采用硅电视调谐器的设计要点

在过去几年中，硅调谐器市场有了长足的发展。目前，这类调谐器已经主导了卫星电视和手持设备市场，在机顶盒中也非常普及，而且还得到了消费类电视机的青睐。由于硅调谐器能够提供优于传统罐头盒式调谐器(如此叫的原因在于元器件都安装在一个金属密封盒内)的诸多优点，其市场接受度正在迅速提高。这些优点包括体积小、软件可编程、灵活、易于制造、热性能好、性能高和成本低。

硅调谐器的最早商用是在卫星电视市场。所有的卫星电视接收都要通过一个机顶盒。机顶盒的体积限制有利于硅调谐器的应用，因为这种调谐器具有很小的外形。

卫星电视标准和广播环境也非常适合硅调谐器的初期应用。卫星系统的频率范围只有一个倍频程(950到2,150 MHz)，系统不需要处理地面电视和有线电视必须处理的模拟干扰。卫星系统的调制方案(QPSK和8-PSK)的技术难度也比许多地面电视和有线电视系统要低。

所有这些因素加起来使得卫星电视机顶盒制造商能够充分发挥硅调谐器的小体积、低功耗、低成本的优势。

地面电视和有线电视接收

其他环境，如地面和有线电视，要比卫星接收面临更多的挑战。例如，频率范围覆盖四个倍频程，从42到86?MHz，而且地面电视还需要更高的动态范围。宽频带范围为滤波、本振(LO)频率产生和前端低噪声放大器(LNA)带来了很大的设计难度。另外，模拟频道接收也为过去的硅调谐器带来很大的挑战。

为了满足这些环境，前端LNA需要工作在一个较宽的频率范围内。这个宽范围意味着LNA的噪声系数、失真和增益都必须满足42MHz、86?MHz以及之间的所有频率点的指标要求。这对集成电路来说难度不小。在其他窄带射频系统中，LNA经过优化可以完全满足感兴趣的较窄频率范围内的指标。这种优化的LNA在其他频段上很少能正常工作。而硅电视调谐器无法有此奢望。

图1：比美元的一角硬币还小的硅调谐器。这种调谐器的尺寸比所替代的分立式CAN调谐器要小得多。

射频滤波和本振产生

与绝大多数射频接收机一样，调谐器必须滤除来自有害频道的能量。如果不这样，后续的电路就必须具有极好的线性。在地面电视和有线电视调谐器中，有害信号的滤波是一项艰巨的任务。在窄带系统中，这种滤波通常在固定频率上实现。设计一个固定频率滤波器，无论是片上还是片外，都要比设计一个可以随时修改调谐频率的滤波器要容易得多。

有好几种调谐器架构采用固定频率的滤波技术，不过通常用的都是昂贵的片外声表面波(SAW)滤波器。采用这些SAW滤波器将大大增加系统的材料成本，而且还增加了实现调谐器所需的PCB面积。调谐器的架构一直在改进，如今内置的前端滤波器可以跟踪调谐后的频道，因此极大地减少了外部材料成本和所需的PCB面积。

在如此宽的频率范围上产生本振也有其自身特有的困难。如果一个电压控制振荡器(VCO)能够在整个范围内实现调谐，它将非常容易受噪声的影响。如果盲目地创建一组VCO，将使调谐器增加许多硅片面积(及因此而产生的成本)。现在有一种新电路被设计出来，它能够以高性价比的方式来克服这种调谐范围问题。

动态范围

动态范围是地面(即空气传播)系统中存在的问题。由于广播站距离接收机的距离是不定的，故每个频道的接收功率电平变化范围都很宽。

更糟糕的是，相邻频道的输入功率有很大的差异。这意味着，调谐器必须既能接收很低的功率信号，又能处理很大的功率干扰(即有害频道的信号)，这些干扰非常靠近到达射频前端滤波器的有用信号频率。

模拟电视标准(NTSC,、PAL和SECAM)对以前的硅调谐器来说也有一定的技术难度。主要原因是，在模拟系统中，任何干扰都可以在屏幕上看得到。在模拟系统中没有数字编码和纠错机制。注入到射频前端的干扰信号可能造成屏幕上出现线条干扰。前端放大器中的AM到PM转换会导致颜色过亮而显示成错误的色彩，或者导致跨亮度(彩色信号被转换为亮度)问题。

过去，用来处理模拟电视信号的硅调谐器特别昂贵。如今硅调谐器已经得以长足发展，经过优化的硅调谐器已经可以解决这些系统问题。目前的设计已经能够充分利用硅调谐器带来的好处。

图2：CAN调谐器与硅调谐器尺寸的并列比较。

体积和CMOS

硅调谐器具有诸多极具竞争力的优点，这些优点使得他们成为极具吸引力的罐状(CAN)调谐器替代品。硅调谐器的外形尺寸比CAN调谐器小得多。在一个CAN调谐器的占用面积中可以安装多达三个硅调谐器。这个优点在边看边录的数字视频录像机(DVR)和画中画(PIP)设备等多调谐器应用场合非常有用。

机顶盒的外形尺寸也经常受到CAN调谐器的限制。如果一个机顶盒内需要采用2个或更多的调谐器，由于CAN调谐器的因素，体积将增加很多。当你注意到最新的机顶盒比以前小很多的时候，那么新机顶盒就有可能用的是硅调谐器。

平板电视的空间也很有限。老式的CRT电视或背投电视有充足的空间安装CAN调谐器，而平板电视有外形限制，因此非常希望采用小型的硅调谐器。

成本是硅调谐器的长期优势。过去，硅调谐器的成本要与分立的CAN调谐器竞争比较困难。分立型CAN调谐器的批量生产已经有很长时间了。研发成本已经分摊到多年的批量生产中。而其制造成本还在逐年下降，目前已经接近曲线的最低点。不过分立型CAN调谐器的制造商仍然需要负担的是来自手工调试每个部件之类的成本。

硅调谐器的每次更新换代都伴随着成本的显著降低。硅调谐器的成本可以受益于制造工艺成本的降低。第一代硅调谐器采用较昂贵的工艺(如SiGe工艺)来解决上述技术难题。随着时间的推移，这些工艺的成本在不断降低。后面几代调谐器用的工艺成本是越来越低。

新一代硅调谐器将采用标准的CMOS工艺来开发。向CMOS工艺的转移使得将调谐器集成到解调器或SoC中成为可能。这将大大降低系统成本。

可编程性和稳定性

硅调谐器还有可编程性的优点。这意味着一个调谐器可以通过编程来适合不同的标准。例如，可以将一个用于DVB-T接收标准的前端设计复用到ATSC或DVB-C接收标准的设计中。DVB-T系统可能采用的中频(IF)为36MHz，频道带宽为8MHz。

采用相同的前端硬件设计但编程不同的硅调谐器可以用于通道带宽为6MHz而中频频率为44MHz的ATSC系统。同样的前端硬件还可以用于DVB-C或OpenCable，只需加载不同的软件。也许有不少人会说，使用相同外形尺寸的不同CAN调谐器也可以适应不同的标准，但如果使用相同的硅调谐器，就无需再为跟踪彼此不同的元器件库存清单而苦恼了。

另外，硅调谐器还具有超越分立CAN调谐器的性能优势。其热稳定性远高于CAN。CAN调谐器的性能在整个温度范围内变化很大。而硅IC在温度范围内的性能是众所周知的，几乎所有的温度变异都能够通过设计解决。硅调谐器的其他几个性能参数也比较好，例如，Entropic Communication公司研发的RF4000的相邻频道抑制度就比传统的CAN调谐器要高得多。

本文小结

硅调谐器能够成功地适应困难的宽带环境。随着今后集成度的不断提高，它们可以提供空间节省、灵活、性能增强和成本降低等明显优势。

作者：Sandor Szabo

Entropic Communications公司