用IC调谐器实现高性能家用网关

家用室外网关是实现家庭网络的重要设备，而家用室外网关的恶劣工作环境要求网关具有更高的性能和可靠性。而调谐器(tuner)是影响家用网关性能的重要部件，影响调谐器性能的因素有环境温度变化、噪声信号和增益抖动等，采用集成IC调谐器可以有效解决这些问题。

电缆多服务运营商(MSO)可以向用户提供有线电话和住宅网关服务。由于MSO降低了运营成本并减少平均维修时间，从而方便用户设备的安装和维护，这极大地刺激了家用室外网关的发展。

通过提供家用室外网关设备，MSO的有线电话服务几乎与本地电信局所提供的服务没有多少差别。而且对用户而言，使用MSO的服务可以不用考虑将铜线换成电缆，减少了线路设备的变换。用户采用家用室外网关设备对服务提供商也有好处，因为这样MSO可以向用户收取上门维护费用。

图1显示了室外家用网关所能提供的功能，家用网关最简单的用法是作为用户家庭网络的主分配集线器。在网络端，家用网关可以提供很大的带宽，实现诸如因特网、电话以及视频点播等业务。然后，采用开放式分配标准，如802.11a/b、蓝牙、HomePlug、 HomePNA和CableHome，在家用设备间进行分配。除此以外，家用网关还能用作分路器，使电缆可以直接连到电缆调制解调器或机顶盒上去，而调制解调器或机顶盒都有自己的调谐器。

图2给出了一个家用网关的框图，从图中可以看出，家用网关主要由访问电缆网络的上下行通道、数字基带处理IC和支持室内宽带数据分配的接口组成。家用网关中的数字部分和RF部分正在向高集成度的IC方向发展。

家用网关调谐器

对MSO来说，室外家用网关的需求增加是一件好事，但这对设备生产商和供应商提出了很具体的设计要求。在整个家用网关中，下行通路最重要，主要是指调谐器。因此，可以说调谐器就是整个家用网关的眼和耳，其性能至关重要。

由于带宽需求不断增长，调制方案在密度和复杂度上都不断增大，因此产生噪声的可能性也增大，这就给调谐器的设计带来了一定的困难。温度变化、自然环境影响以及一些使用电缆的设备都会将噪声引入电缆网络。像电缆调制解调器、机顶盒和家用网关这类设备，如果隔离不好(这时返回信号峰值较大)或上行通路性能不佳(这时会在接收信号频带内出现谐波，从而大大增加电缆线路中的噪声电平)都会产生噪声。因此，为了使家用网关在-40℃到85℃的温度范围内都能保持较高的数据带宽，设计工程师必须提高调谐器的抗噪声性能。

图3给出了二次变频电缆调谐器的具体框图，这种调谐器一般用于家用网关的下行通路中。采用二次变频结构可以不用跟踪滤波器来提供必要的射频前端镜像抑制。大多数采用二次变频结构的设计在高频端比较相似，都是先让电缆信号通过一个RF低噪声放大器(LNA)。

LNA的主要功能是将输入信号放大到期望的电平，而同时不影响载噪比。在电缆调谐器应用中，LNA不但必须具有低噪声的特点，还应有很高的线性度和很宽的工作频带。具体来说，它必须能够处理在47MHz到870MHz范围内，多达135个强度为15dBmV的有扰RF信道。

在LNA之后，紧跟着是第一中频(IF)混频器。它的主要功能是将RF输入信号变到一个固定的IF频率上，以便通过随后的滤波进行信道选择。第一IF混频器必须具有很高的线性度才能很好地处理RF LNA放大后的输出信号。在电缆调谐器中，线性度定义为复合三次差拍(CTB)和复合二次差拍(CSO)。CTB指所有落在某信道内的三次互调干扰的功率和，而CSO指所有落在该信道内的二次互调干扰的功率和。

从第一IF混频器出来后，信号又被二次混频器下变频到最终需要的IF频率上，其输出经第二IF SAW滤波器滤波，该滤波器的通带宽度通常只有一个信道宽度。最后，还需要一个带自动增益控制(AGC)功能的IF放大器来为系统提供一定的增益，并保证送入基带处理器的信号处于正确的电平。

IC调谐器解决方案

传统的调谐器由300多个分离元件合并入一个金属封装内组成，也相当于一个射频模块，这种调谐器只能内部开发或由OEM商提供。但不论是哪种情况，这种采用大量分离元件得到的设计都不可避免地具有一些缺点。

因此，很多IC生产厂商投入精力解决将调谐器集成到IC上的问题。他们生产的调谐器将元件数量降低到包括调谐器IC在内不超过50个，而过去在300个以上。图3中的虚线部分为一般调谐器中所存在的元件，不同的厂商按不同的组合方式对这些元件进行集成。

集成调谐器除了能够解决上面谈到的元件数量引起的诸多问题以外，还有一些其它优点：它为接收机中的主要部分提供了一种固定的设计方案，缩短了设计周期，并且这种方案已经通过了测试；此外，只要IC调谐器有足够的集成度，就不再需要对元件进行人工调试，这样减少了校准和测试所需的时间。

另外，采用集成调谐器还能降低原材料成本，进而降低生产成本。由于RF LNA 和IF AMP/AGC成本较高，将这部分集成到IC调谐器中将进一步降低成本。此外，采用集成调谐器，生产商还有望降低库存成本。

如今，RF模块生产商和家用网关生产商都开始使用集成调谐器。采用集成IC调谐器可以进一步降低成本，并提高产品性能。

增强型IC调谐器

引入IC调谐器为家用室外网关的设计带来一些潜在的优势。IC调谐器在电缆调制解调器和机顶盒之类的室内应用的一些设计困难，在家用室外网关中同样存在，同时，由于提供电缆电话功能以及各种环境因素，IC调谐器在家用室外网关应用中将面临更多的设计挑战。

通常，要找到在特定温度条件下能正常工作的元件并不困难，但真正困难的是如何设计出能在很大的温度范围内都能保持优良性能并且性能稳定的产品。

供电问题

如果在已有的用户基础上提供电视、因特网和电话等业务，那么电缆运营商每年创造的收入将更为可观。电话业务是一项重要的业务，但MSO要想提供电话业务会遇到供电的问题。因为要提供电话业务，家用网关必须能让用户在停电时也能打电话和接电话。

要达到这个目标必须由一块本地电池供电，或者通过电缆供电(即远程供电)，而一般倾向于使用电缆远程供电。对于运营商而言，采用低功耗设备很重要，因为这样可以降低其远程供电或本地电池供电的成本。在不增加供电基础设施的投资条件下，采用这些节能设备使运营商还能为更多的用户提供服务。

此外，采用低功耗元件还简化散热设计问题。否则，如果某个单元的功耗太大，网关就可能无法及时将内部产生的热能散掉，使环境温度增加，降低网络接口设备(NIU)的性能，并可能产生潜在的可靠性问题。

在整个家用网关的功耗中，调谐器的功耗占了很大一部分，因此降低调谐器的功耗十分关键。IC调谐器功耗在1W到3W之间，CMOS工艺的IC调谐器通常工作在这个范围的高端，而采用SiGe工艺则可以工作在更高的频率下，而功耗更低。随着移动电话和无线通信产业的发展，将进一步推动芯片的低功率趋势，生产商必须顺应这种趋势开发出低功率的调谐器。

调谐器集成的另一个好处是使关机模式更易实现，这进一步降低了功耗。这一功能被整合到了芯片的数字逻辑部分，数字逻辑通过串行接口控制基带处理器。而基带处理器通常能控制芯片中所有的子功能模块，于是整个系统的功耗和性能都可以得到优化。这种关机功能更常用于专用方案中，因为DOCSIS标准的协议中并没有充分支持关机功能。

在决定了使用集成IC调谐器之后，应采用哪种工艺技术来生产芯片呢？市场上已有的IC调谐器中，只有很少的一部分能在恶劣的室外环境中工作，这在很大程度上是由所选的IC制造工艺和调谐器模块内元件的集成度决定。在这些已有的IC调谐器中，那些采用CMOS工艺的芯片只能在0℃到70℃的温度下工作，因而只能用于室内环境。

这种工作温度的限制使IC调谐器的制造面临挑战，即如何能不用BiCMOS技术而达到设计极限，拓宽设备可工作的温度范围。基于BiCMOS的纯硅IC具有比BiCMOS IC更好的设计富余度，但通常比SiGe BiCMOS这样最先进的技术落后一到两代。

另外，基于SiGe的异质结(heterojunction)技术将提高产品的一些重要性能，如线性度、温度稳定性和增益带宽。还有一些工艺，如硅绝缘体技术(SoI)和GaAs也能在所要求的温度范围下工作，但采用这些技术的IC通常在该范围的高端性能不佳。

芯片制造中工艺也决定了芯片内部的集成度水平。像GaAs这类工艺技术很难集成IF放大器/AGC和必要的数字控制电路。因而大部分IC调谐器生产商在其制造的芯片中要么没有集成RF LNA，要么没有集成IF放大器，这些元件必须单独安装，增加了成本和整个设备的板面空间。

噪声特性和增益

在调谐器的性能中，噪声特性非常关键，因为如果噪声特性不好或处于可以使用的临界噪声特性上，那么信噪比(SNR)会受到严重影响，从而严重影响整个家用网关的误码率(BER)，而误码率若过高将降低NIU的数据吞吐量。但由于误码率性能具有指数特性，所以即使噪声特性只有很小的改善，整个网关的数据吞吐量都会有很大提高。

在恶劣的环境下，调谐器的噪声性能尤其重要，因为噪声特性与绝对温度有直接的关系。如果一个调谐器的噪声特性较差，那么在其可工作温度范围的高端性能将会明显降低。硅异质结技术(如SiGe)可以在不损害增益带宽的前提下降低晶体管的基极阻抗，而基极阻抗正是晶体管噪声的一个主要来源。因而将SiGe BiCMOS工艺制造的元件用于IC调谐器中，可以改善其噪声特性。

DOCSIS标准规定在电缆系统中采用正交幅度调制(QAM)，以不同的载波相位对信息进行编码。因此，调谐器的噪声性能在很大程度上决定了所使用的调制方案的最大密度和复杂度，从而决定了整个NIU所能支持的最大数据率。对用户来说，支持256QAM调制方案的家用网关能达到36Mbps的数据率，而64QAM调制方案只能达到27Mbps的数据率。这种数据率的差别是用户很关注的指标。

因此，用作网关滤波器的SAW滤波器必须具有很小的带内纹波、很低的增益抖动以及很小的群延时变化，这样，调谐器才能采用256QAM这类频谱效率很高的调制方案。否则，带内纹波、增益抖动或群延时变化等都会导致误码。当设备工作的环境温度范围达到－40℃到＋85℃时，增益抖动和群延时变化就会变得更难控制。这时，选用温度系数较低的SAW可以减小这种由温度引起的性能变化。

在调谐器中，增益随温度的变化主要由三个原因造成：集成有源电路的增益变化；外部SAW滤波器的增益变化；由温度变化造成的集成有源电路和外部SAW滤波器间的匹配情况改变，从而引发的增益变化。

对于第一种情况，由有效电路引起的增益变化，可以通过温度补偿技术来改善。而由于温度补偿IC上元件间的参数匹配更好，因实现温度补偿比过去的分离元件更容易实现。

对于第二种情况，由SAW滤波器引起的增益抖动，可以通过采用温度系数较低的SAW滤波器基底来改善。

对于最后一种情况，可以通过设计，使有效电路的阻抗与SAW滤波器阻抗随温度成比例变化，从而使抖动情况得到改善，但这种抖动不能彻底消除。

总之，加强型IC调谐器在家用室外网关市场上的出现，为设备生产商带来更多利益，不仅降低了功耗、缩短设计周期、减小开发风险，而且提高了运行性能并可以简化供应链管理。

作者：Sergei Nesterenko

应用工程经理

SiGe Semiconductor公司