硅电视调谐器：游戏开始

     硅调谐器IC在卫星与有线机顶盒的应用已有近十年历史。现在，由于它们具有高性能、简单、宽频率覆盖、紧凑和通用的特点，正在进入手机、机顶盒、服务网关、汽车、PC甚至电视中。此外，它们不需要SAW（声表面波）滤波器，几乎没什么支持性元件，因此，相比前一代汽车调谐器，它们更可靠，成本更低。一旦电视制造商获得了有关RF（射频）PCB（印刷电路板）布局的知识，可以预期，硅调谐器会淘汰它们前身那种小铁盒式调谐器（图1）。

　　备受尊敬的铁盒调谐器（得名于电视制造商将混频振荡器/PLL（锁相环）及相关元件封装在一个大金属盒内）中还包括了解调芯片，用于将调谐器的RF信号转换为基带模拟电视信号，或一个HD（高清晰）格式的数码流（图2）。屏蔽金属壳可以包含防止外部电视信号干扰到内部的电路，并且避免内部时钟和高频信号污染电视中的信号。虽然铁盒调谐器又大又笨重，但它的优点是有庞大的制造基础，成本低。不过，它们要求设计者针对不同地区和电视调制格式，使用不同的SAW滤波器频率。另外，它们还需要专门的工厂和劳动力，手工地调整空心线圈。与之相比，有些制造商使用了直接安装在主板上的硅调谐器，不必将它们置于铁盒内。由于尺寸小，硅调谐器电路对干扰不敏感，无需在芯片周围作屏蔽。

　　Maxim Integrated Products公司的RF产品总监William Chu指出，铁盒调谐器成本的降低已达极限，硅调谐器可以提供高达1GHz的频率。电视市场是这些调谐器的领地。开发这些芯片的IC公司认为，有线电视频道都有类似的信号强度，因此调谐一个台要比强度大范围变化的广播电视信号更容易。这个工作还取决于发射机的距离以及发射机的功率。卫星与有线信号采用数字调制，也便于调谐。工程师们还创建了数字调制标准，保证了信号比模拟电视更容易调谐和解调。

　　模拟电视的困境

　　模拟电视台在边界上有更高的能量（图3）。在其带宽的低端部分，同步载波能量将图像光栅锁定在屏幕的左侧。音频子载波的带宽是在屏幕的右侧。这种方案能防止模拟电视出现“突变效应”（参考文献1）。模拟台在弱信号区并不损失整体图像与声音，而是画面上会出现“雪花”噪点。较高的同步与音频信号能量意味着仍然可以看到视频和听到声音。

　　尽管模拟信号中的能量分布有利于接收，但难于在调谐器中防止邻道的互相干扰。带宽边界的较大功率能够轻易地渗透到相邻的频道里。各种不同强度的信号组合（通常是在邻道间），以及模拟电视射频信号的能量频谱，都给硅调谐器设计者提出了一个重大挑战。

　　在贬低模拟接收的重要性之前，要记住世界的大部分仍在使用模拟电视。例如在美国，小功率的模拟传输仍是合法的，传统电视台没钱转换到数字调制。另外，美国南北两个邻国墨西哥与加拿大都仍在播送模拟电视。美国消费者希望自己的电视也能收看这些国家的电视。很多其它国家的数字化调制转换也不会在几年内完成。数字电视接收方面的问题可能减缓它在一些尚未完成转换国家的采纳速度。此外，很多有线电视系统仍在以模拟信号方式播送本地频道，而一台能接收有线的电视必须能够接收这些信号。硅RF调谐器制造商Xceive公司的营销副总裁Brian Mathews称：“拿掉一台电视的模拟接收功能有很大的危险。没有一家电视制造商会这么想。”因此，虽然法律不再规定一台电视必须接收模拟电视，但制造商还会至少制造10年。

　　用于模拟信号的电视调谐器IC还有其它好处，如果芯片可以处理模拟传输信号的宽范围变动，就可以用于中国农村地区，那里的有线电视信号普遍有过调制和欠调制问题，并且没有合适的电平。硅调谐器IC亦可以应付未来的变化。ATSC（先进电视制式委员会）的标准化团体可能会修改规范，或改进调制方式，使它可以用于移动电视，而模拟调谐芯片仍可以使用。相同的模拟芯片制造商还能够设计出可编程解调芯片，这样就可以通过更新固件，应对未来的变更。硅调谐器还可以在电视频道以外，获得实用的白空间信号传输（见附文“电视调谐器与白空间”）。由于硅调谐器有更好的邻道阻塞性能，一个靠近房屋的5W数据发射机也不会与一个50英里以外电视台所发出的微伏级信号发生互相干扰。

　　电视调谐器的规格

　　电视调谐器必须能将一个54 MHz?862 MHz的RF信号下变频到一个中频（IF），IF的典型值为38 MHz或45 MHz；通过AGC（自动增益控制）电路将信号放大到一个标准电平；并且衰减或抑制所调谐频道带外的全部信号。有用信号旁可能恰好紧挨着一个较强的信号，因此这些工作更有挑战性。当调谐器遇到高达700 MHz的UHF（超高频）信号时，滤波功能必须有高的Q（质量）因数。与石英晶体一样，SAW滤波器有高Q因数，因此可以通过窄带的频率，且响应可快速滚降（或衰减）。为了实现SAW滤波器相同的性能，一些硅调谐器制造商会将较低频段的信号上变频到高频，用高Q硅电路作滤波，然后再将滤波后的信号下变频到IF。这种双变频方法能很好地工作，但功耗高于其它方式。还有一些公司采用了新颖的电路和架构，使自己的芯片工作性能优于铁盒调谐器。

　　硅调谐器的噪声性能也好于铁盒调谐器。凌特技术公司滤波器应用工程师Philip Karantzalis说：“有源滤波器的问题是，高Q电路总是有更高的噪声。”于是，调谐器制造商必须采用精巧的设计来获得高Q和低噪声。IC工艺的进步也能帮助电视调谐器制造商在芯片中获得高Q滤波，而不需要使用SAW滤波器，例如螺旋电感工艺。现在，IC设计工具与工艺进步已使IC设计者能够用打线和螺旋金属层做出电感，获得片上的高Q电路，从而使近期PLL芯片、硅振荡器和电视调谐器芯片的性能得到了很大改进。

　　一个电视前端具有两个重要功能。调谐器功能是完成下变频，以及放大所需要的频道。解调功能则是从来自调谐器的RF IF中，建立起基带模拟或数字信号。模拟信号是传统的复合视频信号，而数字频道通常会解调为一个MPEG-2（运动图像小组）的数字码流（图4）。然后，解调的信号进入一只SoC（系统单芯片），创建出LCD的像素驱动信号，并处理模拟与数字音频信号。Fresco Microchip公司的营销总监Melissa Chee指出，硅调谐器制造商整合了有关硅调谐器与硅解调器工作原理的系统知识。IC设计者会划分这些块，但并没有一种标准方式。例如，Maxim、Entropic，以及其它一些公司制造的调谐器IC中没有解调器，而Silicon Labs和Xceive公司产品中包含了模拟解调，Fresco制造用于其它调谐器IC的解调器IC（图5）。在另外的方案中，有些芯片组需要一个外接的跟踪滤波器，但在一只IC中同时集成了调谐器与两个解调器。电视制造商会使用专有的测试屏，通过各家供应商的组合来*估每种系统。同时，电视供应商则小气地保护着自己的测试图，因为他们不希望自己的竞争对手了解他们针对某种屏幕设计电视的方式。Xceive公司的Mathews称，要小心电视制造商“在模拟性能上的勒索”。

　　各家供应商在创建电视硅调谐器所使用的工艺上采取了有趣的方案。例如，Xceive和Maxim使用的是BiCMOS（双极互补金属氧化物半导体）SiGe（硅锗）工艺，因为它能获得较高性能，并且本身就具备较好的噪声性能，尤其是在较高频率上（参考文献2）。而Silicon Labs和Marvell则采用普通CMOS工艺生产调谐器IC（图6）。两家公司均未披露工艺细节，但CMOS工艺通常在单位毫米的成本上低于BiCMOS工艺。CMOS IC的缺点是需要很多并联的晶体管电路，以获得更好的线性。采用较大的晶体管结构，偏置在较高电流下，可以得到较好的噪声性能值。电视制造商并不关心工艺问题，只要部件能够满足性能和成本目标。采用SiGe工艺的部件供应商可能会发布CMOS部件，但在推荐一种工艺而放弃另一种工艺时，他们必须在片芯成本与尺寸之间作出权衡（参考文献3）。

　　灵敏度与选择性是调谐器的基本规格。灵敏度是指接收机能够成功地接收到多么弱小的输入信号。灵敏的调谐器芯片需要RF前端有低的噪声系数（图7）。射频的选择性是一种品质系数，表示一种调谐器芯片能如何良好地接收一个频道，而不受邻近频道或干扰源（如一个调频电台）的干扰。电视工程师经常把选择性表述为邻道阻塞。由于这些信号可能有较高的幅度，因此使广播电视的调谐成为一个高要求的工程任务。

　　线性度是硅调谐器芯片中的另一个重要规格。由于模拟、数字HD和有线QAM（正交幅度调制）都依赖于对信号包络的准确描绘，因此芯片必须对RF信号作线性的放大。线性度还是处理其它问题的基础：即使来自邻近发射机的强大信号靠近你所选择的频道，调谐器电路也必须能接收到弱小的信号。Silicon Labs公司的产品经理Eric Garlepp表示，一个电视调谐器芯片的线性度包含两方面内容：在整个带宽上处理大信号的固有的宽带线性度，以及滤波后6 MHz频段上的线性度，后者对于准确的信号再生与图像质量都很重要。当接收频率接近700 MHz时，要获得足够的性能就更加困难。然而对低于54 MHz的频率，民用频段的射频发射机可产生强信号。必须防止这种信号混入电视频段中，因为这一频段含有非线性RF电路。Silicon Labs公司的CMOS调谐器IC获得了电视接收的线性度与SNR（信噪比）。硅调谐器芯片的其它重要规格包括：镜像抑制、功率、尺寸、彩色保真度、二阶与三阶截点、RF与IF AGC回路、电压噪声以及电源等。

　　由此可见，在所有混合信号IC中，电视硅调谐器是困难的任务之一。它们必须工作的频段有低至不需要外接线圈或电感的54 MHz，也有用作广播电视的862 MHz，以及有线电视的1 GHz。它们必须同时处理模拟与数字调制方案，以及不同地区的变异。除了广播电视的调制标准以外，硅IC还必须能处理有线电视调制标准，如256QAM（256点QAM）。一个调谐器IC的输入信号还可能是紧挨着-20 dBm信号（在靠边发射塔的地区甚至会更高）的仅-80 dBm的信号。为满足消费者的期望，硅调谐器与解调器要提供超过铁盒调谐器的性能，并且要能装入现代超薄LCD电视的狭小空间内。

　　已故英国科幻小说作家、发明家和未来学家Arthur C Clarke曾在1961年说过：“任何足够先进的技术，看上去都与魔术无异。”每年要售出5亿个调谐器系统，硅电视调谐器IC以其高性能与低成本，很快就会在其中表演魔术了。

　　参考文献

　　1. Dipert, Brian, “Thin air: ATSC reception isn’t always easy,” EDN, May 14, 2009, pg 20.

　　2. Rako, Paul, “Silicon germanium: fast, quiet, and powerful,” EDN, Sept 18, 2008, pg 27.

　　3. Rako, Paul, “Integration in the other direction,” EDN, Jan 21, 2010, pg 24.

　　4. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.

　　5. Maxim datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Maxim_1062568.html.

　　6. SiGe datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SiGe_2440728.html.

　　附文：电视调谐器与白空间

　　硅调谐器不可能超越物理定律。谷歌与英特尔都提出了白空间建议，允许在用于隔离电视频道的保护频带内作数据广播。美国数字电视采用的是没有保护频带的8VSB（8电平残留边带）调制，但在欧洲DVB-T（数字地面视频广播）中更高效的保护频带也给这种方法带来了很好的多路径抑制。DVB-T对多路径信号的抑制能力使该标准更适合于移动电视应用。不过，没有一款硅调谐器能够将这些保护频带提议付诸现实。提出保护频带白空间广播建议的公司都没有RF工程方面的背景和知识，这也许能解释为什么他们会鼓励这些不现实的方案。有些技术怀疑，有关白空间的提议是要将数据广播发射机放入未用到的电视频道。美国国家半导体公司的Dennis Monticelli指出：“白空间其实是灰色的。”他表示无线话筒，以及其它信号源在电视频段中都是合法的，只要它们不干扰广播电视台。数字化的数据广播显然会干扰这些信号。