多鎖相環(huán)和擴(kuò)頻時(shí)鐘在數(shù)字娛樂設(shè)備中的設(shè)計(jì)應(yīng)
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1. 高清電視系統(tǒng)中采用多種頻率的需要——不同的標(biāo)準(zhǔn)和接口
圖1所示為液晶電視機(jī)天線的基本原理圖，簡單地說明了數(shù)字電視將輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流處理成適于用戶起居室內(nèi)電視機(jī)使用的正確音頻和視頻格式的流程。
Satellite Terrestrial Cable衛(wèi)星地面電纜
Analog Tuners模擬天線
Analog FE模擬前端
MPEG-2 Video DecoderMPEG-2視頻解碼器
MPEG Audio DecoderMPEG 音頻解碼器
Audio DAC音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器
Audio音頻
Audio out音頻輸出
Graphics Processor圖形處理品
Video Encoder 視頻編碼器
Video DACs視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器
Video Composite S-Video視頻復(fù)合S-Video端子
Video視頻
Flash閃存
Panel controller面板控制器
To LCD Panel接至液晶顯示屏
Panel顯示屏
Interface接口
Modem 調(diào)制解調(diào)器
圖1：常見液晶電視機(jī)體系架構(gòu)
調(diào)諧電路板上加入了多個子系統(tǒng)。各項(xiàng)基本功能從廣義上可以歸類到以下幾種模塊下：
1.模擬前端（解調(diào)器）
2.音頻/視頻編碼和解碼（MPEG視頻解碼器/MPEG音頻解碼器）
3.各類接口
4.顯示屏
上圖中所顯的所有模塊幾乎都需要時(shí)鐘信號。CPU要求的時(shí)鐘信號典型范圍為30 – 100MHz。MPEG標(biāo)準(zhǔn)要求采用基于27MHz的時(shí)鐘輸入。其中存在需要解碼器和編碼器同步的必要功能，而這項(xiàng)功能由VCXO（電壓控制晶體振蕩器）來實(shí)現(xiàn)。對于作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時(shí)鐘源的音頻時(shí)鐘，其ppm要求極為嚴(yán)格。這些頻率取決于采樣頻率和過采樣比率。對于各類接口來說，時(shí)鐘信號由各自的標(biāo)準(zhǔn)來決定，諸如USB、以太網(wǎng)、調(diào)制解調(diào)器、PCI、PCIExpress、SATA等等。
顯示屏的時(shí)鐘取決于屏幕尺寸以及顯示標(biāo)準(zhǔn)（高清（HD）：1080i、1080p、720p；標(biāo)清（SD）：NTSC、PAL）。屏幕控制器子系統(tǒng)的基本系統(tǒng)是將輸入圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際屏幕尺寸，例如，采用74.17582418 MHz等時(shí)鐘。
2. 電視機(jī)體系架構(gòu)和時(shí)鐘樹的實(shí)現(xiàn)
目前，設(shè)計(jì)者不得不在設(shè)計(jì)前期做出的一項(xiàng)關(guān)鍵決定就是信號格式，包括模擬信號或數(shù)字信號。幾年以前，電視機(jī)的信號鏈路還是主要以模擬信號為基礎(chǔ)，而如今，更為常用的是數(shù)字音頻數(shù)據(jù)通路。數(shù)字和模擬通路均各自存在著一些固有的優(yōu)缺點(diǎn)。但是，目前存在著一種全球性的必然發(fā)展趨勢，即要求所有信號傳輸都采用數(shù)字技術(shù)，該趨勢將分階段實(shí)現(xiàn)。
高清電視的傳輸采用了數(shù)字信號，所以，新出品的電視機(jī)趨向于采用數(shù)字通路。采用數(shù)字傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)在于對噪聲的容錯性很高。另一方面，模擬信號易受到噪聲的影響。電路板設(shè)計(jì)者需要在布線時(shí)加特別關(guān)注，采用擁有更優(yōu)信噪比（SNR）性能的差分信號，或者運(yùn)用屏蔽技術(shù)來避免信號品質(zhì)降低。
傳統(tǒng)的時(shí)鐘樹設(shè) 計(jì)方式：這種方式針對每一種頻率要求采用了分立的晶體/晶體振蕩器（XO）。這種方式的好處在于，時(shí)鐘可以布置在非?？拷骷奈恢茫共季€變得簡潔。但是，這種方式的缺陷在于，每一個晶體/晶體振蕩器元件都必須提前從供貨商處采購，從而不允許在最后階段做出設(shè)計(jì)變更。如果有一個頻率發(fā)生了變化，也要求有很長的交貨周期，從而導(dǎo)致整個進(jìn)度的延遲。
硅芯片時(shí)序解決方案：近10多年以來，基于鎖相環(huán)的時(shí)序解決方案的流行度已經(jīng)超過了傳統(tǒng)時(shí)鐘方法。硅芯片時(shí)序解決方案供貨商能夠提供分立晶體和晶體振蕩器元件所不支持的多項(xiàng)功能，從而可應(yīng)用于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這兩種設(shè)計(jì)方式之間的折衷處理將在下文進(jìn)行討論。轉(zhuǎn)向采用這種體系架構(gòu)的客戶所獲得的主要益處在于，它賦予了客戶的設(shè)計(jì)方案靈活性并節(jié)省了成本。
3. 與分立晶體/晶體振蕩器相比，采用鎖相環(huán)硅芯片時(shí)序解決方案的優(yōu)勢
1.成本——消費(fèi)類產(chǎn)品市場領(lǐng)域的重要決策的驅(qū)動要素之一就是成本。每一次體系架構(gòu)的變動都必須經(jīng)濟(jì)而劃算，這樣才可以實(shí)施架構(gòu)轉(zhuǎn)變，所付出的投資才是合理的。硅芯片時(shí)序解決方案最具吸引力的優(yōu)勢在于，通過將若干個晶體/晶體振蕩器集成到一起，可以降低整體物料清單成本，并保持性能水平，或在某些情況下提升性能水平。在如上圖所示的典型電視機(jī)天線電路板中，采用了5-6個分立晶體（每個成本為0.12 – 0.50美元），而如果一個能夠提供上述頻率的可編程功能的硅芯片時(shí)鐘發(fā)生器的成本低于2.00美元，則就會真正為電路板增值。除了成本是晶體/晶體振蕩器集成的主要推動要素，另外還有一些能夠?yàn)镺EM商和最終用戶所感受到的其它優(yōu)勢。
2.可靠性——晶體是基于石英的元器件，比起基于鎖相環(huán)的時(shí)序解決方案來說，晶體的故障率較高。從系統(tǒng)中每減少一個晶體都有助于提高整個系統(tǒng)的可靠性。集成度高還能夠減少電路板上的元器件數(shù)量，獲得最高的穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)更低的返修率。
3.晶體可用性——頻率范圍在10-40 MHz之間的晶體很容易做到。但高于40 MHz以上的高頻晶體在制造上難度更高并且需要采用特殊的制造技術(shù)。這種晶體屬于高階泛音晶體，成本范圍在1-10美元之間。這些高階晶體較難購得。而硅芯片時(shí)序解決方案能夠采用單個低頻晶體（或者可以使用時(shí)鐘基準(zhǔn)信號）來生成多個高頻輸出。
4.晶體老化——晶體本身容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，每隔幾年會出現(xiàn)+-2ppm至+-5ppm的誤差。這種老化現(xiàn)象的原因在于晶體材質(zhì)內(nèi)部以及晶體表面之上存在的雜質(zhì)以及晶體材料與沉積電極之間的機(jī)械應(yīng)力。老化可能導(dǎo)致使用晶體的系統(tǒng)性能緩慢下降。在使用晶體時(shí)，長期頻率漂移已經(jīng)成為常見的問題。而基于鎖相環(huán)的硅芯片時(shí)序解決方案能夠在產(chǎn)品整個使用壽命內(nèi)保持精確度。
5.可編程性——基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器擁有內(nèi)置可編程性，可以在設(shè)計(jì)階段提供一定的靈活性。這些可編程特色不僅包括了輸出頻率的改變，而且能夠改變驅(qū)動信號強(qiáng)度設(shè)置值、擴(kuò)頻百分比、通過引腳編程實(shí)現(xiàn)頻率選擇，這些意味著同一個輸出端可以根據(jù)需要提供不同的頻率。系統(tǒng)內(nèi)置的可編程性可以采用串行I2C接口在設(shè)計(jì)執(zhí)行過程中改變一些特定參數(shù)。這一特色對于那些在多個平臺上采用同一組頻率的制造廠商是富有吸引力的。
6.減少元器件數(shù)量，節(jié)約板卡空間——采用可編程時(shí)鐘發(fā)生器有助于通過集成減少電路板上的元器件數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正在趨向于采用更少的元器件，以求減少由于布線和需要保持信號完整性所帶來的問題。基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器能夠采用一個低頻晶體生成若干個輸出，因此對于減少元器件總數(shù)量以及節(jié)約寶貴的板卡空間極具價(jià)值。
7.采用擴(kuò)頻時(shí)鐘降低電磁干擾——電視機(jī)天線電路板典型情況下為5-7層板，并采用了專用的鋪地層以便壓低干擾。為提高系統(tǒng)性能和避免發(fā)生串?dāng)_、扭曲和信號完整性問題，要對多路高速信號進(jìn)行精心的布線。而硅芯片時(shí)序器件供貨商通過提供擴(kuò)頻等功能，減少了這些板卡設(shè)計(jì)方面的問題。例如，擴(kuò)頻可以通過擴(kuò)展高速信號來降低信號的峰值能量。
電磁干擾必須低于強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值，這些標(biāo)準(zhǔn)如CISPR 22或FCC Part 15 Class B。所有消費(fèi)類產(chǎn)品必須通過嚴(yán)格的FCC規(guī)范認(rèn)證才能上市。全球各地諸如美國通信委員會（FCC）這樣的管理機(jī)構(gòu)會確保強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)得到遵守而且器件產(chǎn)品不能在不屬于它們的頻段內(nèi)發(fā)射信號。不幸的是，存在頻率諧波的高速設(shè)計(jì)方案經(jīng)常會遇到這方面的問題。擴(kuò)頻是一項(xiàng)目前由集成電路供貨商提供的、能夠解決這一干擾問題的功能。
擴(kuò)頻功能能夠減少、甚至消除對會增加物料清單成本的鐵氧體磁珠、濾波器、線圈和振流器的需要。如果系統(tǒng)未能通過電磁合規(guī)試驗(yàn)，則需要花大力氣進(jìn)行重新設(shè)計(jì)?？紤]到試驗(yàn)所耗費(fèi)的成本以及重新進(jìn)行工程設(shè)計(jì)所浪費(fèi)的時(shí)間，我們會 認(rèn)識到對這些問題做好通盤考慮并采取保險(xiǎn)措施的重要性，例如提前采用擴(kuò)頻功能。而擁有可編程性就可以在需要時(shí)打開擴(kuò)頻功能以及在不需要時(shí)關(guān)閉該功能。這一功能在開發(fā)和測試中尤為實(shí)用。
8.庫存管理——采購團(tuán)隊(duì)目前所面臨的一項(xiàng)主要難題是對系統(tǒng)采用的每
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