第一章概述 3.通过流片和测试，验证理论分析。通过对测试数据的分析，发现原有架 构在噪声和线性度等方面的缺陷，提出了改进后的新架构，并且在理论上加以完 善。 4.对其中的上变频混频器电路进行了改进，并且再次进行流片验证，测试 得到各项性能参数。 总之，本论文在理论上分析了数字电视调谐器系统架构，进行了具体电路设 计，并且通过流片和测试进行验证，之后对原有架构作了进一步的改进。对电视 调谐器以及其他类型射频接收机的分析和设计具有一定的参考和借鉴价值。 1.4论文的组织结构 本论文以欧洲国家普遍采用的DVB-T数字电视地面广播标准为例，在理论 上分析了数字电视调谐器在一些关键性能参数上所需要达到的指标，在分析现有 架构的基础上，确定了适用单芯片全集成方案的系统架构，并且对射频前端的具 体电路模块进行了设计实现。而后通过流片和测试，对理论分析进行了有力的验 证。具体组织结构如下： 第二章以DB-T标准为例，分析了电视调谐器系统在增益，噪声，线性度 和镜像抑制等方面的所需要达到的性能指标。 第三章列举了现存的几种电视调谐器架构，分析比较了各自的优缺点，根据 DB-T标准的特点，以单芯片全集成为目标，确定二次变频低中频作为本论文 设计采用的架构，并且规定了其中的各个模块所需要达到的性能要求。 第四章依次介绍了组成调谐器射频前端的各个模块的设计和实现，包括低噪 声放大器，上变频混频器，正交下变频混频器。针对各模块在信号通路中所处的 不同位置，通过分析电路原理，改进电路结构，提高电路性能，以满足系统应用 的要求。 第五章介绍了射频前端电路的芯片实现和测试结果，包括测试方案和在测试 电路板设计中需要考虑的一些问题。 第六章根据前一章得到的测试结果，分析了原有系统架构的缺陷，并且有针 对性地提出了具体的改进措施。此外，还对其中的上变频混频器模块进行了改进 设计，通过流片验证，给出了各个性能参数的测试结果。 第七章对本文的所有理论分析和具体设计工作进行了简要的总结，同时对未 来的工作提出了展望。 6
第一章 概述 6 3．通过流片和测试，验证理论分析。通过对测试数据的分析，发现原有架 构在噪声和线性度等方面的缺陷，提出了改进后的新架构，并且在理论上加以完 善。 4．对其中的上变频混频器电路进行了改进，并且再次进行流片验证，测试 得到各项性能参数。 总之，本论文在理论上分析了数字电视调谐器系统架构，进行了具体电路设 计，并且通过流片和测试进行验证，之后对原有架构作了进一步的改进。对电视 调谐器以及其他类型射频接收机的分析和设计具有一定的参考和借鉴价值。 1.4 论文的组织结构 本论文以欧洲国家普遍采用的 DVB-T 数字电视地面广播标准为例，在理论 上分析了数字电视调谐器在一些关键性能参数上所需要达到的指标，在分析现有 架构的基础上，确定了适用单芯片全集成方案的系统架构，并且对射频前端的具 体电路模块进行了设计实现。而后通过流片和测试，对理论分析进行了有力的验 证。具体组织结构如下： 第二章以 DVB-T 标准为例，分析了电视调谐器系统在增益，噪声，线性度 和镜像抑制等方面的所需要达到的性能指标。 第三章列举了现存的几种电视调谐器架构，分析比较了各自的优缺点，根据 DVB-T 标准的特点，以单芯片全集成为目标，确定二次变频低中频作为本论文 设计采用的架构，并且规定了其中的各个模块所需要达到的性能要求。 第四章依次介绍了组成调谐器射频前端的各个模块的设计和实现，包括低噪 声放大器，上变频混频器，正交下变频混频器。针对各模块在信号通路中所处的 不同位置，通过分析电路原理，改进电路结构，提高电路性能，以满足系统应用 的要求。 第五章介绍了射频前端电路的芯片实现和测试结果，包括测试方案和在测试 电路板设计中需要考虑的一些问题。 第六章根据前一章得到的测试结果，分析了原有系统架构的缺陷，并且有针 对性地提出了具体的改进措施。此外，还对其中的上变频混频器模块进行了改进 设计，通过流片验证，给出了各个性能参数的测试结果。 第七章对本文的所有理论分析和具体设计工作进行了简要的总结，同时对未 来的工作提出了展望
第一章概述 参考文献 [1]ETSI EN 300744 v1.5.1,"Digital Video Broadcasting;Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television",European Telecommunications Standards Institution,2004. [2]ATSC Standard A/53,"ATSC Digital Television Standard",Advanced Television Standard Committee,1995. [31李小兰，“美国数字电视的发展，现代电影技术，2007,01：13. [4]ITU-R WP 11A/59-E,"Channel coding,frame structure and modulation scheme for terrestrial integrated service digital broadcasting (ISDB-T)", 1999 [5⑤]中华人民共和国广电总局，“我国有线电视向数字化过渡时间表”，2003。 [6]中华人民共和国国务院办公厅，“关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通 知”，2008。 [7]北京凌讯华业科技有限公司，清华大学，“DMB-TH地面数字电视传输技术 白皮书”，2007。 [8]DiBcom Inc.,"Evolution of DVB-T Front-end Receivers through integration",white paper,2007. [9]Adrian Maxim,Ramin K.Poorfard,Richard A.Johnson,et al.,"A Fully Integrated 0.13um CMOS Low-IF DBS Satellite Tuner Using Automatic Signal-Path Gain and Bandwidth Calibration",IEEE J.Solid-State Circuits, vol.42,no.4,pp.897-921,Apr.2007. [10]Kunihiko lizuka,Hiroshi Kawamura,Takanobu Fujiwara,et al.,"A 184mW Fully Integrated DVB-H Tuner With a Linearized Variable Gain LNA and Quadrature Mixers Using Cross-Coupled Transconductor",IEEE J. Solid-State Circuits,vol.42,no.4,pp.862-871,Apr.2007
第一章 概述 7 参考文献 [1] ETSI EN 300744 v1.5.1, “Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television”, European Telecommunications Standards Institution, 2004. [2] ATSC Standard A/53, “ATSC Digital Television Standard”, Advanced Television Standard Committee, 1995. [3] 李小兰，“美国数字电视的发展”[J]，现代电影技术，2007，01:13. [4] ITU-R WP 11A/59-E, “Channel coding, frame structure and modulation scheme for terrestrial integrated service digital broadcasting (ISDB-T)”, 1999 [5] 中华人民共和国广电总局， “我国有线电视向数字化过渡时间表”， 2003。 [6] 中华人民共和国国务院办公厅， “关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通 知”， 2008。 [7] 北京凌讯华业科技有限公司，清华大学， “DMB-TH 地面数字电视传输技术 白皮书”， 2007。 [8] DiBcom Inc., “Evolution of DVB-T Front-end Receivers through integration”, white paper, 2007. [9] Adrian Maxim, Ramin K. Poorfard, Richard A. Johnson, et al., “A Fully Integrated 0.13μm CMOS Low-IF DBS Satellite Tuner Using Automatic Signal-Path Gain and Bandwidth Calibration”, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 4, pp. 897-921, Apr. 2007. [10] Kunihiko Iizuka, Hiroshi Kawamura, Takanobu Fujiwara, et al., “A 184mW Fully Integrated DVB-H Tuner With a Linearized Variable Gain LNA and Quadrature Mixers Using Cross-Coupled Transconductor”, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 4, pp. 862-871, Apr. 2007
第二章电视调谐器系统性能分析 第二章数字电视调谐器系统性能分析 这一章首先简要介绍被欧洲各国普遍采用的数字电视地面广播标准 DVB-T,然后以此标准为例，详细分析了数字电视调谐器在增益、噪声、线性度 和镜像抑制等方面需要达到的性能指标。 2.1DVB-T标准 在DVB-T标准中，几个主要的指标如表2-1所示[1]。信号带宽为 50MHz~860MHz,包括超高频VHF)和甚高频(UHF)频段。频带宽度有6M、7M 和8M三种模式，调制方式可选择QPSK,16QAM和64QAM。各个国家和地 区可以根据自身的情况，选择不同的频带宽度，调制方式以及载波个数。 在每个频带内，信号通过正交频分多路(OFDM)[2],利用多个正交载波进行 调制，最终信号的功率谱密度如图2-1所示。其中，载波个数有1512(2 k mode) 和6048(8 k mode)两种选择。由于载波个数相对较多，频带内信号的功率谱密度 可近似认为平坦。 7.6M Frequency 图2-1OFDM频带功率谱密度 ●●●●● 50M 860M 7.2M 图2-2电视调谐器的作用
第二章 电视调谐器系统性能分析 8 第二章 数字电视调谐器系统性能分析 这一章首先简要介绍被欧洲各国普遍采用的数字电视地面广播标准 DVB-T，然后以此标准为例，详细分析了数字电视调谐器在增益、噪声、线性度 和镜像抑制等方面需要达到的性能指标。 2.1 DVB-T 标准 在 DVB-T 标准中，几个主要的指标如表 2-1 所示[1]。信号带宽为 50MHz~860MHz，包括超高频(VHF)和甚高频(UHF)频段。频带宽度有 6M、7M 和 8M 三种模式，调制方式可选择 QPSK，16QAM 和 64QAM。各个国家和地 区可以根据自身的情况，选择不同的频带宽度，调制方式以及载波个数。 在每个频带内，信号通过正交频分多路(OFDM)[2]，利用多个正交载波进行 调制，最终信号的功率谱密度如图 2-1 所示。其中，载波个数有 1512(2k mode) 和 6048(8k mode)两种选择。由于载波个数相对较多，频带内信号的功率谱密度 可近似认为平坦。 图 2-1 OFDM 频带功率谱密度 图 2-2 电视调谐器的作用
第二章电视调谐器系统性能分析 从第一章的数字电视接收链路框图中，我们可以知道调谐器的功能是从接收 到的电视信号中，选出一个想要的频带(channel并将它的频率搬移至低频处， 也就是解调器可以处理的频率范围内，如图2-2所示。 那么对于调谐器而言，如何才能被认为成功地接收并处理了信号呢？根据 DVB-T标准中的定义[3]，当输出MPEG-2数据流平均每一个小时内错误数小于 1时，就可以称之为QEF(quasi error free)。这个错误率对应于在接收机Viterbi 解码器输出的误码率为2×104。为实现QEF的目标，调谐器的输出信噪比需要 达到一定的要求。欧洲广播联盟(European broadcasting union)经过仿真，得出 了对于8M带宽模式，在各个不同的调制方式和码率条件下，接收机输出信噪比 的要求，如表2-2所示1]，其中信道模型采用高斯信道(Gaussian channel。 参数 值 带宽(Band width) 50~860MHz 频道带宽(Channel width) 6/7/8MHz 信号强度(Input level) -90~-20dBm 载波个数(Carrier number) 2k/8k 调制方式 QPSK/16QAM/64QAM 表2-1DVB-T标准中主要参数 调制方式 码率 信噪比要求(dB) 1/2 3.1 213 4.9 QPSK 3/4 5.9 5/6 6.9 718 7.7 1/2 8.8 213 11.1 16QAM 3/4 12.5 5/6 13.5 718 13.9 1/2 14.4 213 16.5 64QAM 3/4 18.0 5/6 19.3 718 20.1 表2-2信噪比要求
第二章 电视调谐器系统性能分析 9 从第一章的数字电视接收链路框图中，我们可以知道调谐器的功能是从接收 到的电视信号中，选出一个想要的频带(channel)并将它的频率搬移至低频处， 也就是解调器可以处理的频率范围内，如图 2-2 所示。 那么对于调谐器而言，如何才能被认为成功地接收并处理了信号呢？根据 DVB-T 标准中的定义[3]，当输出 MPEG-2 数据流平均每一个小时内错误数小于 1 时，就可以称之为 QEF (quasi error free)。这个错误率对应于在接收机 Viterbi 解码器输出的误码率为 2×10-4。为实现 QEF 的目标，调谐器的输出信噪比需要 达到一定的要求。欧洲广播联盟(European broadcasting union)经过仿真，得出 了对于 8M 带宽模式，在各个不同的调制方式和码率条件下，接收机输出信噪比 的要求，如表 2-2 所示[1]，其中信道模型采用高斯信道(Gaussian channel)。 参数 值 带宽(Band width) 50~860 MHz 频道带宽(Channel width) 6/7/8 MHz 信号强度(Input level) －90~－20 dBm 载波个数(Carrier number) 2k/8k 调制方式 QPSK/16QAM/64QAM 表 2-1 DVB-T 标准中主要参数 调制方式 码率 信噪比要求(dB) 1/2 3.1 2/3 4.9 3/4 5.9 5/6 6.9 QPSK 7/8 7.7 1/2 8.8 2/3 11.1 3/4 12.5 5/6 13.5 16QAM 7/8 13.9 1/2 14.4 2/3 16.5 3/4 18.0 5/6 19.3 64QAM 7/8 20.1 表 2-2 信噪比要求
第二章电视调谐器系统性能分析 分析表2-2，我们可以看到，调制方式越复杂，对于信噪比的要求越苛刻， 因为复杂的调制方式必然带来更小的噪声容限，这也是高频谱利用率所必须付出 的代价。同样，随着码率的提高，信噪比的要求也随之提高。 对于调谐器而言，输出信噪比的要求对于确定其整体性能指标具有决定性的 意义。下面，将据此确定调谐器的几个重要性能参数，包括增益，噪声系数和线 性度等。 2.2增益分析 调谐器的系统增益主要有两个因素确定，接受到的信号功率和输出信号功 率。表2-1中已经给出了DVB-T标准下输入信号的功率为-90-20dBm。 从第一章的数字电视接收链路框图中可知，调谐器输出信号将通过模数转换 器(ADC)转化成数字信号。对于ADC而言，为使信号转换后信噪比损失最小， 输入信号幅度最好达到它所能处理的最大值，即实现满摆幅输入。目前，市面上 比较常见的ADC输入峰峰值幅度为1V,即2.2dBm(以75ohm阻抗计算)。 因此，调谐器需要实现22.2~82.2dB的增益范围。 2.3噪声分析 电视调谐器作为一种射频接收机电路，噪声性能的优劣直接影响输出信号的 质量。噪声系数(Noise Figure,NF)作为衡量接收机系统噪声性能的参数，已经 被学术界广泛采用，其表征的是信号通过系统前后信噪比的恶化程度[4]，表达 式如下： NF= NRin_Psgin/PRS SNRout SNRout (2-1) 如果采用对数形式，则有如下表达式： NF=Psigin -PRs-SNRout (2-2) 其中，SNRin和SNRout分别表示输入输出信噪比，Psig.in表示输入信号功率，PRs 表示输入匹配条件下一定带宽内的噪声功率。对于DVB-T系统，以8M带宽模 式为例，则噪声功率为 PRs =kT+10logB=-174dBm/Hz+10logB=-105dBm (2-3) 由式2-2，如果确定输出信噪比的要求为SNRout.reg,就可以计算得到调谐 器所能处理的最小输入信号功率Pn.min,即灵敏度，其表达式如下 0
第二章 电视调谐器系统性能分析 10 分析表 2-2，我们可以看到，调制方式越复杂，对于信噪比的要求越苛刻， 因为复杂的调制方式必然带来更小的噪声容限，这也是高频谱利用率所必须付出 的代价。同样，随着码率的提高，信噪比的要求也随之提高。 对于调谐器而言，输出信噪比的要求对于确定其整体性能指标具有决定性的 意义。下面，将据此确定调谐器的几个重要性能参数，包括增益，噪声系数和线 性度等。 2.2 增益分析 调谐器的系统增益主要有两个因素确定，接受到的信号功率和输出信号功 率。表 2-1 中已经给出了 DVB-T 标准下输入信号的功率为-90~-20dBm。 从第一章的数字电视接收链路框图中可知，调谐器输出信号将通过模数转换 器(ADC)转化成数字信号。对于 ADC 而言，为使信号转换后信噪比损失最小， 输入信号幅度最好达到它所能处理的最大值，即实现满摆幅输入。目前，市面上 比较常见的 ADC 输入峰峰值幅度为 1V，即 2.2dBm(以 75 ohm 阻抗计算)。 因此，调谐器需要实现 22.2~82.2 dB 的增益范围。 2.3 噪声分析 电视调谐器作为一种射频接收机电路，噪声性能的优劣直接影响输出信号的 质量。噪声系数(Noise Figure, NF)作为衡量接收机系统噪声性能的参数，已经 被学术界广泛采用，其表征的是信号通过系统前后信噪比的恶化程度[4]，表达 式如下： in sig,in RS out out SNR P P NF SNR SNR = = (2-1) 如果采用对数形式，则有如下表达式： NF P P SNR = sig,in RS out − − (2-2) 其中，SNRin和 SNRout 分别表示输入输出信噪比，Psig,in表示输入信号功率，PRS 表示输入匹配条件下一定带宽内的噪声功率。对于 DVB-T 系统，以 8M 带宽模 式为例，则噪声功率为 P kT 10logB 174dBm Hz 10logB 105dBm RS = + =− + =− (2-3) 由式 2-2，如果确定输出信噪比的要求为 SNRout,req，就可以计算得到调谐 器所能处理的最小输入信号功率 Pin，min，即灵敏度，其表达式如下