提高调谐器性能的有线电视机顶盒最新技术方案

        对目前的有线电视服务产品来说，要传输多媒体内容，就要求STB配备一个以上的调谐器。随着有线电视(CATV)运营商将业务扩张到视频点播(VOD)、按流量付费以及提供数字内容等领域，CATV机顶盒(STB)正在经历戏剧性的发展。除了提供模拟视频图像接收功能之外，常见的STB现在都支持多种功能，包括个人视频录像(PVR)/数字视频录像(DVR)、画中画、宽带VOD、电话、数字视频和高分辨率(HDTV)内容。

        目前有线电视业务所提供的多媒体类型要求STB配备一种以上的调谐器。根据InStat的研究，2005年38%的STB都提供PVR/DVR功能，这意味着目前交付使用的许多STB具有多个调谐器，典型的情况是包含1或2个模拟视频调谐器和如图1方块图中所示的数字数据调谐器。基本上，调谐器制造商都从这种日益增长的需求中获益，但是，过时的技术却承受不了所担负的工作。实际上，新的市场正迫使人们改进调谐器的性能规范，要求设计工程师重新设计电路板，以利用新的方法和先进的工艺技术开发高度集成的调谐器。最后，OEM和子系统制造商不应该对所有调谐器都同等对待，而应该仔细选择适合应用需要的调谐器和相关的参考设计。


图1：包含用于接收模拟和数字内容的多个调谐器的STB

将更多内容封装到有线电视频谱之中

        跟以往任何时候相比，有线电视提供商在追逐成为三重业务(语音、数据和视频)市场领导者的过程中，向频谱中包装的服务越来越多(图2)。传统的调谐器工作在50到860MHz的频段，但是，人们正计划把一些CATV系统扩展到1GHz。因此，调谐器现在需要具有空前的性能，特别是在线性度、动态范围和噪声等方面。但是，并非仅此而已，因为OEM增加了STB的功能，他们需要更简单、更小的设计以提高制造的效率并提供高可靠性的产品。这个责任就落在了调谐器制造商的肩上，他们要提供最佳的技术、设计和集成度以满足OEM的需求。 

 
图2：电视频谱要求调谐器具备通道选择性和线性度以产生鲜艳清晰的视频图像

集成：从芯片组到单一封装

        就在几年以前，最佳的调谐器产品都是采用双转换调谐器芯片组，这些上行转换器和下行转换器的芯片组合提供了低成本、低失真和一体化的合成器。每一颗芯片的面积为6mm×10mm，在业内这种封装已经沿用多年，付运量达到了几亿只。最近调谐器制造商对这些设计作出了很大改进，单一封装的占位空间比老式芯片组中任意一种芯片的占位空间都要小。典型的单封装调谐器面积为8mm×8mm，但是，有些要小到6mm×6mm。如图3的例子所示，这些器件在单一封装中组合了上/下行转换和频率合成器，并结合了过去采用的片外功能，如调谐变容器和增益控制。

        在选择调谐器的过程中，关键差异是调谐功能的集成度和设计复杂性。OEM需要掌握整个物料清单(BOM)，因为调谐器随集成度和制造方便性而变化，需要配合额外的片外电路。例如，采用单端RF输入的调谐器就不需要采用昂贵的片外宽带不平衡变压器。在选择调谐器之前，OEM应该提出此类问题：需要RF输入滤波器吗？是否在IF放大器之后集成了下行转换器？是否配备片上RF和IF增益控制，并足以取消外部增益控制电路？采用这种调谐器之后，我的整个BOM的成本将是多少？

基本调谐器要求

        对于目前的CATV调谐器来说，最基本的要求是具有良好的通道选择性、优良的信号完整性和简朴的设计。它们还要支持行业标准，如OpenCable 和DOCSIS，以满足即将开拓的市场的需求。此外，它们要经济有效地处理模拟和数字视频、数字数据以及在一些情况下的电缆电话。目前，随着越来越多的消费者在接收内容之后，对其进行编辑并存储在硬盘中供将来浏览，因而驱动着对多种调谐器DVR/PVR STB的需求。为了实现这些功能，STB必须结合多种模拟和数字调谐器以及分支器，该分支器能够在最大限度地保持信号完整性的前提下把信号分配出去。由于STB的设计包含多种功能，节省空间就是至关重要的；高集成度的单芯片调谐器比分立或多芯片前端方案更有吸引力。

        对PVR/DVR STB需求的增长，不仅仅对调谐器设计提出了挑战，而且，要以尽可能小的噪声和失真为每一个调谐器提供信号。人们也希望不仅仅把RF输入分配到几个RF输出以馈入每一个调谐器，而且，要给这些路径增加独立的增益控制，这就减少或消除了在调谐器中调整输入所面临的困难。因此，重要的是具备优异噪声系数和线性度的STB前端RF分支器，以确保信号的恶化最小。今天，市场上有几种产品能带来所有这些好处，ANADIGICS公司提供的紧凑型单一封装有源分支器就是其中最为著名的一种，它不仅仅提供行业领先的噪声系数和线性度，而且具有独立于每一个调谐器路径的宽动态范围的增益控制。[page]

性能的尺度：线性度和失真

        调谐器的线性度影响信号完整性和图像质量。目前，大多CATV调谐器都采用双转换调谐器，因为它们具有抑制干扰通道和减少互调失真的固有能力，对在拥挤的有线电视频谱中实现高品质图像是至关重要的；它们还比较小，比较便于制造，相比之下，传统的单转换调谐器要采用需要在制造过程中手工调节的跟踪滤波器。

        数字数据调谐对线性度的要求不如模拟调谐器严格，因此，数据调谐器能采用单变换架构并实现可接受的性能。对数字视频调谐的要求就跟对模拟视频调谐的要求一样苛刻，所以，双变换调谐器仍然是实现高线性度和低失真的架构选择。线性度的主要度量指标是截取点，输出截取点(OIP)是失真信号成分的输出功率电平等于有用信号功率电平的频点，输入截取点(IIP)等于输出截取点减去器件的增益(图3)。 

 
图3：集成调谐器把完整的功能封装到单一模块之中

        失真成分直接受到输入功率的影响。例如，当输入功率增加1dB的时候，二阶失真(IMD2)成分就增加2dB，三阶失真成分(IMD3)就增加3dB。IMD2成分是两个音调的相互作用引起的(或者是单音的倍频，即二次谐波)。在有线电视应用中，二阶失真通常按照复合二阶(CSO)失真性能来分析，CSO是通过累加给定被测通道的多个二阶失真而得到的。良好的调谐器将提供优于-60 dBc的典型CSO值。

        IMD3成分是三个音调(三拍)之间或一个音调的二次谐波与另一个音调之间的相互作用引起的。复合三拍(CTB)性能是通过累加给定被测通道的多个IMD3成分获得的。典型情况下，模拟视频调谐器的CTB要优于-63 dBc。

        为了获得所需要的线性度，一些调谐器需要外部滤波器元件来保持低的CSO和CTB。外部元件除了增加BOM之外，还会使噪声系数恶化。对于新兴的标准来说，如利用现有电缆布线在整个房屋中分布PVR/DVR和三重业务的MoCA标准(基于同轴电缆的多媒体联盟标准)，噪声将成为一个较大的影响因素。在1GHz以上频段，MoCA在现有有线电视系统的正反路径上增加了第三条路径。双工器将由三工器所取代，输入信号在此将被损耗1dB。在这样的条件下，在调谐器中维持低的噪声系数甚至就变得越来越重要。 
 

图4：受到谐波失真成分影响的线性度

噪声

        在模拟电视系统中，人们能够容忍适度的干扰，例如，许多人就见过模拟电视中边沿模糊的鬼影。在数字电视系统中，由于解调器不能解调出淹没在噪声中的信号，所以，当接收信号受到一定程度干扰的时候，就会导致屏幕一片空白。对于这样的应用，要求调谐器具备最小化噪声的能力就极为重要。值得注意的两种噪声源分别是相位噪声和噪声系数。

        相位噪声是用于对振荡器性能进行分类的参数。时域中的随机波动(抖动)表现为频域中的相位噪声。在数字系统中，相位噪声的性能很重要，因为它能限制每一个信号的相位分辨率(或可辩识的位数)。集成调谐器的设计工程师通常采用更好的片上振荡器和锁相环合成器设计来解决这个问题。

        噪声系数影响调谐器检测和接收弱信号的能力，调谐器的总噪声系数受到个电路模块的性能及这些模块在信号路径上的组成方式这两个方面的影响。调谐器制造商通过在他们的每一个调谐器产品中改善这一参数，持续寻求把叠加在信号链上的噪声降低到最小的方法。

动态范围

        动态范围是度量调谐器处理强弱两种信号的能力的参数。要获得良好的动态范围，调谐器就需要在宽的输入功率范围内，同时提供合适的线性度和噪声性能的组合。通过利用位于调谐器前端的RF放大器和位于频率变换之后的IF放大器，可以调节调谐器的信号增益。对这两个增益级进行独立调节的方式，决定整个系统的噪声系数和线性度。

        幸运的是，尽管每家每户之间的有线电视信号功率绝对值千差万别，但是，有线电视系统在整个系统带宽内通常提供相对一致的功率级。因此，为STB选择的调谐器必须具备宽动态范围以适应不同的业务条件。良好的模拟和数字调谐器提供80dB或更大的增益控制范围，以支持这些业务条件对动态范围的要求。

        在探索出众性能的过程中，一些调谐器制造商已经开发和应用了专用的工艺。例如，在ANADIGICS公司开发的InGaP-Plus工艺技术中，在同一InGaP GaAs裸片上集成了异质结双极型(HBT)和场效应三极管(FET)结构，以利用这两种工艺技术的优势。这种独创的BiFET工艺表现出高功率密度、高效率、低噪声和优越的线性度，并可以通过单电源供电。在调谐器封装中集成了用于控制的CMOS电路和其它利用硅工艺的功能，InGaP-Plus技术为满足目前调谐器设计的需求提供了最佳的性能。

        尽管STB OEM面临下一代多媒体机顶盒设计及扩展频谱所带来的挑战，通过上述介绍的新技术，他们能满怀信心、多快好省地完成任务。他们只要仔细地选择调谐器合作伙伴，控制整个产品的成本，就能够提供满足其客户需要的先进性能的产品。