利用高集成度的RF調(diào)諧器應(yīng)對(duì)移動(dòng)電視技術(shù)

在研究移動(dòng)電視技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)時(shí)需要區(qū)分產(chǎn)品功能組合、封裝、性能、采用的半導(dǎo)體工藝和最重要的射頻接收器性能。目前大多數(shù)單制式解調(diào)器都采用130納米至65納米CMOS工藝制造。
多數(shù)情況下，它們與射頻接收器一同封裝在系統(tǒng)級(jí)封裝內(nèi)(SiP)，構(gòu)成移動(dòng)電視前端組件。然而不同解決方案的性能不盡相同，遲早這些產(chǎn)品都只會(huì)滿足各自的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

在“時(shí)隙模式”下(包括適用于多業(yè)務(wù)應(yīng)用的射頻和內(nèi)存)，實(shí)現(xiàn)低于50mW的極低系統(tǒng)功耗所面臨的主要挑戰(zhàn)是較小的外形尺寸和將系統(tǒng)集成于消費(fèi)電子平臺(tái)的復(fù)雜度。不過(guò)目前隨著市場(chǎng)的日趨成熟，所面臨的最大挑戰(zhàn)是滿足縮短開(kāi)發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本的需求。為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，英飛凌科技開(kāi)發(fā)出OmniVia TUS9090。

系統(tǒng)特點(diǎn)

TUS9090是采用英飛凌RFCMOS 130納米工藝開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新型單片IC。該SOC集成了多頻帶射頻接收器(VHF、UHF和適用于歐盟與北美的L頻帶)、DVB-T解調(diào)器組件和DVB-H物理層及固件和多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收所需的嵌入式內(nèi)存。

TUS9090無(wú)需外部濾波器、內(nèi)存等組件，但如果TUS9090用于在VHF頻帶下接收DVB-T，就需要一個(gè)外部LNA。TUS9090集成了片上內(nèi)存和邏輯內(nèi)核，具備各種鏈路層和FEC功能。表1對(duì)DVB-H制式和其他新開(kāi)發(fā)的制式進(jìn)行了比較。

要開(kāi)發(fā)出這種混合信號(hào)單片IC，需要大量的工程技術(shù)專長(zhǎng)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。首先需要進(jìn)行系統(tǒng)分區(qū)，分區(qū)時(shí)需分析性能需求，然后根據(jù)需求，實(shí)現(xiàn)最佳的軟硬件混合分區(qū)。隨后的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要實(shí)現(xiàn)高級(jí)信號(hào)處理算法，但工程師需要深入了解相關(guān)的噪聲問(wèn)題——高速數(shù)字組件發(fā)出的噪聲可進(jìn)入靈敏的模擬射頻組件(例如LNA)。如果設(shè)計(jì)不仔細(xì)，測(cè)試不夠詳盡，就無(wú)法滿足系統(tǒng)健壯性要求，導(dǎo)致性能降低，最終令客戶失望。此外，由于相鄰信道干擾、信號(hào)的快速深度衰減(終端隨汽車和火車移動(dòng))和較差的室內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度(信號(hào)功率損失)，使得移動(dòng)電視的接收面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新TUS9090單片IC完全符合MBRAI II規(guī)范。在DVB-H模式(QPSK、CR 1/2、GI=1/4、8MHz、8K FFT)下，射頻靈敏度高于-98dBm，如果不計(jì)入外部巴倫，射頻調(diào)諧器的噪聲系數(shù)為4dB。在TU6通道條件下(MPE誤幀率為5%)，假設(shè)采用QPSK調(diào)制、1/2碼率、1/4保護(hù)間隔、3/4 MPE FEC率和8K FFT，測(cè)得最小載噪比(C/N)為8.4dB。在相同條件下，相移Fd3dB@MBRAI為170Hz。在單頻網(wǎng)(SFN)條件下也可實(shí)現(xiàn)類似的性能。

TUS9090采用8.5×8.5×0.8mm SGA封裝。不過(guò)為了最大限度縮小外形尺寸，TUS9090單片芯片采用凸點(diǎn)封裝，以裸片形式供貨(凸點(diǎn)裸晶厚度小于0.4mm)，便于以較低的成本開(kāi)發(fā)出外形很小的模塊。省去封裝工藝，進(jìn)一步降低了制造成本。

系統(tǒng)架構(gòu)

圖1顯示了從天線輸入端至連接主機(jī)或多媒體處理器組件的SDIO接口輸出端的系統(tǒng)架構(gòu)框圖。

圖1：OmniVia TUS9090的功能架構(gòu)框圖

實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電視功能的前端的第一部分是射頻信號(hào)接收所需的小型天線。在移動(dòng)環(huán)境下，移動(dòng)電視信號(hào)的恢復(fù)受各種條件的限制，包括特定的系統(tǒng)集成問(wèn)題。考慮到UHF接收器的帶寬和移動(dòng)終端天線的尺寸限制等因素，天線的設(shè)計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。盡管低噪接收器設(shè)計(jì)可緩解這個(gè)問(wèn)題，但天線仍然是系統(tǒng)中最好的“低噪聲放大器”。因此，我們需要尋找新穎的天線解決方案。調(diào)諧天線或諧振天線具備非常出色的性能。不過(guò)當(dāng)GSM發(fā)射器發(fā)出較強(qiáng)信號(hào)時(shí)，由于無(wú)線組件與DVB-H天線之間的隔離度僅為10-20dB，變?nèi)荻O管等非線性調(diào)諧元件就會(huì)降低有用信號(hào)的質(zhì)量。

TUS9090采用折中配置，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的線性度和最低的噪聲。在UHF級(jí)，射頻調(diào)諧器的噪聲系數(shù)為4dB，符合MBRAI II標(biāo)準(zhǔn)。如果某種應(yīng)用需要更高的性能，可通過(guò)增加外部LNA使噪聲系數(shù)達(dá)到2dB或更低。英飛凌可提供完整的參考設(shè)計(jì)或根據(jù)客戶的具體需求修改設(shè)計(jì)。

在TUS9090中，位于天線和輸入級(jí)之后的是嵌入式射頻接收器，它是集成了LNA、混頻器、通道濾波器、晶體振蕩器、鎖相環(huán)路(PLL)和片上環(huán)路濾波器、VCO和IF增益控制器的直接變頻接收器。從射頻到I/Q信號(hào)的差分信號(hào)通道具備出色的噪聲抑制功能。此外，集成化寬帶射頻AGC(自動(dòng)增益控制)環(huán)路位于集成LNA之后。該射頻組件能夠直接接在LNA之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，它能夠響應(yīng)混頻器所能檢測(cè)到的所有信號(hào)，避免由任何相鄰信道所引起的任何線性度問(wèn)題。針對(duì)寬帶AGC，TUS9090采用模擬增益控制環(huán)路、實(shí)現(xiàn)基帶增益控制的數(shù)字化，并通過(guò)專用數(shù)字AGC總線控制可編程增益步長(zhǎng)。此外，支持多種標(biāo)準(zhǔn)晶體頻率的集成化高性能晶體振蕩器，可確保射頻組件的正常工作——不論系統(tǒng)時(shí)鐘是否可用。不過(guò)這種射頻組件也能配合優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)時(shí)鐘一起工作，從而降低晶振成本。

值得強(qiáng)調(diào)的是，零中頻直接轉(zhuǎn)換接收器由于具備最少的外部組件并且降低了功耗，從而滿足收接器的模擬和射頻規(guī)范，因此成為適用于DVB-H的主流架構(gòu)。低中頻射頻架構(gòu)是零中頻的替代方案，但需滿足N±1階干擾所導(dǎo)致的嚴(yán)格的鏡像抑制要求。不過(guò)采用先進(jìn)的CMOS工藝可實(shí)現(xiàn)多種混合信號(hào)校準(zhǔn)和電路技術(shù)，從而克服了零中頻直接變頻架構(gòu)的缺點(diǎn)，例如直流偏移。用于DVB-T和DVB-H制式的高帶寬和大量副載波，可降低幾千赫茲的直流頻譜，同時(shí)不會(huì)明顯降低性能。此外，近期進(jìn)行的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)表明，可以將LNA集成于采用純CMOS工藝技術(shù)制造的射頻調(diào)諧器——盡管DVB-H需要較寬的輸入頻率范圍。在射頻參考點(diǎn)，系統(tǒng)噪聲系數(shù)低于3.5-4dB，可滿足靈敏度要求。

表1：移動(dòng)電視制式比較

阻塞干擾是另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。移動(dòng)電視接收器需要覆蓋寬頻譜，從而會(huì)引起許多潛在的無(wú)用信號(hào)，這就需要接收器具有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。這也需要整個(gè)系統(tǒng)具有較高的線性度和出色的噪聲性能，以及寬帶增益控制環(huán)路，以防止混頻器和后續(xù)級(jí)由強(qiáng)干擾所引起的飽和。前兩個(gè)需求最終決定了模擬接收器部分的功耗約束。因此，對(duì)于一些需要較低線性度的單頻應(yīng)用，具備可以在功耗和噪聲系數(shù)方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)。

TUS9090可對(duì)ETSI EN 300 744和ETSI EN 302 304定義的OFDM信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化解調(diào)。PHY模塊集成了所有OFDM功能，其中包括同步、FFT、通道評(píng)估、去映射器、內(nèi)部解交織器、內(nèi)解碼器、外解交織器和外解碼器。為了使功耗降至最低，它還集成了專為最大程度降低功耗、優(yōu)化同步性能而設(shè)計(jì)的功率控制組件。此外，內(nèi)部高性能多層總線，將諸如片上處理器等不同的IP塊互連在一起，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)并行總線功能，通過(guò)降低系統(tǒng)總延遲最終提高系統(tǒng)吞吐量?？赏ㄟ^(guò)從機(jī)SDIO接口建立主機(jī)連接。該接口可在導(dǎo)入過(guò)程中將FW下載至芯片，然后將IP數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)移至主機(jī)。它還可作為控制接收器配置的鏈路，并可處理高達(dá)50MHz的時(shí)鐘速率，從而使接收器在DVB-H模式下的導(dǎo)通時(shí)間降至最低。

該終端的移動(dòng)特性可引起快速時(shí)變通道和接收的信號(hào)及其回波的多卜勒頻移。在這種條件下運(yùn)行的接收器性能主要取決于使用的調(diào)制性能和標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)性能及信號(hào)處理算法。DVB-H制式能夠消除這些隱患，提供多樣配置，調(diào)整性能，滿足實(shí)際需求。

TUS9090還包含完整的固件，這些固件可提供多種自動(dòng)功能，例如信道配置文件檢測(cè)、頻率掃描和PSI/SI分析等。另外，還提供與市場(chǎng)上主要中間件產(chǎn)品兼容的DVB-H主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。

圖2為英飛凌的單片集成電路TUS9090的實(shí)物圖。英飛凌已于去年開(kāi)始提供TUS9090樣片，預(yù)計(jì)今年第二季度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。另外，英飛凌還將射頻接收器嵌入TUS9090，開(kāi)發(fā)出獨(dú)立的OmniTune TUA9000。目前已開(kāi)始試供。

圖 2 ：TUS9090單片SOC內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)示意圖