高集成度RF调谐器应对移动电视技术

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在研究移动电视技术发展趋势时需要区分产品功能组合、封装、性能、采用的半导体工艺和最重要的射频接收器性能。目前大多数单制式解调器都采用130纳米至65纳米CMOS工艺制造。多数情况下,它们与射频接收器一同封装在系统级封装内(SiP),构成移动电视前端组件。然而不同解决方案的性能不尽相同,迟早这些产品都只会满足各自的传输标准。

  在“时隙模式”下(包括适用于多业务应用的射频和内存),实现低于50mW的极低系统功耗所面临的主要挑战是较小的外形尺寸和将系统集成于消费电子平台的复杂度。不过目前随着市场的日趋成熟,所面临的最大挑战是满足缩短开发周期和降低生产成本的需求。为了应对上述挑战,英飞凌科技开发出 OmniVia TUS9090。

  系统特点

  TUS9090是采用英飞凌RFCMOS 130纳米工艺开发的创新型单片IC。该SOC集成了多频带射频接收器(VHF、UHF和适用于欧盟与北美的L频带)、DVB-T解调器组件和DVB-H 物理层及固件和多业务数据接收所需的嵌入式内存。TUS9090无需外部滤波器、内存等组件,但如果TUS9090用于在VHF频带下接收DVB-T,就需要一个外部LNA。TUS9090集成了片上内存和逻辑内核,具备各种链路层和FEC功能。表1对DVB-H制式和其他新开发的制式进行了比较。

  要开发出这种混合信号单片IC,需要大量的工程技术专长和丰富的经验。首先需要进行系统分区,分区时需分析性能需求,然后根据需求,实现最佳的软硬件混合分区。随后的设计优化需要实现高级信号处理算法,但工程师需要深入了解相关的噪声问题——高速数字组件发出的噪声可进入灵敏的模拟射频组件 (例如LNA)。如果设计不仔细,测试不够详尽,就无法满足系统健壮性要求,导致性能降低,最终令客户失望。此外,由于相邻信道干扰、信号的快速深度衰减 (终端随汽车和火车移动)和较差的室内接收信号强度(信号功率损失),使得移动电视的接收面临着严峻的挑战。

  创新TUS9090单片IC完全符合MBRAI II规范。在DVB-H模式(QPSK、CR 1/2、GI=1/4、8MHz、8K FFT)下,射频灵敏度高于-98dBm,如果不计入外部巴伦,射频调谐器的噪声系数为4dB。在TU6通道条件下(MPE误帧率为5%),假设采用QPSK调制、1/2码率、1/4保护间隔、3/4 MPE FEC率和8K FFT,测得最小载噪比(C/N)为8.4dB。在相同条件下,相移Fd3dB@MBRAI为170Hz。在单频网(SFN)条件下也可实现类似的性能。

  TUS9090采用8.5×8.5×0.8mm SGA封装。不过为了最大限度缩小外形尺寸,TUS9090单片芯片采用凸点封装,以裸片形式供货(凸点裸晶厚度小于0.4mm),便于以较低的成本开发出外形很小的模块。省去封装工艺,进一步降低了制造成本。


图1:OmniVia TUS9090的功能架构框图。

  系统架构

  图1显示了从天线输入端至连接主机或多媒体处理器组件的SDIO接口输出端的系统架构框图。

  实现移动电视功能的前端的第一部分是射频信号接收所需的小型天线。在移动环境下,移动电视信号的恢复受各种条件的限制,包括特定的系统集成问题。考虑到UHF接收器的带宽和移动终端天线的尺寸限制等因素,天线的设计面临着巨大的挑战。尽管低噪接收器设计可缓解这个问题,但天线仍然是系统中最好的“低噪声放大器”。因此,我们需要寻找新颖的天线解决方案。调谐天线或谐振天线具备非常出色的性能。不过当GSM发射器发出较强信号时,由于无线组件与DVB-H天线之间的隔离度仅为10-20dB,变容二极管等非线性调谐元件就会降低有用信号的质量。

  TUS9090采用折中配置,旨在实现最佳的线性度和最低的噪声。在UHF级,射频调谐器的噪声系数为4dB,符合MBRAI II标准。如果某种应用需要更高的性能,可通过增加外部LNA使噪声系数达到2dB或更低。英飞凌可提供完整的参考设计或根据客户的具体需求修改设计。

  在TUS9090中,位于天线和输入级之后的是嵌入式射频接收器,它是集成了LNA、混频器、通道滤波器、晶体振荡器、锁相环路(PLL) 和片上环路滤波器、VCO和IF增益控制器的直接变频接收器。从射频到I/Q信号的差分信号通道具备出色的噪声抑制功能。此外,集成化宽带射频AGC(自动增益控制)环路位于集成LNA之后。该射频组件能够直接接在LNA之后对信号进行检测,它能够响应混频器所能检测到的所有信号,避免由任何相邻信道所引起的任何线性度问题。针对宽带AGC,TUS9090采用模拟增益控制环路、实现基带增益控制的数字化,并通过专用数字AGC总线控制可编程增益步长。此外,支持多种标准晶体频率的集成化高性能晶体振荡器,可确保射频组件的正常工作——不论系统时钟是否可用。不过这种射频组件也能配合优质的系统时钟一起工作,从而降低晶振成本。
值得强调的是,零中频直接转换接收器由于具备最少的外部组件并且降低了功耗,从而满足收接器的模拟和射频规范,因此成为适用于DVB-H的主流架构。低中频射频架构是零中频的替代方案,但需满足N±1阶干扰所导致的严格的镜像抑制要求。不过采用先进的CMOS工艺可实现多种混合信号校准和电路技术,从而克服了零中频直接变频架构的缺点,例如直流偏移。用于DVB-T和DVB-H制式的高带宽和大量副载波,可降低几千赫兹的直流频谱,同时不会明显降低性能。此外,近期进行的产品开发表明,可以将LNA集成于采用纯CMOS工艺技术制造的射频调谐器——尽管DVB-H需要较宽的输入频率范围。在射频参考点,系统噪声系数低于 3.5-4dB,可满足灵敏度要求。


表1:移动电视制式比较。

  阻塞干扰是另一个设计挑战。移动电视接收器需要覆盖宽频谱,从而会引起许多潜在的无用信号,这就需要接收器具有足够大的动态范围。这也需要整个系统具有较高的线性度和出色的噪声性能,以及宽带增益控制环路,以防止混频器和后续级由强干扰所引起的饱和。前两个需求最终决定了模拟接收器部分的功耗约束。因此,对于一些需要较低线性度的单频应用,具备可以在功耗和噪声系数方面实现进一步优化的优势。

  TUS9090可对ETSI EN 300 744和ETSI EN 302 304定义的OFDM信号进行数字化解调。PHY模块集成了所有OFDM功能,其中包括同步、FFT、通道评估、去映射器、内部解交织器、内解码器、外解交织器和外解码器。为了使功耗降至最低,它还集成了专为最大程度降低功耗、优化同步性能而设计的功率控制组件。此外,内部高性能多层总线,将诸如片上处理器等不同的IP块互连在一起,从而实现高级并行总线功能,通过降低系统总延迟最终提高系统吞吐量。可通过从机SDIO接口建立主机连接。该接口可在导入过程中将FW下载至芯片,然后将IP数据流转移至主机。它还可作为控制接收器配置的链路,并可处理高达50MHz的时钟速率,从而使接收器在DVB-H模式下的导通时间降至最低。

  该终端的移动特性可引起快速时变通道和接收的信号及其回波的多卜勒频移。在这种条件下运行的接收器性能主要取决于使用的调制性能和标准保护性能及信号处理算法。DVB-H制式能够消除这些隐患,提供多样配置,调整性能,满足实际需求。

  TUS9090还包含完整的固件,这些固件可提供多种自动功能,例如信道配置文件检测、频率扫描和PSI/SI分析等。另外,还提供与市场上主要中间件产品兼容的DVB-H主机驱动程序。

  图2为英飞凌的单片集成电路TUS9090的实物图。英飞凌已于去年开始提供TUS9090样片,预计今年第二季度实现量产。另外,英飞凌还将射频接收器嵌入TUS9090,开发出独立的OmniTune TUA9000。目前已开始试供。

图 2 :TUS9090单片SOC内部物理结构示意图。

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