收机的灵敏度计算 (27.5 Mbaud，编码率3/4)
　

 

除了解调器实作损耗外，调谐器噪音指数也会影响接收机的灵敏度。此外，总输入功率的变动范围也可能超过80 dB，这是因为许多设备都使用L频带通道 (可能包括UHF)，另外还有降雨衰减和缆线损耗等效应，它们对于射频输入范围的高频部份影响特别严重 (集肤效应)。

另一方面，卫星广播对于通道选择性 (selectivity) 的要求也比较宽松，这是因为同一位置的所有卫星转频器都会在接收机输入端产生大致相同的相邻通道输入功率，这与地面传输有很大不同。另外，接收机还须提供具备频宽设定能力的匹配滤波器 (matched filter) 以满足不同通道的不同符码率 (1到45 MBaud) 和信号频宽要求，这与地面广播或有线电视传输也有极大区别。低噪音放大器和混波器也要具备良好的线性操作能力 (IP2, IP3) 才能应付可能出现的高复合功率输入。

为了满足这些要求，卫星调谐器已开始採用零中频 (zero-IF) 直接转换架构。尤其在目标信号很弱而相邻通道信号又很强的系统中，零中频接收机更能提供所要求的选择性和镜像拒斥率，这是因为镜像通道实际上就是目标通道，而不是信号可能更强的相邻通道。然而这些优势在卫星广播系统中就没有那么明显，因为各个通道在接收机输入端的功率都非常相近。

零中频架构的本地振盪频率就是所欲接收的射频通道，所以本地振盪信号就有可能混入接收信号。这种本地振盪信号洩漏现象是零中频架构的主要缺点之一，它会导致降频混波后出现直流偏移，于是调谐器和解调器之间必须使用更大电容做为零中频类比I/Q讯号的交流耦合电容。

除此之外，由于本地振盪频率等于目标射频通道的中心频率，零中频接收机架构特别容易受到振盪器的近载波相位噪音 (close-in phase noise) 影响。CMOS的1/f杂讯特性使其近载波相位噪音会高于采用双极或硅锗制程的振盪器，所以CMOS制程很难用来实作直接转换卫星调谐器。

这两种效应都可透过本地振盪频率与目标频带相差约一个通道的低中频架构来避免。这种架构把射频信号转换成中频信号后会先将它数字化，然后由第二个数字混波器将它转换为基频信号。以Silicon Laboratories的设计为例，该公司已将低中频架构用于大频宽卫星调谐器，藉此把调谐器和解调器整合为单颗CMOS晶粒，而不是使用成本较高的SIP技术把BiCMOS晶粒的调谐器以及CMOS晶粒的解调器整合至单一封装。

LNB电源与控制
DVB-S系统接收机天线的低噪音 (LNB) 降频转换器需要射频前端提供的13V/18V可切换式直流电源和重叠于直流电源上的22kHz交流单频波串 (tone burst) 控制讯号。有些传统的离散式解决方案仅提供接收机到LNB週边的单向通讯，但OEM厂商仍希望LNB解决方案支援最新的DiSEqC™ 2.x双向通信协定。另外为顾及旧型週边的相容性，这些解决方案除了DiSEqC™相容讯息外，还应支援早期产品所需的单频／波串 (tone/burst) 以及单频／电压 (tone/voltage) 等讯号传送方式。

除了解调器应同时支援单向和双向LNB控制信号外，LNB电源供应稳压器也需要一颗专属元件。LNB电源稳压器不但要提供普通稳压器功能，还会包含可靠的故障保护机制以应付接收机启动或为增加交流LNB控制信号而安装额外电路时可能出现的电流过载或短路现象。

电源效率的重要性不断增加，这在包含多组LNB和多组调谐器的个人录影机等机上盒产品中尤其明显。OEM厂商因此倾向于使用由升压转换器构成的高效率、交换式电源供应解决方案，而不是传统的线性稳压架构。解调器供应商通常不会提供採用高电压制程的LNB电源供应元件，但它们却又需要与电源元件互动，这使得OEM厂商并须承受更大的系统整合风险，尤其是LNB电源供应电路和射频输入信号会使用同样线路，因此可能造成接收机效能下降。面对这些问题，最理想的做法是由一家厂商提供包含LNB电源稳压器和信号控制器等完整功能的射频前端解决方案。环境因素
接收机应将外部因素的影响减至最小。卫星接收机特别容易受到GSM或无线DECT电话的电磁信号干扰，因为这些装置使用的频带与卫星接收机非常接近；另外，麦克风等装置产生的机械振动也可能造成影响。OEM厂商评估不同解决方案时应注意压控振盪器储能电路和锁相迴路滤波器是否整合至调谐器元件，若解决方案仍需在设计中增加LC (压控振盪器储能元件) 或RC (迴路滤波器) 电路，就表示这些解决方案仅整合压控振盪器，而不是完整的锁相迴路。元件若未整合这些週边电路就比较容易受到外界影响，电磁干扰测试通常也表现不佳。

为将LNB所受的影响减至最少，调谐器厂商应明白列出接收机输入端的阻抗匹配电路规格，同时指定最恶劣条件下的传回损耗 (return loss) 或等效的VSWR规格。半导体厂商应在所建议的电路板佈局中提供输入电路范例。晶片整合度不断增加已让元件散热成为潜在问题。这类元件最好採用含有外露散热垫的散热加强型封装，因为焊接到接地面的外露散热垫可做为额外的电路连线。随着消费商品的环保标准日益严苛，元件应採用符合禁用物质防制法 (RoHS) 的无铅封装。
　加值功能
有人可能认为消费者并不关心本文提到的许多要求，但至少有两项功能会直接影响客户对于产品的使用感受。首先，机上盒制造商为让消费者瞭解接收机天线安装效果以及接收讯号强度，通常会根据通道解码器的错误更正数目来评估讯号品质并将结果显示给使用者。由于DVB-S採用不同的内部 (Viterbi) 和外部 (Reed-Solomon) FEC错误更正演算法，系统若想提供最精确的信号品质显示就必须从通道解码器的这两个组件读取已更正和未更正的错误数目。元件甚至还能提供PRBS等更多种测试模式协助OEM厂商利用实验室测试设备进行特性测试。

其次，通道设定过程应该越快越好。这对专门接收免付费频道的机上盒并不简单，因为这类产品出厂时并未包含许多DVB-S广播定义参数和通道参数；相形之下，普通机上盒则是为特定的付费电视服务所设计，因此所有必要参数都已储存其中。

完整的通道扫描必须涵盖超过1 GHz的频宽和两种偏极性射频信号。接收机在扫描通道和寻找DVB-S通道时必须处理各种符码率 (1-45 MBaud)、旋积编码率 (1/2,2/3,3/4,…)、频谱转换 (spectral inversion) 的可能性以及LNB混波器偏移可能造成的数个MHz射频信号偏移。

特别是东南亚和中东地区的广播业者会利用一种称为「单载波多通道」(Multiple Channels Per Carrier，MCPC) 的分频多工技术各自上行链结到同一个卫星转频器的不同通道 (共享式转频器)。此时所有上传MPEG-2传输流的位元速率都会减少，使得调变后的通道符码率下降。除非解调器配备硬件式盲目扫描 (blindscan) 加速器，否则接收器在面对这类符码率很低的通道时经常需要一小时以上的时间才能扫描频带范围内所有通道。晶片内建盲目扫描功能则可将这个过程缩短为数分钟。有些专门为免付费频道应用生产机上盒的厂商甚至认为解调器的盲目扫描功能比射频效能更重要！结语
在成熟的DVB-S市场上，许多厂商都已提供包含上述部份射频前端功能的元件。我们还特别介绍了最终设备制造商应列入考虑的许多系统层级问题、重要效能要求以及卫星广播应用独有的问题。这对工程资源有限或射频经验不足的套装射频模组OEM厂商是极为艰巨的工作，降低系统成本和缩小产品体积的压力更进一步迫使他们必须採用整合度更高的解决方案。因此选择高整合度的这套解决方案可以协助卫星前端系统设计人员克服他们所面临的许多系统问题。