卫星调谐器原理1资料

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1、數位電視調諧器架構技術分析 48 系統晶片 002002期 數位電視調諧器架構技術分析 吳思賢 Szu-Hsien Wu 系統晶片佈局工程部 高頻積體電路設計部 摘要 隨著通訊技術及壓縮技術的大躍進，全球的 電視廣播已從類比電視廣播逐漸地替換成數位 電視廣播。數位廣播的變革將帶動相關產業的迅 速發展，數位電視及機上盒（Set-Top-Box, STB） 就是其中一環。不僅如此，未來更會朝向行動接 收數位電視發展，讓隨時隨地接收電視節目不再 是夢想，而調諧器（tuner）電路在數位電視機及 機上盒或未來行動接收系統中皆佔著舉足輕重 的地位。本文將針對目前調諧器的架構做深入淺 出的分析，比較各種架

2、構之優缺點，並提出適合 未來行動接收的調諧器架構。 1. 前言 數位電視傳播媒介（圖一）主要可分為衛星 傳播、有線傳播、及地面廣播三類。衛星涵蓋的 範圍最廣，最不易受地形地物的影響，但信號從 衛星經過大氣層衰減再傳播到地面已變得相當 微弱，必須使用碟形天線及低雜訊模組 （LNB） ， 才能得到足夠的訊雜比，因此較適合用於定點接 收；有線系統因為佈線成本相當昂貴，涵蓋的範 圍最小，較適合用於都會且人口密集的地區，不 過信號在電纜線中傳送最不易受雜訊干擾，是頻 譜使用效益最大的一種傳播方式；地面廣播涵蓋 的範圍介於上述兩者之間，藉由基地站的架設及 位置選擇，可擴大涵蓋範圍。若是使用類比電視 廣播系

3、統，兩個相鄰的基地站必須使用不同的頻 率來播放節目，以避免相互干擾。而數位電視廣 播系統，利用先進的通訊技術克服同頻干擾，形 成所謂的單頻網路（SFN），更適合用於未來的 行動接收方式。 圖一 數位電視傳播媒介 目前全球的數位地面廣播共分三種標準（表 一）：一是美規的ATSC，除了美國本身以外， 加拿大及韓國皆採用此標準；另一是日規的 ISDB-T，只有日本採用此標準；第三種標準為大 部分國家皆採用的歐規DVB-T，包括我國在內。 我國政府原先採用美規的ATSC標準，在試播期 間，發覺歐規的DVB-T標準更適合我國都會區 高樓林立及地狹人稠的特殊地理環境，故委託大 同大學進行兩種標準的工程測試

4、，測試結果報告 證實的確如此，轉而採用歐規的DVB-T標準。 DTV RF Tuner Architecture Technology Analysis DTV RF Tuner Architecture Technology Analysis SoC Technical Journal SoC Technical Journal 49 中國大陸至今尚未決定採用或自訂何種標準，目 前以上海交通大學所提出的ADTB-T系統及清 華大學所研發的DMB-T系統呼聲最高。 表一 數位電視廣播之標準 美規 歐規 日規 衛星傳播 DSS DVB-S ISDB-S 有線傳播 Open Cable DVB-C

5、 地面廣播 ATSC DVB-T ISDB-T 有鑒於未來朝向個人化行動接收數位廣播電 視的趨勢，全球各組織紛紛提出行動接收標準， 其中最受矚目的是歐洲數位視訊廣播技術發展 組織（Digital Video Broadcasting Project, DVB Project）所提出適用於手持式裝置接收的數位廣 播標準（DVB-H），此標準於2004年2月完成 規格制定，並於11月通過審查成為正式標準。 另一種是韓國提出行動接收多媒體及視訊的 T-DMB標準，T-DMB是修改自歐洲數位音訊廣 播DAB標準之Eureka 147系統，並具備接收行 動視訊的能力。另有日本提出的ISDB-T，除了 規

6、劃地面廣播的固定接收外，ISDB-T亦明訂出 行動接收的範疇。既然用於個人手持設備，其接 收機的尺寸及耗電量就顯得相當重要，這也是未 來行動多媒體能否普及、技術待突破的重要 關鍵。 接下來的內文，將針對接收機中有關調諧器 架構部分做完整的技術探討。第二節先討論調諧 器種類、功能、及規格要求；第三節將討論傳統 式調諧器（CAN Tuner）架構，與目前現有的矽 晶調諧器（Silicon Tuner）架構做比較，分析之 間的優缺點及差異；第四節將敘述工研院晶片中 心這一年多針對矽晶調諧器架構所做的研究成 果，並探討未來行動接收適用的架構。最後，在 第五節做簡單的結語。 2. 調諧器 節目製作業者或

7、播放業者利用頭端設備將數 位電視信號傳送到用戶端，用戶端可利用數位電 視機、機上盒、或其它支援播放標準的數位接收 系統，將接收信號做各種數位處理後，呈現出電 視節目或影音多媒體，而這些裝置皆由內建接收 機來接收信號，因此接收機的好壞直接影響到接 收信號的品質。一般而言，接收機主要分成兩大 部分，一是前端（Front-End）接收部分，主要由 調諧器及解調器（Demodulator） 構成；另一是 後端（Back-End）解碼器（Decoder）部分，負 責影音解壓縮處理。本節將針對調諧器部分，就 種類、功能及規格分段闡述。 2.1 調諧器種類 調諧器的應用相當廣泛，可歸納出下列幾 種：依據不同

8、的傳播媒介，可區分為衛星調諧器 （Satellite Tuner）、有線系統調諧器（Cable Tuner） 、及地面廣播調諧器 （Terrestrial Tuner） ； 依據不同廣播性質，可區分為音訊調諧器 （Audio Tuner）及視訊調諧器（Video Tuner）；或依不 同的標準，分為類比NTSC、PAL調諧器、數位 DVB、ATSC、ISDB調諧器等等。大體而言，根 據技術演進，不管何種調諧器皆可區分為傳統式 調諧器（見圖二）及矽晶調諧器（見圖三）這兩 種。 數位電視調諧器架構技術分析 50 系統晶片 003003期 圖二 傳統式調諧器（資料來源：Comtech） 圖三 矽晶調

9、諧器（資料來源：Himax） 2.2 調諧器功能 調諧器和一般無線接收機功能相近，負責將 接收的射頻信號放大並降頻到中頻範圍，經過 A/D轉換，再給解調器做解調的動作。然而頭端 業者為了讓用戶有更多的節目選擇，通常會多個 節目一起放送，傳統的類比電視信號是一個頻道 載一個節目；數位電視信號拜壓縮技術的進步， 一個頻道會載二到三個節目。因此，在用戶端會 同時接收到多個頻道的信號，調諧器的功能便是 選擇想要的頻道 （或節目） ，將不要的頻道濾除， 並避免不要的頻道在降頻過程中干擾到想看的 頻道，一般將此動作稱為選台。此外，接收的信 號因為載有多個頻道而形成寬頻信號，調諧器亦 須具備有寬頻設計，才能

10、完整的將信號接收並處 理 1。 2.3 調諧器規格要求 ! 動態範圍（Dynamic Range）： 動態範圍指輸入信號的強度改變時，調諧器 仍具有處理信號的能力。例如，當用戶端距離發 射站很遠時，頭端信號藉由空氣傳送到用戶端已 變得相當微弱，調諧器必須調整到最大增益來放 大這微弱信號；若用戶端距離發射站很近，此時 會接收到很強的信號，當然調諧器也必須調整到 最小增益以防止信號飽和。 不同的傳播方式對動態範圍的要求均不同， 通常以地面廣播對動態範圍的要求最大，約為 6070dB，有線傳播方式其次，約3040dB，衛 星傳播方式動態範圍則要求最小。 ! 雜訊指數（Noise Figure）： 調

11、諧器在處理信號的同時本身亦會產生雜 訊，雜訊指數便是量測調諧器產生雜訊的程度。 嚴格來說，信號進入調諧器之前有輸入訊雜比 （SNR Input） ，經過調諧器之後會有輸出訊雜比 （SNR Output），輸入和輸出訊雜比的差值即是 雜訊指數。雜訊指數是調諧器重要指標之一，它 定義出調諧器最小可接收的信號強度，或稱為接 收靈敏度（Sensitivity）。 以數位地面廣播為例，雜訊指數要求不得高 於7dB，而有線系統10dB雜訊指數已足夠，衛 星系統則是由調諧器前端的低雜訊降頻放大器 （LNB）決定，雜訊指數通常要小於1dB。 ! 相位雜訊（Phase Noise）： 調諧器接收射頻信號後，再將

12、信號降頻到中 DTV RF Tuner Architecture Technology Analysis DTV RF Tuner Architecture Technology Analysis SoC Technical Journal SoC Technical Journal 51 頻範圍，降頻的過程需要一本地振盪源（Local Oscillator）和射頻信號進行混波處理。理論上， 本地振盪源是一理想的正弦波，頻譜上中心頻率 像一脈衝波形；然而實際上，本地振盪源易受雜 訊的影響，在時域上在零點交錯位置會產生抖動 現象（Jitter）；在頻域上則是沿著中心頻率產生 裙擺 （圖四） ，當

13、裙擺越大意味著相位雜訊越大。 理想的本地振盪源 實際的本地振盪源 圖四 理想和實際本地振盪源頻譜圖 相位雜訊會直接影響到數位調諧器的輸出訊 雜比，降低頻譜使用效益。例如，使用64QAM 的調變技術做傳輸，由於相位雜訊使得訊雜比下 降，必須改用16QAM，頻譜效益因此降低約 33%。對於類比調諧器而言，相位雜訊的影響就 不顯著，主要是類比調變不易受相位雜訊干擾。 ! 鏡像抑制（Image Rejection）： 降頻的動作是希望將接收的高頻信號降到中 頻範圍，使後級A/D轉換器有能力處理信號，降 頻一般使用混波器來完成。不幸的是，混波動作 能將想要的頻道從射頻降到中頻，同時落在想要 頻道的高或低

14、兩倍中頻位置，這時不想要的頻道 （一般稱為鏡像頻道）也會降到中頻，使得想要 的頻道和鏡像頻道重疊在一起，破壞了原先的信 號品質。 因此，在混波器前端會加一濾波器（一般稱 為鏡像抑制濾波器），信號進入混波器前，此鏡 像抑制濾波器就能濾除鏡像頻道，之後再做混波 的動作，就可避免上述可能發生的問題。另一作 法是混波器本身即包含鏡像頻道濾除的動作，稱 為鏡像抑制混波器（Image Reject Mixer），此優 點是無需額外的鏡像抑制濾波器，因此更適合用 於積體電路的整合。 因為調諧器接收處理寬頻信號，鏡像問題更 是無法避免，故調諧器一定要有鏡像抑制的能 力，一般來說必須達到5060dB的鏡像抑制才

15、足 夠。 3. 調諧器架構 就如同一般無線接收機設計，需依據其標準 及傳送信號的特性，選擇適當的接收機架構。然 而，調諧器因為接收寬頻信號，須因應調諧器的 要求產生不同於一般無線接收機的架構，本節將 針對各種不同的調諧器架構做技術分析，比較其 優缺點，並提出新的調諧器架構，於下一章節討 論。 調諧器架構大致可歸下列幾類：單轉換中頻 輸出（Single Conversion with IF）、單轉換低中 頻輸出（Single Conversion with Low IF）、單轉 換零中頻輸出 （Single Conversion with Zero IF） 、 雙轉換中頻輸出（Dual Conv

16、ersion with IF）、雙 轉換低中頻輸出（Dual Conversion with Low IF） 、及雙轉換零中頻輸出 （Dual Conversion with Zero IF）。接下來分段說明其技術演進。 3.1 單轉換中頻輸出 傳統式調諧器不論類比調諧器或數位調諧器 皆採用此架構（圖五）： 數位電視調諧器架構技術分析 52 系統晶片 003003期 圖五 單轉換中頻輸出架構圖 載有多頻道的寬頻信號進入LNA做低雜訊 放大，藉由追蹤濾波器（Tracking Filter）將鏡像 信號去除，利用混波器（Mixer）和本地振盪源 （LO）混出中頻信號，最後經由SAW濾波器選 擇出想要的頻道，並去除其它不想要的頻道，完 成調諧器的功能。值得研究的是在這個架構中鏡 像抑制濾波器為何以追蹤濾波器取代？我們觀 察此架構的頻譜分佈，仔細分析如下（圖六）。 （1）低頻道狀態：調諧器接收到多頻道的寬頻 信號 （淺灰色） ，想要的信號位於最低的頻道 （白 色黑框） ，高於兩倍中頻的位置即為鏡像頻道 （黑 色），其恰好在寬頻信號頻帶內（圖6-a）。 低雜訊放大後的信號，可