第一章概述 第一章概述 1.1数字电视发展概况 1.1.1数字电视和模拟电视的区别 随着数字技术的不断发展，电视广播从模拟到数字的转换己经成为一个全球 性的趋势。那么，数字电视和传统模拟电视相比，到底有哪些不同，又有哪些优 势呢？ 图1-1,1-2,1-3,1-4分别给出了模拟和数字电视发送接收链路的简要系 统框图。可以看出，两者主要存在以下的差别： 1.信号处理。数字电视信号在发射之前，经过模拟数字转换后，需要进行 音频和视频压缩以及编码。通过这个步骤，减少冗余信息，达到在尽量小的带宽 内包含更大的信息量，其结果是能够在一定的信道内传送更高质量的音视频信 号。通过加入各种纠错编码，提高信号传输的有效性。而传统的模拟电视则没有 这种手段。 2.调制方式。数字电视采用数字调制，如正交相移键控(QPSK灯、正交幅度 调制(QAM),大幅度提高频带利用率，使得在一定的带宽内可以包含更多的频道 内容。而模拟电视采用普通的模拟调制，只是简单地将低频信号搬移至高频，易 于发射传播。 3.数据传输。数字电视信号中不仅包含视频和音频信息，还可以有数据传 输，使得提供电视信号之外的数据信息服务成为可能。 正是由于数字电视在信号传输和处理上有以上有别于传统模拟电视的特点， 因此也就相应地具备以下这些优势： 1.具有优质的语音和画面质量。 2.可以包含更多的节目套数，更丰富的节目内容。 3.更强的抗干扰能力。 4.扩展功能增多，如节目预报，视频点播，证券数据服务等等。 视频输入。 模拟 调制 发送 音频输入一 图1-1模拟电视发送机简要框图
第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 数字电视发展概况 1.1.1 数字电视和模拟电视的区别 随着数字技术的不断发展，电视广播从模拟到数字的转换已经成为一个全球 性的趋势。那么，数字电视和传统模拟电视相比，到底有哪些不同，又有哪些优 势呢？ 图 1-1，1-2，1-3，1-4 分别给出了模拟和数字电视发送接收链路的简要系 统框图。可以看出，两者主要存在以下的差别： 1．信号处理。数字电视信号在发射之前，经过模拟数字转换后，需要进行 音频和视频压缩以及编码。通过这个步骤，减少冗余信息，达到在尽量小的带宽 内包含更大的信息量，其结果是能够在一定的信道内传送更高质量的音视频信 号。通过加入各种纠错编码，提高信号传输的有效性。而传统的模拟电视则没有 这种手段。 2．调制方式。数字电视采用数字调制，如正交相移键控(QPSK)、正交幅度 调制(QAM)，大幅度提高频带利用率，使得在一定的带宽内可以包含更多的频道 内容。而模拟电视采用普通的模拟调制，只是简单地将低频信号搬移至高频，易 于发射传播。 3．数据传输。数字电视信号中不仅包含视频和音频信息，还可以有数据传 输，使得提供电视信号之外的数据信息服务成为可能。 正是由于数字电视在信号传输和处理上有以上有别于传统模拟电视的特点， 因此也就相应地具备以下这些优势： 1．具有优质的语音和画面质量。 2．可以包含更多的节目套数，更丰富的节目内容。 3．更强的抗干扰能力。 4．扩展功能增多，如节目预报，视频点播，证券数据服务等等。 视频输入 音频输入 模拟 调制 发送 图 1-1 模拟电视发送机简要框图
第一章概述 调谐 音频 视频输出 接收 视频 分离 音频输出 图1-2模拟电视接收机简要框图 视频输入一 ADC 音频输入一 压缩 数字 ADC 编码 调制 发送 数据输入 图1-3数字电视发送机简要框图 DAC 视频输出 调 接收一 ADC 数字 解调 解码 DAC 。音频输出 器 数据输出 图1-4数字电视接收机简要框图 1.1.2全球数字电视发展概况 正是因为数字电视具有传统模拟电视无可比拟的优越性，其在世界范围内受 到广泛关注，各国都积极制定自己的数字电视发展战略。 欧洲1993年成立了数字视频广播组织DVB(Digital Video Broadcasting), 为数字视频广播系统提供一个标准框架。该组织针对卫星，有线和地面三种广播 方式分别推出了DVB-S、DVB-C、DVB-T[1]标准。这些均得到欧洲通信标准组 织(ETS)和国际电联(TU)的通过，并且在欧洲范围内逐渐得到推广和应用。 美国采用以HDTV为基础的ATSC(Advanced Television System Committee[2]作为国家数字电视(DTV)标准。从1998年~2003年，美国数字电视 发展已初具规模[3]。截止到2005年上半年，美国共有1497座地面数字电视台， 占整个电视台的93.5%，覆盖了1.065亿电视家庭的99.7%的市场，数字电视渗 透率达到55%，数字电视用户超过6000万。美国计划在2009年完成模拟向 数字的转换。 日本是数字电视研究与开发起步较早的国家，1999年发布数字电视标准 lSDB-T(Terrestrial Integrated Service Digital Broadcasting)[4]标准，2o01年开 播高清晰度数字电视，2003年在主要的大城市开播地面高清晰电视，2006年实 2
第一章 概述 2 图 1-2 模拟电视接收机简要框图 视频输入 ADC 音频输入 数据输入 ADC 压缩 编码 数字 调制 发送 图 1-3 数字电视发送机简要框图 调 谐 器 数字 解调 解码 数据输出 接收 ADC DAC DAC 视频输出 音频输出 图 1-4 数字电视接收机简要框图 1.1.2 全球数字电视发展概况 正是因为数字电视具有传统模拟电视无可比拟的优越性，其在世界范围内受 到广泛关注，各国都积极制定自己的数字电视发展战略。 欧洲 1993 年成立了数字视频广播组织 DVB (Digital Video Broadcasting)， 为数字视频广播系统提供一个标准框架。该组织针对卫星，有线和地面三种广播 方式分别推出了 DVB-S、DVB-C、DVB-T[1]标准。这些均得到欧洲通信标准组 织(ETSI)和国际电联(ITU)的通过，并且在欧洲范围内逐渐得到推广和应用。 美国采用以HDTV为基础的ATSC(Advanced Television System Committee)[2]作为国家数字电视(DTV)标准。从1998年~2003年，美国数字电视 发展已初具规模[3]。截止到2005 年上半年, 美国共有1497 座地面数字电视台, 占整个电视台的93.5 % ，覆盖了1.065 亿电视家庭的99.7 %的市场,数字电视渗 透率达到55 %， 数字电视用户超过6000 万。美国计划在2009 年完成模拟向 数字的转换。 日本是数字电视研究与开发起步较早的国家，1999 年发布数字电视标准 ISDB-T(Terrestrial Integrated Service Digital Broadcasting)[4]标准，2001 年开 播高清晰度数字电视，2003 年在主要的大城市开播地面高清晰电视，2006 年实
第一章概述 现地面数字电视全国覆盖，全部是数字高清节目。 1.1.3中国数字电视发展概况 2003年，广电总局制定了《我国有线电视向数字化过渡时间表》[5]，正式 拉开了中国数字电视发展的序幕。按照这个时间表，中国的数字电视发展分为几 个阶段。 第一阶段：到2005年，直辖市、东部地区地（市）以上城市、中部地区省会 市和部分地（市）级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。 第二阶段：到2008年，东部地区县以上城市、中部地区地（市）级城市和大 部分县级城市、西部地区部分地（市）级以上城市和少数县级城市的有线电视基本 完成向数字化过渡。 第三阶段：到2010年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的 有线电视基本完成向数字化过渡。 第四阶段：到2015年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过 渡。 近日，国务院办公厅转发了发改委等六部门《关于鼓励数字电视产业发展若 干政策的通知》[6]，在明确发展目标，优化投融资环境，加强税收优惠支持， 推动技术进步，加强市场培育和监管，推进“三网”（宽带通信网，数字电视网和下 一代互联网)融合，加强知识产权保护。而中国自己的地面数字电视标准 DMB-TH[7]也己经正式出台。 广电总局已经明确，北京、天津、上海、沈阳、青岛、秦皇岛等6个奥运城 市和广东省广州、深圳市都将在奥运期间开播地面高清电视节目。借助北京奥运 的契机，数字电视的普及将会得到进一步的大力推进。整个数字电视产业链正在 逐步完善，数字电视专用集成电路、高清晰度显示器件、应用软件和系统集成、 数字电视节目制作、数字电视网络运营在内的各个行业都将得到蓬勃发展。 1.2电视调谐器的发展与研究现状 从数字电视接收链路简图中可以看到，调谐器(Tuner))是信号在通路中所经 过的第一个模块，因此其性能表现对整个系统的性能有至关重要的影响。 传统的电视调谐器由分立元件构成，通过印刷电路板(PCB)互连，外型是一 个铁盒装置，所以被称为Can Tuner。.内部各个区域实现不同的功能，通过金属 将各区域隔离，防止信号之间的串扰。此类调谐器存在几个难以解决的缺陷。 1.性能不稳定。每个器件都有独立的电气和温度特性，因此随着时间推移 3
第一章 概述 3 现地面数字电视全国覆盖，全部是数字高清节目。 1.1.3 中国数字电视发展概况 2003 年，广电总局制定了《我国有线电视向数字化过渡时间表》[5]，正式 拉开了中国数字电视发展的序幕。按照这个时间表，中国的数字电视发展分为几 个阶段。 第一阶段：到 2005 年，直辖市、东部地区地(市)以上城市、中部地区省会 市和部分地(市)级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。 第二阶段：到 2008 年，东部地区县以上城市、中部地区地(市)级城市和大 部分县级城市、西部地区部分地(市)级以上城市和少数县级城市的有线电视基本 完成向数字化过渡。 第三阶段：到 2010 年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的 有线电视基本完成向数字化过渡。 第四阶段：到 2015 年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过 渡。 近日，国务院办公厅转发了发改委等六部门《关于鼓励数字电视产业发展若 干政策的通知》[6]，在明确发展目标，优化投融资环境，加强税收优惠支持， 推动技术进步，加强市场培育和监管，推进“三网”(宽带通信网，数字电视网和下 一代互联网)融合，加强知识产权保护。而中国自己的地面数字电视标准 DMB-TH[7]也已经正式出台。 广电总局已经明确，北京、天津、上海、沈阳、青岛、秦皇岛等 6 个奥运城 市和广东省广州、深圳市都将在奥运期间开播地面高清电视节目。借助北京奥运 的契机，数字电视的普及将会得到进一步的大力推进。整个数字电视产业链正在 逐步完善，数字电视专用集成电路、高清晰度显示器件、应用软件和系统集成、 数字电视节目制作、数字电视网络运营在内的各个行业都将得到蓬勃发展。 1.2 电视调谐器的发展与研究现状 从数字电视接收链路简图中可以看到，调谐器(Tuner)是信号在通路中所经 过的第一个模块，因此其性能表现对整个系统的性能有至关重要的影响。 传统的电视调谐器由分立元件构成，通过印刷电路板(PCB)互连，外型是一 个铁盒装置，所以被称为 Can Tuner。内部各个区域实现不同的功能，通过金属 将各区域隔离，防止信号之间的串扰。此类调谐器存在几个难以解决的缺陷。 1．性能不稳定。每个器件都有独立的电气和温度特性，因此随着时间推移
第一章概述 和外部环境的变化，调谐器的总体性能的变化范围较大，最终导致图像质量的变 化。 2.体积较大。因为内部空间需要容纳众多器件，包括芯片，线圈，电容等 等，而且要考虑散热的问题。 3.成本较高。调谐器的成本包含内部的多块芯片，线圈，电容，外层铁盒 以及PCB板制作费用，价格不菲。 近年来，随着集成电路设计和制造能力的不断提升，尤其是射频CMOS工 艺的不断成熟，单芯片全集成的电视调谐器越来越受到关注，并且成为各大公司 和科研机构追逐的热点，也逐渐成为调谐器市场的主流。其微小的体积，在追求 精致外观的现代化电子设备制造商中备受欢迎：其低廉的价格，更是在市场上具 有极强的竞争力：因为采用CMOS工艺，使得调谐器和后级解调器等数字模块 的集成成为可能，这也更加凸显出其在成本上的优势。 图1-5展示了欧洲DiBcom公司调谐器产品的演进过程[8]。早期是传统的 Can Tuner,然后成功地实现了硅单芯片调谐器产品，最后将调谐器和数字解调 模块集成到了一块面积为12mm×12mm的芯片上。通过集成度的不断提高，面 积和成本上的优势得到淋漓尽致的体现。 目前，针对卫星接收（如DVB-S)和手持式设备（如DVB-H)的单芯片电视调谐 器的研究己经比较成熟[9,10]，且都达到了很好的性能。 对于DVB-S标准，虽然信号带宽达到了950-2150MHz,甚至比DVB-T标 准略宽，但对于调谐器设计要求而言，其相对于中间频率的调谐范围只需要 77%,而DVB-T标准则达到了180%。在接收动态范围方面，只要求-65~-25 dBm,也比DVB-T小得多。此外，DVB-S采用单一的QPSK调制方式，相对 比较简单，对于调谐器输出信噪比的要求比较低，设计难度也就相对较小。 而DVB-H标准在信号带宽和功率方面都可以看作是DVB-T标准的一个子 集，它占用UHF频段，即47OMHz~860MHz,只是DVB-T标准的其中一个部 分。因此，针对DVB-H标准的调谐器芯片，其设计难度必然低于DVB-T标准。 正是由于这些难点，应用于地面广播（如DVBT)的单芯片数字电视调谐器研 究尚处于起步阶段，在性能、功耗和集成度等方面还存在很大的改进余地。有些 研究仍然采用Biploar或者BiCMOS工艺，与后级数字模块的集成比较困难，成 本较高。因此，针对DVB-T标准的数字电视调谐器芯片具有更高的研究价值， 本文的研究方向就是针对这个标准展开。 g
第一章 概述 4 和外部环境的变化，调谐器的总体性能的变化范围较大，最终导致图像质量的变 化。 2．体积较大。因为内部空间需要容纳众多器件，包括芯片，线圈，电容等 等，而且要考虑散热的问题。 3．成本较高。调谐器的成本包含内部的多块芯片，线圈，电容，外层铁盒 以及 PCB 板制作费用，价格不菲。 近年来，随着集成电路设计和制造能力的不断提升，尤其是射频 CMOS 工 艺的不断成熟，单芯片全集成的电视调谐器越来越受到关注，并且成为各大公司 和科研机构追逐的热点，也逐渐成为调谐器市场的主流。其微小的体积，在追求 精致外观的现代化电子设备制造商中备受欢迎；其低廉的价格，更是在市场上具 有极强的竞争力；因为采用 CMOS 工艺，使得调谐器和后级解调器等数字模块 的集成成为可能，这也更加凸显出其在成本上的优势。 图 1-5 展示了欧洲 DiBcom 公司调谐器产品的演进过程[8]。早期是传统的 Can Tuner，然后成功地实现了硅单芯片调谐器产品，最后将调谐器和数字解调 模块集成到了一块面积为 12mm×12mm 的芯片上。通过集成度的不断提高，面 积和成本上的优势得到淋漓尽致的体现。 目前，针对卫星接收(如 DVB-S)和手持式设备(如 DVB-H)的单芯片电视调谐 器的研究已经比较成熟[9,10]，且都达到了很好的性能。 对于 DVB-S 标准，虽然信号带宽达到了 950-2150MHz，甚至比 DVB-T 标 准略宽，但对于调谐器设计要求而言，其相对于中间频率的调谐范围只需要 77%，而 DVB-T 标准则达到了 180%。在接收动态范围方面，只要求-65~-25 dBm，也比 DVB-T 小得多。此外，DVB-S 采用单一的 QPSK 调制方式，相对 比较简单，对于调谐器输出信噪比的要求比较低，设计难度也就相对较小。 而 DVB-H 标准在信号带宽和功率方面都可以看作是 DVB-T 标准的一个子 集，它占用 UHF 频段，即 470MHz~860MHz，只是 DVB-T 标准的其中一个部 分。因此，针对 DVB-H 标准的调谐器芯片，其设计难度必然低于 DVB-T 标准。 正是由于这些难点，应用于地面广播(如 DVB-T)的单芯片数字电视调谐器研 究尚处于起步阶段，在性能、功耗和集成度等方面还存在很大的改进余地。有些 研究仍然采用 Biploar 或者 BiCMOS 工艺，与后级数字模块的集成比较困难，成 本较高。因此，针对 DVB-T 标准的数字电视调谐器芯片具有更高的研究价值， 本文的研究方向就是针对这个标准展开
第一章概述 <2004 2005 2006 Traditional in-can tuner Two chip front-end One chip front-end front-end RF tuner demod DIB7070 12x12mm 8988 的 图1-5调谐器产品演进过程 1.3论文的研究内容及贡献 本论文着重研究了单芯片CMOS数字电视调谐器射频前端电路，包括系统 架构分析，系统性能参数的要求，各模块之间的参数分配等。在此基础上进行了 具体电路的设计，并且通过流片和测试，对理论分析进行了验证。具体内容和贡 献包括： 1.以欧洲各国普遍采用的DVB-T标准为例，在理论上分析了调谐器系统的 些关键的性能参数所需要达到的指标，包括增益，噪声，线性度等等。根据 DVB-T标准在信号带宽，动态范围等方面的特点，对现存的几种主要调谐器架 构进行了分析，比较它们之间的优缺点，提出了一种有利于单芯片全集成的二次 变频低中频架构方案。 2.对调谐器射频前端进行了具体电路设计，包括可变增益低噪声放大器， 上变频混频器和正交下变频混频器。通过对各模块电路的理论分析，采用合适的 电路结构，使得性能指标能够满足系统应用的要求
第一章 概述 5 图 1-5 调谐器产品演进过程 1.3 论文的研究内容及贡献 本论文着重研究了单芯片 CMOS 数字电视调谐器射频前端电路，包括系统 架构分析，系统性能参数的要求，各模块之间的参数分配等。在此基础上进行了 具体电路的设计，并且通过流片和测试，对理论分析进行了验证。具体内容和贡 献包括： 1．以欧洲各国普遍采用的 DVB-T 标准为例，在理论上分析了调谐器系统的 一些关键的性能参数所需要达到的指标，包括增益，噪声，线性度等等。根据 DVB-T 标准在信号带宽，动态范围等方面的特点，对现存的几种主要调谐器架 构进行了分析，比较它们之间的优缺点，提出了一种有利于单芯片全集成的二次 变频低中频架构方案。 2．对调谐器射频前端进行了具体电路设计，包括可变增益低噪声放大器， 上变频混频器和正交下变频混频器。通过对各模块电路的理论分析，采用合适的 电路结构，使得性能指标能够满足系统应用的要求