一种新型低成本低功耗数字电视调谐器专用芯片及应用方案

摘要－本文在系统分析比较当前数字电视调谐器专用芯片及应用系统的基础上，首次提出了基于CMOS工艺的低成本低功耗单变频结构数字电视调谐器专用芯片及应用方案，该芯片集成了混频器、振荡器、频率综合器和中频可变增益放大器，提高了调谐器专用芯片的集成度，降低了单变频结构调谐器系统成本。本文提出的调谐器专用芯片已经过流片验证，测试结果较好。
关键词：数字电视调谐器、数字电视调谐器专用芯片

一、引言

---电视调谐器是电视接收终端中的重要器件，俗称高频头。普通电视调谐器是以模拟的方式完成接收放大、选通、变频、图声解调的过程，若其中有畸变和失真，会使接收的图像和伴音质量变差。数字电视将模拟电视信号改变为数字信号，进行压缩、传输、接收、处理、存储、记录和控制，数字电视接收终端首先要经数字电视调谐器进行高频放大、比较处理、信道解码和解调，再经数字电视接收机、机顶盒或PC数字视频卡进行信源解码等处理后还原原始图像和声音，若其中这一过程发生畸变就会造成误码出错，若超出调谐器可调控的范围，就无法接收到图像和伴音。因此，数字式调谐器不仅包含原来彩电的重要指标，在相位噪声、非线性指标及锁定时间等检测方法上差异也很大。模拟电视调谐器接收模拟电视信号时，将许多不同频率的高频电视信号变换成一个固定的中频输出，完成频谱的搬移。数字电视调谐器接收数字广播电视信号时，不仅要完成模拟调谐器所要完成的频谱搬移功能，而且还要完成解调和信道解码，作为数字电视接收机、机顶盒及PC数字视频卡的前端，数字电视调谐器采用数字器件，使其在生产过程中比模拟调谐器易于装配和调整，可靠性和稳定性也大幅度提高。因此，数字电视调谐器在技术和工艺上有许多不同于模拟电视调谐器的特点，其性能大大优于模拟电视调谐器。整个数字电视调谐器由两部分功能电路组成，如图1所示，前端的调谐电路，负责射频接收、变频、滤波以及自动增益控制等功能，该部分电路除了要实现信号接收的基本功能，还要处理好信号干扰问题，常见的如镜像信号干扰、

---临频道干扰等问题，模拟电视中干扰会带来多条图线，而数字电视中干扰严重时可直接导致信号的丢失;后端的解调电路，负责A/D转换、解调以及纠错解码等功能。

---随着微电子技术、超大规模集成电路设计技术、数字信号处理技术以及计算机技术等方面的实用技术突破，国际市场竞争的加剧，电视调谐器的制作越来越精良，性能越来越优异，并向集成化、小型化和高可靠性发展，从上个世纪70年代开始，分离器件构成的电路模块逐渐被相应专用集成电路所代替，并且随着集成电路设计技术的发展，电视调谐器专用芯片的集成度越来越高。本文所设计的新型数字电视调谐芯片及应用方案实现的是前端调谐电路的功能，后端解调电路采用其他解调专用芯片。

2 数字电视调谐器专用芯片及应用方案

---目前，数字电视调谐器可分为三大类：一类是单变频结构，直接把接收到的射频电视信号下变频到中频信号，单变频结构又分为两种结构：两波段(VHF和UHF)单变频结构和三波段(VHFL、VHFH和UHF)单变频结构;另一类是双变频结构，首先把接收到的射频电视信号上变频到某一固定频率，然后再降至中频信号;还有一类是最近推出的低中频结构。相应的调谐芯片也分为三大类：单变频数字电视调谐芯片、双变频数字电视调谐芯片和低中频数字电视调谐器芯片，我们按照芯片的集成度可以把数字电视调谐器划分为五类，下面分别详细介绍各种调谐器方案并分析各自优缺点。

---1）采用三个专用芯片的单变频结构调谐器。该调谐器包括混频振荡专用芯片（如飞利浦公司的TDA5737）、频率综合芯片（如Zarlink公司的SP5730）和中频可变增益放大器芯片（如Infineon公司的TUA6192），此方案在国内出现的最早，主要是从模拟调谐器演变过来的，但是此方案专用芯片多，分离器件也多，导致调谐器系统设计及调试变的困难。

---2）采用两个专用芯片的单变频结构调谐器。该调谐器在方案1）的基础上把混频振荡芯片和频率综合芯片集成在一起成为一个独立的专用芯片，使得调谐器系统变的相对简单，仅包括两个专用芯片，典型方案如Infineon公司的TUA6020和TUA6192芯片方案。

---3）采用单一芯片的单变频结构调谐器。由于单变频结构调谐器功耗相对较低，一般小于0.5W[1]，但是上两种方案分离器件均比较多，人工调试繁琐且稳定性较差，因此，美国Broadcom公司提出了集成所有单变频结构调谐器电路的专用芯片BCM3418，该芯片不但集成了混频器、振荡器、频率综合器，还集成了中频可变增益放大器和前置跟踪滤波器，大大简化了调谐器系统设计，但是该芯片成本非常高，相对于目前国内数字电视市场对调谐器成本的要求存在较大的差距。

---4）采用两个专用芯片的双变频结构调谐器。由于双变频结构调谐器自身性能的优点，如高镜像抑制、高本振信号谐波抑制、中频响应平坦等优点[2]，双变频结构调谐器越来越多，典型的有Broadcom公司的BCM3416和Microtune公司的MT2050等，该调谐器首先把整个射频电视信号上变频到固定中频信号，该中频信号称为第一中频信号，第一中频的频率高于所有射频电视信号，通常选在1～1.4GHz，使得射频信号的镜像频率落在了1GHz以上，因此调谐器前端的滤波器可较好的把镜像干扰信号滤除掉，使上变频过程中不存在镜像干扰问题。第一中频信号通过固定频率滤波器(通常采用声表面波滤波器SAW)进行频道选择，然后再通过具有镜像抑制功能的下变频器下变频到最终中频信号输出。双变频结构调谐器除了包含一个调谐芯片外，相配套的芯片还有高频可变增益放大器芯片，如BCM3416套片方案中的BCM3401，或是中频可变增益放大器芯片，如MT2050套片方案中的MT1230。该调谐器方案集成度高，近似实现免调试功能，但是由于双变频结构调谐器功耗较大，一般大于1.5W[1]，使得芯片封装必须具有散热装置，同时，调谐器系统要采用两个声表面波滤波器(SAW)，最终导致整个调谐器系统成本升高，相对于单变频结构调谐器而言，此调谐器虽然在性能上有所提高，但是其成本及功耗也远大于单变频结构调谐器。

---5）全芯片集成的低中频结构调谐器。该专用芯片采用低中频接收技术，直接把射频电视信号下变频到低中频，消除了上述几种方案中的声表面波滤波器，使得整个调谐器电路都可集成在一个芯片上，系统基本上不再需要分离元件，真正实现了免调试调谐器，大大简化了系统设计，典型芯片方案如Broadcom公司最新推出的BCM3419。

---本文提出了一种新型低成本低功耗的数字电视调谐器专用芯片，该芯片采用单变频结构，不但集成了混频器、振荡器和频率合成器，还集成了中频可变增益放大器，同时该芯片采用低成本CMOS工艺，可大大降低现有单变频结构芯片及系统的成本。

3 新型低成本低功耗数字电视调谐器专用芯片

---从上述分析可以得知，虽然双变频结构调谐器性能好、集成度高，但是调谐器芯片功耗大，系统成本高，一般多用于电缆调制器(Cable Modem)，相对于低成本要求的数字电视调谐器而言，双变频结构的专用芯片应用并不是十分广泛，特别是在我国的调谐器市场上，当前我国数字电视调谐器大多数采用单变频结构的调谐器，应用最为广泛的是Infineon公司推出的TUA6020和TUA6192芯片方案，该方案产品生产加工可以继承以往的模拟电视调谐器生产线，因此，国内大多数数字电视调谐器加工厂都采用此方案，如成都旭光、苏州胜利等。但是该方案最主要的缺点是调谐器必须采用两个专用芯片，系统设计相对复杂，因此，本文提出了一种新型的单变频结构数字电视调谐器专用芯片，该芯片在继承TUA6020芯片方案的基础上，首次采用CMOS工艺把两块芯片集成在一起，既可以简化系统设计，又可以降低系统成本。

---本文提出的数字电视调谐器专用芯片框图如下图所示，此芯片包括三个波段的混频器

图2新型低成本低功耗数字电视调谐器专用芯片框图

---(MIXER)和振荡器(OSCILATOR)，其中VHFL波段混频采用单端输入，VHFH和UHF波段混频器采用双端输入，三个波段的振荡器均只需要两个管脚，振荡器采用外部分离的LC振荡回路。混频器的中频输出信号在送至声表面波滤波器驱动电路(SAW DRIVER)的同时输出给芯片外部中频滤波器，通过此中频滤波器，可以抑制混频器产生的谐波干扰信号，提高调谐器的整体选择性。中频信号通过外置中频声表面波滤波器(SAW)再输入到芯片中的中频可变增益放大器(VGA)，实现中频可变增益放大，最终输出中频电视信号，送至解调电路进行信道解调解码。

---该专用芯片除了集成上述信号链路中的混频器、SAW驱动电路和中频可变增益放大器外，还集成了锁相环(PLL)电路：可编程分频器(PROG. DIVIDER)、鉴频鉴相器(PHASE/FREQ COMP)、电荷泵(CHARGE PUMP)、晶振驱动电路(XTAL OSCILLATOR)和参考分频器(REFERENCE DIVIDER)。整个芯片采用I2C接口实现通信，主要配置各电路模块的控制字以及进行波段选择，芯片中的三波段选择通过并口(PORTS)实现，并口信号在切换内部波段电路时，也输出给芯片外相应的波段电路，如前置放大器和跟踪滤波器等。

4 芯片测试结果

---该芯片已采用0.25μm CMOS工艺流片测试，由于调谐器芯片工作频带很宽，在此仅给出了几个典型测试结果。压控振荡器的振荡频率测试结果如图3所示，混频器中频输出频谱测试结果如图4所示，中频可变增益放大器测试结果如图5所示。

(a) 低波段振荡器

(b) 中波段振荡器(c) 高波段振荡器

图3 压控振荡器测试结果

(a) 低波段混频器(b) 中波段混频器(c) 高波段混频器

图4 混频器中频输出频谱测试结果

图5 中频可变增益放大器测试结果

---纵上所述，芯片模块典型性能测试结果可汇总成表一：

表一芯片模块典型性能测试结果

芯片还有一些性能正在测试分析中，在某些测试结果的基础上，我们已开始做进一步的优化设计，准备下一次的芯片流片工作。

5 芯片应用方案

该芯片采用三波段单变频接收技术，其应用方案如图6所示。射频电视信号进入到数字

图6 新型调谐器专用芯片应用方案

---电视调谐器中首先通过一个高通滤波器HPF，把上行信号滤除，在上下行都存在的调谐器中，HPF通常是一个分工器。高通滤波器后紧接着是三个波段的跟踪滤波器TF和高频可变增益放大器VGLNA，每个波段都有两级跟踪滤波器TF1和TF2，中间是VGLNA，为了使射频接收系统具有较低的噪声系数，通常高频可变增益放大器都工作在最高增益处，增益变换首先由中频可变增益放大器实现，当中频可变增益放大器增益变化范围无法满足接收要求时，才启动高频可变增益放大器。高频可变增益放大器和中频可变增益放大器的自动增益控制信号均来自调谐器后端的解调芯片。三个波段的跟踪滤波器和高频可变增益放大器是通过调谐芯片提供的波段选择信号PHIGH、PMID和PLOW进行切换的，三个波段选择信号一次只能有一个有效，当某一波段选择信号有效时，片外该波段的跟踪滤波器和高频放大器以及芯片内的混频器和压控振荡器均被选中，进行该波段电视信号的调谐接收。

---调谐芯片振荡器外接LC振荡回路，调谐振荡回路由电感和变容管构成，变容管的调谐电压与跟踪滤波器的调谐电压采用同一个信号，都是由芯片内PLL的电荷泵和低通滤波器产生，这样可以保证每一个调谐电压VT对应一个射频电视信号，通过I2C配置芯片内PLL的分频比，可以获得不同的调谐电压VT，从而实现电视频道选择。

---芯片混频器的输出可外接一中频滤波器，这样可以滤除混频器产生的干扰信号，提高调谐器系统的选择性。经过SAW驱动电路的中频信号必须接一个SAW滤波器，然后再进入到芯片内输入给中频可变增益放大器，最后输出峰峰值稳定的中频电视信号，送至解调芯片进行模数转换及信道解调等。

---本文提出的新型数字电视调谐器专用芯片应用方案的主要优点有：1）系统成本比当前主流调谐器方案低;2）芯片集成度比当前主流芯片高;3）芯片功耗与当前主流芯片相当，比双变频芯片低;4）系统设计比当前主流调谐器系统设计简单，但关键分离电路设计相近，便于调谐器生产厂家加工生产;因此，基于本文提出的新型调谐器专用芯片的数字电视调谐器更具有竞争优势，更符合国内的调谐器市场需求。

6 结论

---本文首先根据数字电视调谐器专用芯片的集成度把数字电视调谐器方案划分为五大类，系统分析了当前数字电视调谐器专用芯片及应用系统的优缺点，从中我们亦可以总结出数字电视调谐器的发展趋势，就是最终实现单一芯片免调试的调谐器，随着集成电路设计技术的发展，数字电视调谐器不但可以把前端的调谐电路集成在单一芯片上，也可以把前端调谐电路和后端解调电路集成在单一芯片上，最终实现整个数字电视调谐器的SoC (System-on-Chip，片上系统)。随后本文提出了一种新型低成本低功耗的数字电视调谐器专用芯片，该芯片集成了混频器、振荡器、频率综合器和中频可变增益放大器，把由两个芯片构成的当前主流数字电视调谐器变为由单一芯片构成的新型数字电视调谐器，调谐器系统成本降低，同时，新型数字电视调谐器的系统设计变的简单化且与当前主流系统设计相近，国内数字电视调谐器生产厂家无需太大的改动就可以进行过渡生产，因此，本文提出的新型数字电视调谐器专用芯片及应用方案很适合国内的调谐器市场需求且具有较大的竞争优势。

参考文献

[1] Sanggyu Sim, Ralph Kuhn, Bernd Pflaum, et al. A Three-Band-Tuner for Digital Terrestrial and Multistandard Reception. IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol.48, no.3, pp.709-717, Aug. 2002.