衛(wèi)星射頻前端的性能、功能要求及應用解決方案

消費類影音傳輸方法的標準化已產(chǎn)生幾項影響，其中之一是全球廣播業(yè)者只需選擇一種直播衛(wèi)星 （Direct Broadcast Satellite，DBS） 電視標準。世界各地的模擬和數(shù)字地面廣播或有線電視傳輸標準各不相同，衛(wèi)星廣播則與它們完全不同，DVB-S標準獲得全球采用后，帶動了數(shù)字衛(wèi)星機頂盒市場的發(fā)展，其接收器銷售量增長超過6，000萬個，其中大多數(shù)是符合DVB-S標準的產(chǎn)品。

圖1 載波噪聲比與輸入功率的關(guān)系 （22.5 MBaud，編碼率3/4）

現(xiàn)在，OEM廠商只要選擇套裝射頻模塊就可以忽略衛(wèi)星射頻前端的設(shè)計細節(jié)。接收器碟型天線內(nèi)的低噪聲轉(zhuǎn)換器 （LNB Converter） 會先將C或Ku頻帶的接收信號下變頻為950-2150MHz的L頻帶信號，再由射頻模塊將這些中頻信號轉(zhuǎn)換為MPEG-2傳輸流 （transport stream）。

機頂盒制造商始終都要面對降低系統(tǒng)成本的壓力，功能整合度更高的硅晶調(diào)諧器已在市場上出現(xiàn)，這些因素使得OEM廠商不再需要套裝射頻模塊，他們可以通過主電路板直接提供這項功能。多種因素使射頻前端設(shè)計相當困難，如射頻輸入的頻率很高、衛(wèi)星轉(zhuǎn)頻器的信號帶寬很大 （通常為27MHz或36MHz）、復合輸入功率的范圍很廣 （-80dBm“0dBm） 以及低噪聲下變頻轉(zhuǎn)換器和多路開關(guān)（multi-switch） 等其它衛(wèi)星外圍設(shè)備都需要直流電源和交流控制信號反饋，這些電源和控制信號必須通過同軸線纜與接收信號一起上傳。

除此之外，處于競爭激烈的市場當中，OEM廠商必須將設(shè)計資源集中于個人錄像 （PVR）、互動性和家用網(wǎng)絡等具有較高附加值功能的產(chǎn)品。因此，需要元器件供應商提供射頻前端解決方案，以便將研發(fā)投資減至最少，同時確認其產(chǎn)品達到所需的接收器性能標準或付費電視運營商的認證要求。

本文將探討衛(wèi)星射頻前端的性能和功能要求，OEM廠商可利用文中列出的檢查項目比較不同廠商的衛(wèi)星射頻前端解決方案。

單芯片射頻前端的目標

符合DVB標準的衛(wèi)星、有線電視、地面廣播和新出現(xiàn)的便攜式應用環(huán)境現(xiàn)都采用比特流格式相同的MPEG-2傳輸流，因此，考慮到規(guī)模經(jīng)濟效應，OEM廠商通常會采用單一平臺。這表示不同的媒體接收器會使用相同的MPEG譯碼器和主機IC，然后由有線電視、地面廣播、衛(wèi)星或IP等媒體的前端電路將傳輸流提供給主機。

射頻電路前端包含調(diào)諧器和解調(diào)器功能，兩者會通過從解調(diào)器到調(diào)諧器的專用模擬控制信號進行各種互動，如自動增益控制、射頻調(diào)諧和濾波器帶寬選擇等，這使得想要取代套裝射頻模塊的OEM廠商必須解決電路板層的信號完整性問題，以保持系統(tǒng)操作的一致性，同時將電路板布局和元器件誤差等外部因素對接收器性能的影響減至最少。就此角度而言，將調(diào)諧器和解調(diào)器集成至同一個芯片當中具有極大優(yōu)點，因為設(shè)計人員不必在電路板上費心安排這些反饋信號。

實現(xiàn)損耗

實現(xiàn)損耗（ImplementationLoss）是DVB-S前端最重要的參數(shù)，它代表接收器實際性能與理論最佳值的差距。實現(xiàn)損耗是在特定符碼率 （symbol rate）、Viterbi編碼率，輸入功率和射頻頻率等傳輸參數(shù)下，將輸出誤碼率降到可接受水平的實際所需載波噪聲比 （Carrier-to-Noise） 與理想解調(diào)器的載波噪聲比之間的差值 （以dB表示）。DVB-S標準規(guī)定，Viterbi譯碼器輸出測量所得的實現(xiàn)損耗在2×10-4誤碼率下不能超過0.8dB，無論接收器的傳輸參數(shù)如何設(shè)定，都必須達到這項要求。實現(xiàn)損耗越低，接收器就越能將噪聲影響減至最小。

測量不同輸入功率和無線頻率下的實現(xiàn)損耗非常有用。例如，當功率很大時，接收器的互調(diào)分量就可能造成實現(xiàn)損耗惡化；同樣的，本振源在某一頻率上的雜散信號也可能導致某些通道性能下降。

圖1是在不同輸入功率下提供3/4卷積編碼率和22.5Mbaud？肼實腝EF操作時 （定義為Viterbi譯碼后的誤碼率為2×10-4） 所需的載波噪聲比 （Eb/No）。

靈敏度、選擇性、互調(diào)和本地振蕩信號的泄漏現(xiàn)象

除了解調(diào)器實現(xiàn)損耗外，調(diào)諧器噪聲指數(shù)也會影響接收器的靈敏度。此外，總輸入功率的變動范圍也可能超過80 dB，這是因為許多設(shè)備都使用L頻帶通道 （可能包括UHF），另外，還有雨衰和線纜損耗等效應，它們對射頻輸入范圍的高頻部分影響特別嚴重 （集膚效應）。

另一方面，衛(wèi)星廣播對信道選擇性的要求也比較寬松，這是因為同一位置的所有衛(wèi)星轉(zhuǎn)頻器都會在接收器輸入端產(chǎn)生大致相同的相鄰信道輸入功率，這與地面?zhèn)鬏斢泻艽蟛煌?。另外，接收器還須提供具備帶寬設(shè)定能力的匹配濾波器，以滿足不同通道的符碼率 （1”45 MBaud） 和信號帶寬要求，這與地面廣播或有線電視傳輸也有極大區(qū)別。低噪聲放大器和混頻器也要具備良好的線性操作能力 （IP2， IP3） 才能應付可能出現(xiàn)的高復合功率輸入。

為了滿足這些要求，衛(wèi)星調(diào)諧器已開始采用零中頻直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)。尤其是在目標信號很弱而相鄰信道信號又很強的系統(tǒng)中，零中頻接收器更能提供所要求的選擇性和鏡像抑制，這是因為鏡像信道實際上就是目標信道，而不是信號可能更強的相鄰信道。然而，這些優(yōu)勢在衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中就沒有那么明顯，因為各個信道在接收器輸入端的功率都非常相近。

零中頻架構(gòu)的本振頻率就是所要接收的射頻通道，所以本振信號有可能混入接收信號。這種本振信號泄漏現(xiàn)象是零中頻架構(gòu)的主要缺點之一，它會導致下變頻/混頻后出現(xiàn)直流偏移，所以，調(diào)諧器和解調(diào)器之間必須使用大電容作為零中頻模擬I/Q信號的交流耦合電容。

除此之外，由于本振頻率等于目標射頻信道的中心頻率，零中頻接收器架構(gòu)特別容易受到振蕩器的近載波相位噪聲 （close-in phase noise） 影響。CMOS的1/f噪聲特性使其近載波相位噪聲會高于采用BiCMOS或硅鍺工藝的振蕩器，所以，CMOS工藝很難用來實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換衛(wèi)星調(diào)諧器。

這兩種效應都可通過本振頻率與目標頻帶相差約一個通道的低中頻架構(gòu)來避免。這種架構(gòu)把射頻信號轉(zhuǎn)換成中頻信號后進行數(shù)字化處理，然后用第二個數(shù)字混頻器將它轉(zhuǎn)換為基帶信號。Silicon Laboratories已將低中頻架構(gòu)用于寬帶衛(wèi)星調(diào)諧器，把調(diào)諧器和解調(diào)器集成到同一個CMOS IC中，而不是使用成本較高的SIP技術(shù)把BiCMOS調(diào)諧器以及CMOS解調(diào)器整合至單一封裝中。

LNB電源與控制

DVB-S系統(tǒng)接收器天線的低噪聲 （LNB） 下變頻器需要射頻前端提供13V/18V可切換式直流電源和重迭于直流電源上的22kHz交流音頻脈沖 （tone burst） 控制信號。有些傳統(tǒng)的分立式解決方案僅提供接收器到LNB外設(shè)的單向通信，但OEM廠商仍希望LNB解決方案支持最新的DiSEqC 2.x雙向通信協(xié)議。另外，考慮到與舊外設(shè)的兼容，除了DiSEqC兼容信息外，這些解決方案還應支持早期產(chǎn)品所需的音頻／脈沖以及音頻／電壓等信號傳送方式。

除了解調(diào)器應同時支持單向和雙向LNB控制信號外，LNB電源穩(wěn)壓器也需要一個專用IC。LNB電源穩(wěn)壓器不但要提供普通穩(wěn)壓器功能，還要包含可靠的故障保護機制，以應付接收器啟動或為增加交流LNB控制信號而安裝額外電路時可能出現(xiàn)的電流過載或短路現(xiàn)象。

電源效率的重要性不斷增加，這在包含多組LNB和多組調(diào)諧器（如PVR）等機頂盒產(chǎn)品中尤其明顯。OEM廠商傾向于使用由升壓轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的高效率、交換式電源解決方案，而不是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓架構(gòu)。

解調(diào)器供貨商通常不會提供采用高電壓工藝的LNB電源IC，但它們卻又需要與電源器件互動，這使得OEM廠商必須承受更大的系統(tǒng)整合風險，尤其是LNB電源電路和射頻輸入信號會使用同樣的線路，因此可能造成接收器性能下降。

面對這些問題，最理想的解決方法是由一家廠商提供包含LNB電源穩(wěn)壓器和信號控制器在內(nèi)的完整功能的射頻前端解決方案。

環(huán)境因素

接收器應將外部因素的影響減至最小。衛(wèi)星接收器特別容易受到GSM或無線DECT電話的電磁信號干擾，因為這些裝置使用的頻帶與衛(wèi)星接收器非常接近；另外，麥克風等裝置產(chǎn)生的機械振動也可能造成影響。OEM廠商評估不同解決方案時，應注意壓控振蕩器儲能電路和鎖相環(huán)濾波器是否集成至調(diào)諧器中，若解決方案仍需在設(shè)計中增加LC （壓控振蕩器儲能器件） 或RC （回路濾波器） 電路，就表示這些解決方案僅集成了壓控振蕩器，而不是完整的鎖相環(huán)。器件若未集成這些外圍電路，則比較容易受到外界影響，電磁干擾測試通常也表現(xiàn)不佳。

為將LNB所受的影響減至最少，調(diào)諧器廠商應注明接收器輸入端的阻抗匹配電路規(guī)格，同時說明最惡劣條件下的返回損耗 （return loss） 或等效的VSWR參數(shù)。半導體廠商應在所建議的電路板布局中提供輸入電路范例。

芯片集成度不斷增加已讓器件散熱成為潛在問題。這類器件最好采用含有外露散熱墊的散熱加強型封裝，因為焊接到接地面的外露散熱墊可作為額外的電氣連接。

此外，隨著消費類電子產(chǎn)品的環(huán)保標準日益嚴苛，元器件應采用符合RoHS的無鉛封裝。

附加功能

有人可能認為消費者并不關(guān)心本文提到的許多要求，但至少有兩項功能會直接影響客戶對于產(chǎn)品的使用感受。

首先，為了讓消費者了解接收器天線的安裝效果以及接收信號強度，機頂盒制造商通常會根據(jù)通道譯碼器的糾錯數(shù)目來評估信號質(zhì)量，并將結(jié)果顯示給使用者。由于DVB-S采用不同的內(nèi)部 （Viterbi） 和外部 （Reed-Solomon） FEC糾錯算法，系統(tǒng)若想提供最精確的信號質(zhì)量，就必須從信道譯碼器的這兩個器件讀取已糾錯和未糾錯的數(shù)目。器件甚至還能提供PRBS等多種測試模式，以協(xié)助OEM廠商利用實驗室測試設(shè)備進行特性測試。

其次，通道設(shè)定過程應該越快越好。這對專門接收免費頻道的機頂盒并不簡單，因為這類產(chǎn)品出廠時并未包含許多DVB-S廣播定義參數(shù)和通道參數(shù)；相比之下，普通機頂盒則是為特定的付費電視服務所設(shè)計，因此，所有必要參數(shù)都已存儲其中。

完整的信道掃描必須涵蓋超過1 GHz的帶寬和兩種偏極性射頻信號。接收器在掃描信道和尋找DVB-S信道時必須處理各種符碼率 （1-45 MBaud）、卷積編碼率 （1/2，2/3，3/4，…）、頻譜轉(zhuǎn)換 （spectral inversion） 的可能性以及LNB混頻器偏移可能造成的多個MHz射頻信號偏移。

東南亞和中東地區(qū)的廣播業(yè)者會利用一種稱為“單載波多通道”（Multiple Channels Per Carrier，MCPC） 的頻分復用技術(shù)，分別上行鏈接到同一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)頻器的不同通道 （共享式轉(zhuǎn)頻器）。此時，所有上行鏈路MPEG-2傳輸流的位速率都會減少，使得調(diào)制后的通道符碼率下降。除非解調(diào)器配備硬件式盲掃描 （blindscan） 加速器，否則接收器在面對這類符碼率很低的通道時，通常需要一小時以上的時間才能掃描完頻帶范圍內(nèi)的所有通道。芯片內(nèi)嵌盲掃描功能則可將這個過程縮短為幾分鐘。有些專門為免費頻道應用生產(chǎn)機頂盒的廠商甚至認為解調(diào)器的盲掃描功能比射頻性能更重要。

結(jié)語

在成熟的DVB-S市場上，許多廠商都已提供包含上述射頻前端功能的器件。本文還特別介紹了終端設(shè)備制造商應考慮的許多系統(tǒng)級問題、重要性能要求以及衛(wèi)星廣播應用獨有的問題。這對工程資源有限或射頻經(jīng)驗不足的套裝射頻模塊OEM廠商是極為艱巨的工作，降低系統(tǒng)成本和縮小產(chǎn)品體積的壓力進一步迫使他們必須采用集成度更高的解決方案。

Silicon Laboratories針對DVB-S和DirecTV專用DSS衛(wèi)星傳輸標準提供的SiRX系列射頻前端器件集成了所有衛(wèi)星傳輸射頻前端功能，其中包括調(diào)諧器、解調(diào)器、LNB信號控制器和LNB電源穩(wěn)壓器，這套解決方案可以協(xié)助衛(wèi)星前端系統(tǒng)設(shè)計人員克服他們所面臨的許多系統(tǒng)問題。

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