（微电子学与固体电子学专业论文）dvbc射频接收机系统优化设计.pdf

摘要 摘要 作为数字电视机项盒中前级关键模块，数字电视调谐器( d i g i t a lt u n e r ) 主要完成将射频信号变 频为中频信号输入到后级解调模块中，并为后级电路提供相应的控制信号。数字电视调谐器的性能 直接决定输出到后级解调解码的信号质量，因此设计出高性能的接收前端系统对于整个数字电视机 顶盒具有非常重要的意义。 s e r l 0 0 1 t 0 4 是东南大学a s i c 中心自主研制的三波段单变频数字电视调谐器专用芯片，该芯片 集成了混频器，中频放大器，振荡器，中频可变增益放大器及一个数字可编程锁相环。本论文的主 要目的就是基于该专用芯片，设计并优化接收系统，实现数字有线电视的全波段电视接收。 本文设计了数字电视调谐器系统接收电路，并对各模块指标进行相应的优化。首先介绍了市场 主流调谐器的架构。根据所设计的专用芯片，选择单变频的系统架构，对整个调谐器接收系统进行 信号链路的指标分配。然后详细设计了系统前级的l n a 电路、v h fl ，v h fh 和u h f 三波段跟踪 滤波器电路、前级的高增益放大器电路和中频阻抗匹配电路以及印制电路板布局优化，提出了调谐 器调试和测试方法，并制成印制电路板对调谐器前端电路与整个调谐器系统进行测试，测试结果也 进行相应的分析。最后利用本文设计的系统制成了调谐器，应用到南京数字有线电视机顶盒，成功 接收了全波段数字有线电视节目，画面清晰流畅。 通过对系统的测试，本论文所设计优化的调谐器，系统增益大于6 0 d b ，噪声系数小于1 0 d b ， 镜像抑制比大于5 5 d b c ，适用于d v b c 制式的数字电视接收，可以满足数字电视前端接收模块的指 标要求，是调谐器专用芯片s e r l 0 0 1 t 0 4 的应用方案之一。 关键词：l n a ，跟踪滤波器，镜像抑制，阻抗匹配，调谐器测试调试系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ek e ym o d u l eo ft h es e t - t o p - - b o x ( s t b ) u s e df o rd i g i t a lt v , t h em a i nf u n c t i o no ft u n e ri s c o n v e r t i n gt h er a d i of r e q u e n c y ( r e ) s i g n a li n t oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) s i g n a la n ds u p p l y i n gt h e r e l a t i v ec o n t r o l l i n gs i g n a lf o rt h ed e m o d u l a t i o nm o d u l e t h eq u a l i t yo ft h eo u t p u ts i g n a ld e p e n d so nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ed i g i t a lt u n e r s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t od e s i g nah i g l lp e r f o r m a n c es y s t e mf o rt h es t b t h ec h i ps e r l 0 0 1 t 0 4i sat h r e e b a n dc h i pu s e df o rd i g i t a lt u n e rd e s i g n e db yt h en a t i o n a la s i c s y s t e me n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e ri ns o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h ec h i ph a si n t e g r a t e dt h em i x e r , i f a m p l i f i e r , o s c i l l a t o r , i fv g a a n dp r o g r a m m a b l ed i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p t h ea i mo ft h ep a p e ri su s i n g s e r l 0 0 1 t 0 4t od e s i g na n do p t i m i z et h er e c e i v i n gs y s t e mf o rt h ef u l l - b a n dr e c e p t i o no fn a n j i n gd i g i t a l c a b l et vs i g n a l s t h er e c e i v i n gc i r c u i t sh a v eb e e nd e s i g n e di nt h ep a p e ra n dt h ef i g u r e so ft h em o d u l e sh a v ea l s ob e e n o p t i m i z e d a r c h i t e c t u r e so ft h et u n e r sa r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h es i n g l e c o n v e r s i o na r c h i t e c t u r ei sc h o s e n f o rt h es y s t e m a n dt h eb u d g e ti sa l s od o n eb e f o r et h es y s t e mc i r c u i td e s i g n t h em o d u l e so fl o wn o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) ，t r a c k i n gf i l t e r so ft h et h r e eb a n d s ，h i 曲g a i na m p l i f i e r , m a t c h i n gc i r c u i t so fi fm o d u l ea n d p c bl a y o u ta r ed e t a i l e dd e s i g n e da n dt h em e t h o d so fd e b u g g i n ga n dt e s t i n gr l r l e ra r ea l s oi n t r o d u c e d t h e n ， t h et e s tb o a r d sa r ed e s i g n e dt om e a s u r et h es y s t e mp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h et u n e ri su s e di nt h es t ba n dt h e r e c e p t i o ni sv e r yw e l l t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mg a i ni sl a r g e rt h a n6 0 d b ，a n dt h en o i s ef i g u r eo ft h e s y s t e mi sl e s st h a n10 d b ，a n dt h ei m a g er e j e c t i o ni sl a r g et h a n5 5 d b c t h et u n e rd e s i g n e di nt h ep a p e ri s s u i t a b l ef o rd v b - cs t a n d a r d 。1 1 1 ef i g u r e so ft h et n n e rc a ns a t i s f yt h er e c e i v i n gs y s t e m a n dt h a tc a nb e u s e da sa na p p l i c a t i o ns y s t e mo fs e r l0 01t 0 4 k e y w o r d s ：l n a ，t r a c k i n gf i l t e r , i m a g er e j e c t i o n ，i m p e d a n c em a t c h i n g ，d e b u g g i n ga n dt e s t i n gs y s t e m f o r t u n e r l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 研究生签名： 刍潭垂日期：趁掣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：舡导师签名：二蝉日期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近几年，数字化技术的迅猛发展推动了人类社会全面进入信息化时代，数字电视技术在这个发 展浪潮中迅速成长。世界各国正大力推动数字电视的普及。2 0 0 6 年世界杯首次采用数字电视向全球 转播。数字电视在我国这个人口众多的国家，具有非常广阔的市场前景。2 0 0 3 年被国家广电总局定 位为中国数字电视元年，2 0 0 4 年主推付费电视业务。我国的数字电视普及计划在2 0 0 5 年全国四分 之一的电视台发射和传输数字电视信号，2 0 1 0 年全国将全面实现数字广播电视，2 0 1 5 年全国将停止 模拟广播电视的播出。 虽然中国数字电视发展前景非常的巨大，但是其核心技术( 采用的标准和硬件) 掌握在国外企 业中。数字电视的标准主要为美国的a t s c 标准，欧洲的d v b 标准和日本的i s d b 标准。对于有线 数字电视中国采用了d v b - c 标准，同时我国也在积极开发数字电视标准，如清华的d m b t 和上海 交大的a d t b t 。同时中国在自主知识产权的接收硬件也不足，为避免国外产品对中国数字电视市 场的垄断，国家确立了数字电视调谐器专用芯片及产品产业化专项，这对推动我国具有自主知识产 权的数字电视发展有着重大意义。东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心主要承担了前 端调谐器芯片的开发和产业化的艰巨任务。 数字电视调谐器是数字电视机顶盒中的前端接收部分，主要完成将载有数字电视信息的多路射 频信号进行变频和解调，其技术核心就是数字电视调谐器专用芯片，其性能优劣直接决定了数字电 视的接收优劣。为了有效利用频谱，数字电视采用多路节目复用技术，这样一个频道会载有多个节 目。调谐器的功能便是选择想要的频道( 或节目) ，滤除不要的频道，避免不要的频道在变频过程中 干扰到所需的频道，一般将此动作称为选台。此外，数字电视信号是多个频道组成的宽带信号，调 谐器亦须具备有宽带设计，才能完整的将信号接收并处理。 目前市场上d v b c 调谐器采用的结构都是单次变频架构，如图1 1 所示： h p fi 。n at f1r f v g at f 2m i x e ri f a m ps a wi f v g a 图1 1单变频架构系统框图 其工作原理是将射频信号经过单次变频为中频信号。数字电视信号通过有线电视电缆传输，在 5 0 m h z 8 6 0 m h z 这个频率范围内，由众多带宽为8 m h z 频道( c h a n n e l ) 组成。输入信号首先通过一级 简单的高通滤波器进行业余无线电滤波后，输入到宽带低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r , l n a ) 中， l n a 应用于系统前端可以显著的降低接收机的噪声系数和提高系统的增益。8 m h z 频道的选频是通 过两级跟踪滤波器( t r a c k i n gf i l t e r , t f ) 和高增益放大器( p f v g a ) 组成的，跟踪滤波器的控制电压与锁 相环( p h a s e l o c k e dl o o p ，p l l ) 锁定电压相当，用户通过控制p l l 的锁定频率，改变控制电压，从而 选择对同波段的频道切换，同时由于采用单次变频架构，应用于宽范围的数字电视信号频谱必须考 虑镜像抑制的问题，跟踪滤波器必须对镜像频率( 高于接收频率点7 2 m h z ) 进行有效抑制，避免混 频器对有用信号和镜像信号同时混频，解调模块无法区分有用信号。两级跟踪滤波器之间的高增益 放大器一方面补偿滤波器插入损耗的同时，另一方面改善整个系统的增益、噪声系数、接收灵敏度 等。经过跟踪滤波器输出的信号输入到混频器中，实现频率下变频到3 6 m h z ，为滤除邻道的数字电 东南大学硕士学位论文 视信号，需要在中频放大器后接声表面滤波器( s a w ) ，该滤波器的中心频率为3 6 m h z ，带宽为8 m h z 。 为满足解调模块对输入电压的要求，需要采用中频自动增益放大器( i f v g a ) 对中频信号进行放大， 这个自动增益放大器要求具有高增益和高线性特性。s e r l 0 0 1 t 0 4 数字电视调谐器芯片已经将混频 器，中频放大器，锁相环和中频自动增益放大器集成。本课题主要是设计并优化基于该芯片的外围 系统，包括低噪声放大器的设计，跟踪滤波器的设计，高增益放大器的设计，各个模块之间的阻抗 匹配和系统设计的优化。 1 2 课题的主要工作 本文应用s e r l 0 0 1 t 0 4 数字有线电视单变频调谐芯片，设计并优化接收系统，接收南京数字有线电视 频道( v h fl ，v h f h ，u h f 三波段) ，主要为低噪声放大器设计，跟踪滤波器设计，高增益放大器 设计，各个模块之间的阻抗匹配和印制电路布局的优化，并给出对设计的系统调试和测试方法，将 设计的调谐器应用于数字电视机顶盒中。 主要指标为： 1 频率范围：v h fl ，v h fh ，u h f 三波段( 5 0 m h z - 8 6 0m h z ) 2 增益：系统最大增益 6 0 d a 3 噪声系数：系统噪声系数 5 5 d b c 1 3 论文内容结构 本文将分为五个部分来详细阐述d v b - c 数字电视接收机系统优化设计。 本章是绪论部分，给出了本文的课题背景，确定了研究方向和研究目标。 第二章首先介绍了目前调谐器的主要系统架构，并分析了各个系统的优缺点，描述了调谐器系统的主 要性能参数，然后给出了基于s e r l 0 0 1 t 0 4 调谐器专用芯片单变频的调谐器接收架构，并对调谐器接收电 。路相应模块指标进行预算分配。 第三章是本文的重点和核心，详细分析了调谐器前级系统模块的设计，包括宽带低噪声放大器的设 计以及三个波段的双调谐跟踪滤波器的优化设计，中频差分阻抗匹配电路的设计和印制电路板布局的优 化。 第四章给出了前级系统各个参数的实际测试结果和调谐器系统调试与测量方法，所设计的调谐器系统 最终应用到数字电视机顶盒中实现对数字电视所有节目清晰流畅的接收。 最后是论文的结尾，对本课题的研究工作做了简明扼要的总结并提出对今后工作的展望。 2 第二章d v b c 接收机系统设计基础 第二章d v b c 设计接收机系统设计基础 2 1d v b 接收机系统架构 在通信系统中，射频接收机的主要作用就是从众多的信号频谱中选出有用信号，通过变频并放大到解 调模块所要求的电平后再由解调器解调，将中频信号变为基带信号。由于通信传输损耗和多径效应，射频 接收机接收信号是伴有干扰信号的微弱信号，这就要求射频接收机具有较好的抗干扰能力、灵敏度和选择 性等，这些性能与所选的接收机架构有关【l 】o 数字电视调谐器架构主要可以分为三种： 1 超外差架构( s u p e rh e t e r o d y n ea r c h i t e c t u r e ) 2 双中频架构( d u a l - i f a r c h i t e c t u r e ) 3 零中频架构( z e r o - i fa r c h i t e c t u r e ) 2 1 1 超外差架构( s u p e rh e t e r o d y n e a r c h i t e c t u r e ) 超外差架构是有线和地面电视调谐器中应用最为广泛的架构，如图2 1 所示。其工作原理是将 5 0 z 8 6 0 瑚z 的数字电视射频信号通过一次变频为3 6 m h z 的中频信号，然后通过信道滤波器滤波并放 大后输入到解调模块中。这种架构的优点在于可以将宽带信号分割成2 3 个频带分别设计，相关电路对元 件的选择比较轻松，成本较低而且相对于其他架构，芯片设计较为简单，因此超外差架构仍然是目前大多 数厂商设计调谐器时所选用的架构。s e r l 0 0 1 t 0 4 也是采用该架构设计的调谐器芯片。 t f lr f v g at f 2m i x e ri f a m p 它列影砭纩飞形 v t入 眦 r f a ( x ! v t两p l l 。医研卜 i ，因此，为了降低整个调谐器的噪声系数，必须 降低系统输入级电路的损耗，提高高放级放大器的增益和降低高放的噪声系数。 上述为噪声系数的标准定义，对于应用到无线接收机中，实际噪声系数的定义可以更广泛，可 以认为使所有不相关相互独立的s n r 下降因素都是噪声，他们可以表征为本质噪声和外部噪声，对 应于接收机内部和外部噪声1 4 j 。 本质噪声即热噪声是接收机中最基本的噪声，起源于各个部分的噪声特性，即为上面基本测量 的噪声系数。外部噪声包含发射机噪声泄漏到接收机频段、交叉调制产物、互调产物、互易混频产 物、镜像抑制( 超外差接收机) 、d co i t s e t ( 直流偏移) 、量化噪声、非理想滤除的干扰信号。发射 机噪声泄漏到接收机频段噪声是当发射机工作在最大输出功率时，会产生显著的宽带噪声，由于双 工器隔离度的不理想特性其中的一部分噪声将会叠加到接收机的输入端，这部分噪声不是由器件的 本质热噪声决定的，如果单测接收机模块的噪声系数会比实际工作时的噪声系数小。这种干扰本质 上可以通过优良的双工器和精心考虑布局来降低，在本文中设计优化的调谐器只有接收模块，不需 要考虑这种因素。交叉调制产物和互调产物是由于器件的非线性特性带来的，下文将会讲述。南京 数字有线电视频谱是8 m h z 带宽的6 4 q a m 调制信号，带内互调产物也会对信号产生干扰。互易混 频现象是由于本振信号的相位噪声和邻近干扰信号混频出落入有用信号频带的干扰信号。对于超外 差接收机，镜像信号经过混频器后将会与有用信号重叠，从而降低系统的信噪比。在本文设计的调 谐器中，镜像信号是首要考虑的因素。d co f f s e t ( 直流偏移) 和量化噪声在本文中不会涉及到，主 要用在零中频接收机和数模转换设计中。非理想滤除的干扰信号是掺杂在有用信号频谱内的干扰， 这也是设计系统抗干扰能力需要考虑的。 调谐器应该具有足够高的功率增益，以保证满足电视机接收灵敏度的需要。而调谐器的灵敏度 主要取决于噪声系数。如果把调谐器看成为多级的放大器，那么调谐器整体的噪声系数为： f 一1f 一1 f = f + 二三_ 二+ 二三二+ ( 2 ，5 ) g lg 2 因此，如果调谐器中第一级模块的噪声系数做的非常低，即加入低噪声放大器，同时后级系统 的增益足够高，那么整个调谐器就能满足灵敏度的要求。但是调谐器的增益也不能太高，当增益过 高时，则必然要求各级模块的线性度加大，一般又要通过增大功率消耗完成线性度的提高，而且过 高增益还会引起调谐器输出的不稳定，容易产生自激振荡。 2 2 3 输入端电压驻波比 调谐器的输入直接与天线或者有线系统相连，采用驻波比来反映调谐器输入端与传输系统的匹 配程度。驻波比的定义为传输线上电压的最大值与电压最小值之比： r ，1 + i 卅 v s w r = 递= 卅( 2 6 ) u m i n 卜i 州 其中7 为输入端的反射系数。当信号失配时，存在失配损耗工。：型婴，因此匹配不好会影响 ( 1 4 - v s w r ) 接收机的灵敏度，在全频段内，匹配最差点的v s w r 限制在3 5 以下。另外调谐器自动增益控制 ( a g c ) 动作后，v s w r 会产生变化，所以一般v s w r 局限于a g c 未起效时的指标。 2 2 4 灵敏度 接收机的一个很重要的指标是灵敏度，它定义为在达到解调电路所要求的输入信噪比的条件下， 接收机所能检测的最低的输入信号电平。在实际应用测试中，输入到接收机中功率为信号源输出的 可用功率。 6 第二章d v b c 接收机系统设计基础 假设接收机输入端的等效噪声温度为z ，接收机的噪声系数为f ，功率增益为g p ，信号带宽为 b 。假设最低可检测的输入信号功率电平为己m i n ，则圪，曲= ，曲g ，其中e o 。r a i n 是接收机放大 后对应的最低输出功率电平 5 1 。由于 。= 阜：孕孥( 2 - 7 )蚴 g pg pm j 是接收机输出总噪声功率，它是天线噪声经放大后的输出与接收机内部噪声的总和。 n o = 船g ，+ n o ( 2 - 8 ) 将m 看作是由接收机输入端等效噪声电阻产生，其等效噪声温度为t a ，由于t a = ( f - 1 ) t o ，所以 n o = 翘 疋+ 旷一1 ) t o g p ( 2 - 9 ) 而鼍严= s n r 。，i n i n 是所要求的输出信噪比，因此灵敏度为： v d 己倘= k b l + 旷- 1 ) t o ( s n r ) 。础 ( 2 - 1 0 ) 用d b 表示时，有： 只n , m i n ( d b m ) = h 瓦+ ( f o t o ( d o m h z ) + 1 0 1 9 b + ( s n r ) o , m i 。( d b ) ( 2 - 1 1 ) 前面两项称为系统总的合成噪声，也称为基底噪声。当疋= 死= 2 9 0 k 时，灵敏度变为： 巳m m ( d b m ) = k t o ( d b m h z ) + n f + 1 0 1 9 b + ( s n r ) 。i n ( 如) ( 2 - 1 2 ) 其中k 为波尔兹曼常数( b o l t z m a n n ) ，t o 为绝对温度，即： 已, m i a ( d b m ) = 一1 7 4 ( d b m h z ) + n f + 1 0 1 9 b + ( s n r ) o , m i n ( 扭) ( 2 1 3 ) 从上式可以发现灵敏度与所要求的输出信号质量即输出信噪比有关，还与接收机本身的噪声大小有 关，而接收机的噪声系数应当是2 2 2 节中定义的广义噪声系数。 2 2 5 非线性失真 实际情况中，任何线性器件或系统都是一定程度上的假设近似。通常非线性器件或系统都可以 表征为输入输出关系，如图2 _ 4 所示【6 】= 至 n o n 1 i n e a r j d e v i c eo r s y s t e m 1 p o u t 吃 图2 4非线性系统框图 假设输入信号为一个正弦信号，则输出的信号为： p o u t = + a i + 口2 + 鸭。+ 口4 + = + a l v o c o s o ) t + a 2 v 0 2 ( c o sc a ) 2 + a 3 v 0 3 ( c o sc o t ) 3 + a 4 v 0 4 ( c o sc o t ) 4 + ( 2 1 4 ) 1 ，办，a l ，a 2 ，a 3 是相应谐波分量系数。这些系数描述了系统的非线性特性。当输入功率逐渐加大 时，系统功率输出不可能无限制增大，必然会产生压缩，定义实际输出功率偏离假定的线性输出功 率曲线的延长线l d b 所对应的输入功率为l d b 功率压缩点。当系统输入为双音信号 v i = ac o s c q t + o ( t ) + b c o sc 0 2 t 时，并假设该系统为三阶，则输出信号为【7 】： = + 口1 + 色+ 码。 = + a , a c o s ( c q t + o ( t ) ) + b c o s 0 0 2 0 + a 2 a c o s ( c q t + o ( t ) ) + b c o s 皑t 2 + a a a c o s ( c q t + o ( t ) ) + b c o s c 0 2 t 3 7 东南大学硕士学位论文 = 【+ ( 1 2 ) 口2 ( 4 2 + b 2 ) 】+ a 1 a c o s o q t + o ( t ) 一缟l o 】+ q b c o s ( 鸱f 一缟0 1 ) + a 2 a b c o s ( g a 2 一a ) t - o ( t ) - 0 2 一1 1 + a 2 a b c o s ( a 毛+ q ) f + 9 0 ) 一唆1 】 + ( 1 2 ) a 2 a 2c o s 2 q t + 2 0 ( 0 - 0 2 2 0 + ( 1 2 ) 口2 8 2c o s 2 0 嘎t 一珐0 2 + ( 3 4 ) a 3 a 2 bc o s ( 2 a 一( o z ) t + 2 0 ( t ) 一绣2 一l 】+ 【( 3 4 ) a 3 a 3 + ( 6 4 ) a 3 a b 2 c o s q f + 秒o ) 一唬l o + ( 6 4 ) a 3 a 2 b + ( 3 4 ) a 3 8 3 c o s r - 0 2 t + o ( t ) 一缟o i + ( 3 4 ) a 3 a b 2c o s ( 2 0 4 一q ) ，一目p ) 一绣一1 2 】+ ( 1 4 ) a 3 a 3c o s 3 c q t + 3 0 ( t ) 一缟3 0 + ( 3 4 ) a 3 a 2 b c o s ( 2 0 q + ( 0 2 ) t + 2 0 ( t ) 一缟2 1 + ( 3 4 ) a 3 a b 2c o s ( q + 2 q v + 口o ) 一绣1 2 】+ ( 1 4 ) a a b 3c o s 3 0 2 t 一唬0 3 ( 2 - 1 5 ) 则有用信号和靠近有用信号的频谱分量为： a l a c o s g q t + o ( t ) 一萌l o + ( 3 4 ) a 3 a 3 + ( 6 4 ) a 3 a b 2 c o s a t + 乡( f ) 一绣l o + ( 2 - 1 6 ) 口1 b c o s ( c 0 2 t 一稿0 1 ) + ( 6 4 ) a 3 a 2 b + ( 3 4 ) a 3 8 3 c o s c o ：t + 口o ) 一绣们】+ ( 3 4 ) a 3 a 2 b c o s ( 2 q 一劬) f + 2 汐( f ) 一晚2 一1 + ( 3 4 ) a 3 a b 2c o s ( 2 a 9 2 一q 一目 ) 一缟一1 2 单边带分量2 q 一皑和2 鸱一q 即为三阶互调失真分量，称为三阶互调失真( 3 阳i n t e r m o d u l a t i o n ) ， 如图2 5 所示： 图2 5等幅双音信号互调输出 数字有线电视信号并非简单的双音信号，在5 0 m h z - 8 6 0 m h z 的频率范围内，它是由众多8 m h z 带宽的调制信号组成。互调效应使得带内产生非线性失真而且频谱扩展导致带外的邻道干扰。输出 三阶交截点( o i p 3 ) 定义为当输出基波功率与三阶互调信号功率相等时，对应的输出基波功率。通 常测量三阶输出交截点方法是利用它与输出基波功率、输出三阶互调信号功率的关系得出。其公式 如式( 2 1 7 ) 所示： 0 1 p 3 = 乞，+ - 皆= 鹏+ g ( 2 - 1 7 ) 其中e o 讲为基波输出功率，3 为三阶互调量的输出功率。由上式可以看出，只要测出3 以 及g ，便可以确定系统的d 职和职，对于级连系统输入输出三阶交截点的计算公式为 8 1 ： 壶 _ ( 壶 + ( 怠) + ( 鬻) + + ( 导 + ( 焉争 p ，8 ， ( 击 _ ( 矗) + ( 赢 + + ( 志 + ( 壶 ( 2 1 9 ， 从式( 2 1 9 ) 可以看出系统的最后一级对整个系统的输出交截点影响较大，所以应当尽量提高调谐 器最后一级模块的输出o i p 3 ，整个系统增益增大也可以提高o i p 3 ，但是如果增益过大，则输入的 三阶交截点将会下降，这将直接导致了系统前级产生非线性失真，降低输出信噪比。 8 第二章d v b c 接收机系统设计基础 频率的信号幅度为a i b c o s ( ( a 2 t 一旃0 1 ) + ( 6 4 ) a 3 a 2 b + ( 3 4 ) a s b 3 c o s 啦f + 口( f ) 一绣0 1 ， 其中的( 6 4 ) a 3 a 2 b c o s a 易t + 秒( f ) 一唬0 1 包含了频率为码的信号幅度信息，如果频率为0 4 的信号 有非恒定幅度包络，则频率为劬的输出信号由于频率为国的信号幅度的变化导致幅度和相位的改 变，即a m a m ，a m p m ，在通信系统中称为交叉调制r 丌( c r o s sm o d u l a t i o n ) ，如图2 - 6 所示： 小) 落儿( 乃( f )y a ( t ) y t ( t ) 图2 - 6 a m a m ，a m p m 失真，乃o ) 为线性输出，y 2 ( t ) 为含有频率弼的信号幅度的三阶信号失 真分量，y ，( f ) 为矢量合成输出信号，痧为输出信号相位 弼的信号幅度为a l a c o s o 叩+ 9 0 ) 一破l o + ( 3 1 4 ) a 3 a 3 + ( 6 4 ) a 3 a b 2 c o s a t + o ( t ) 一绣1 0 】， 如果a 1 和旃l o 等效的极性与巳和绣l o 等效极性正好相反，而且如果0 4 的信号幅度非常大，类似于信 号频谱中的强干扰信号，则鳓的信号输出幅度将会非常小，甚至被系统噪声湮没，这种现象成为减 敏或阻塞( b l o c k ) 。 基于上面对失真分析的描述，可以引入动态范围来表征系统允许输入信号的功率范围，输入功 率的下限是系统的噪声，上限为不产生非线性失真所对应的功率。 假设一个阈值功率只，表征当信号功率达到该值且没有任何附加的噪声时系统刚好能够检测。 这个值定义了可接收的最小输入信号功率，当输入信号功率加大，失真产生的杂散信号逐渐增大。 当这些杂散信号超过处理的噪声功率( 带宽为b 。) ，这将对具有阈值功率碍的输入信号带来较大的 干扰。定义当输入信号产生的杂散信号功率与系统的噪声功率相等时对应的输入功率只，为输入功率 的上限。只，和片的差值称为无杂散动态范围【8 】。通常是使用三阶互调来表征这些杂散信号，如图 2 7 所示： ； 噪声带宽为屏 圭 e 触 万睡。三。e 自“ 曩 1 一 囊，。施 图2 - 7无杂散动态范围 其公式推导如下： 3 = 3 只一2 屹p 3 ( 2 - 2 0 ) 公式变换得到： 3 ( 己一3 ) = 2 ( 3 一3 )( 2 - 2 1 ) 兄一3 = ( 2 3 ) ( p z j = e 3 一3 ) ( 2 2 2 ) 输入功率为昂，此时三阶互调信号幅度等于只，代入上式得： 厶一只= ( 2 3 ) ( p 皿p ，一3 )( 2 - 2 3 ) 则无杂散动态范围为巳和只的差值，假设可检测的阈值功率0 较噪声功率高d ，则： s f d r = ( 2 3 ) ( p h p 3 一3 ) 一 ( 2 - 2 4 ) 噪声功率可以由下式得到： o 东南大学硕士学位论文 只= 1 0 l 0 9 1 0 ( k t b p ) + f = l o l o g l o ( 讳) + ，一1 7 4 d b m ( 2 2 5 ) 从上面的公式可以看出系统的动态范围很大程度上取决于系统的带宽，相同条件下，系统带宽越小， 则动态范围越大。同时也取决于系统的噪声系数和三阶交截点。 2 2 6 相位噪声 在射频电路中，频率综合器是接收机中极其重要的组成部分，因为存在各种非理想因素，不可 能得到纯净的本地振荡信号，而非理想的本振信号将会对接收机的中频输出信号产生许多不良的影 响，甚至是非常重大的影响。对于一个理想的振荡器而言，其频谱为一个冲激脉冲，而对于一个实 际的振荡器，它的频谱在载频附近表现为一个裙状，如图2 8 所示。为了表征这种频率中的参数引 入了相位噪声，即考虑相对于中心频率d 偏移a c o 处的一个单位带宽，计算这个带宽内的噪声功率， 将这个结果除以载波功犁9 】。 j i 理想振荡器 哆 缈 c o o 彩 图2 8 ( a ) 理想振荡器图2 8 ( b ) 实际振荡器 一个理想振荡器的输出可以表示为v o u t ( t ) = v o c o s c o o t + o o ，幅度v o 、d ，伽都是常数。没有随机 波动的理想振荡器的单边带能谱只包含位于c o 。处的冲激。实际的振荡器一般表示为下式： 圪哪o ) = z o 1 + 么( f ) a ) o t + 矽( f ) 】 ( 2 - 2 6 ) p ( f ) 、爿( f ) 都是时间的函数，是最大电压幅度，f ( o 是一周期函数，它代表了振荡器的稳态输出波形。 如果振荡器的输出波形厂不是正弦波，则振荡器的输出能谱中会包含0 9 d 的谐波分量。更重要的是由 于妒( f ) 、4 ( f ) 的波动，实际振荡器的频谱在振荡频率c o d 及其谐波附近存在边带，如图2 - 8 所示，一 般这些边带用相位噪声表示。 相位噪声的破坏性影响在超外差架构接收机中能够很清楚地被看到，如图2 - 9 所示。在实际应 用中，有用信号可能伴随有一个位于相邻信道的很大的干扰信号，而本振信号具有不可忽视的相位 噪声，当两个信号与本振输出进行混频时，下变频后的频带包含有两个重叠的频谱，有用信号受到 干扰信号带尾的强噪声干扰，这种效应称作互易混频( r e c i p r o c a lm i x i n g ) 。 ii 图2 9互易混频效应 用频域的观点，一个振荡器短期非稳定性通常根据单边带噪声谱密度来描述。相位噪声定义为： k ， 妨：0 。g i 垒避掣l ( 2 - 2 7 ) l 妇 j 在上式中，只鼬。一d + a o o ，1 h z ) 代表在偏离载波频率a c n 处的1 h z 带宽内的单边带功率。如图2 - 8 ( b ) 所示，是功率谱图中曲线下的面积，即总功率。在本文中指定偏离载波频率l o k h z 处的相位 噪声。 1 0 第二章d v b c 接收机系统设计基础 2 2 7 误差向量幅度( e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ) 误差向量幅度( e v m ) 的概念首先被安捷伦( a g i l e n t ) 提出用于描述发射机输出的矢量调制信 号的调制精度( 即矢量调制信号的信噪比) ，并很快被工业界所接受。误差向量分析是一种用幅度误 差和相位误差定量表示发射机或接收机性能的方法。一般情况下，任何数字调制都可以用一个信号 波形z = 么( t ) c o s ( o d + q 传描述，其中彳表示瞬时幅度变量，q 表示瞬时相位变量。一般情况下， 将基带数据分解成i 向量和q 向量，再用正交调制器或直接合成将其调制成期望的载波角频率0 9 。 得到的复合调制波形包含正交的，和q 数据，这一结果可以在载波频率上进行分析，也可以将其解 调到基带直接分析，、q 基带向量。 e v m 定义为在信号星座图中实际的信号向量与理想的信号向量之间的差值( 误差向量) 。对理 想信号向量的比值，在时间采样系统中，e v m 可由下式定义【lo 】： e y m = ( 2 2 8 ) 其中z 例是复合接收信号向量，由，和q 分量组成；r 例是理想的复合参考向量。误差向量幅度是 误差向量功率有效值和参考向量功率有效值的比值，用于度量接收机的性能，与s n r 和b e r 密切 相关。对于任何编码增益，e v m 都与s n r 的平方根成正比，如公式2 2 9 所示( 其中l 为编码增益) ： ，一 、一l e v m = i s ! 撇l l r 2 2 9 ) 、， 、一 事实上误差向量可以被分为两部分：相位误差以及幅度误差。对于非恒包络系统而言，幅度误差与 相位误差对于数据的正确解调具有同等重要的影响，q a m 就是这样的一个系统。 2 3 数字电视调谐器预算分析 针对上面所述的d v b c 数字电视调谐器系统参数的介绍，这节中将利用这些参数对所设计的数 字电视调谐器芯片s e r l 0 0 1 t 0 4 的外围系统的电路参数进行指标分配设计。 2 3 1s e r l 0 0 l t 0 4 调谐器芯片介绍 调谐器采用s e r l 0 0 1 t 0 4 三波段数字电视调谐专用芯片，该芯片集成了混频器，中频放大器， 振荡器，中频a g c 及一个数字可编程锁相环。本章将围绕该芯片进行设计并优化【l l 】。 该调谐芯片的主要特性为： 1 混频器振荡器 _ v h f 低波段高阻抗非平衡式混频器输入 - v h f 高波段高阻抗平衡式混频器输入 _ u h f 波段高阻抗平衡式混频器输入 _3 波段振荡器均采用互补交叉耦合结构，振荡回路采用2 引脚 低相位噪声 2 s a w 驱动器 -中频放大器s a w 滤波器驱动器平衡式输出 低输出阻抗 3 中频可变增益放大器 一4 0 d ba g c 动态控制范围 一 平衡式1 v p p 输出 _全面的静电防护措施 4 频率合成器 _ 快速频率锁定 一 电荷泵电流可编程 1 1 东南大学硕士学位论文 _3 个波段选择控制输出 1 2 c 数字控制 一 软关断模式 该芯片的模块及功能框图为： 图2 1 0s e r l 0 0 1 t 0 4 调谐器芯片功能图 2 3 2 波段划分 根据数字电视接收机国际标准汇编及各个公司的调谐器，将单变频调谐器接收机设计成三波段。 根据变容管的特性和数字电视波段划分标准，针对该调谐器芯片将整个有线电视波段进行划分情况 如表2 1 所示。其中对于南京数字电视信号的主频点设置在4 4 3 m h z ，针对s e r l 0 0 1 t 0 4 开发的调谐 器系统将这个主频点设置在 fh 波段【1 2 】 1 3 】【1 4 】 1 5 】。 表2 1调谐器波段划分频率表 波段频率范围 v h fl5 0m h z 1 6 0 m h z v h fh16 0 m h z - 、一4 5 0m h z u h f4 5 0 m h z , - 、一8 6 0 m h z 2 3 3 调谐器信号链路预算 根据有线数据传输接口协议，数字有线的输入信号最小为3 7 d b u v ( 一7 0 d b m ) ，最高为7 7 d b u v ( - 3 0 d b m ) ，对于较差的信号网络，弱信号为3 0 d b u v 而强信号可达到1 0 0 d b u v ，而输入到后级解 调芯片，如0 2 9 7 的信号大小为1 v 峰峰值，转换为均方根值为1 1 l d b u v ( 4 d b m ) 。考虑到6 4 q a m 调制信号的峰值均值比，输出平均功率为4 1 0 1 0 9 ( 6 4 ) = 1 4 d b m 。因此功率增益要求为1 6 d b - 5 6 d b 。 此时要求系统的自动增益调节范围大于4 0 d b 。 三波段调谐器信号链路层模块如图2 1 l 所示，从增益、噪声系数、线性度等方面进行指标分配。 1 2 第二章d v b c 接收机系统设计基础 s a w 图2 11调谐器信号链路模块 系统预算要求增益在1 6 d b 5 6 d b 之间。在理想情况下的加性高斯白噪声信道中，6 4 q a m 数字 电视信号其误码率b e r 与毛n o 的关系1 0 1 如图2 - 1 2 所示： 缀孺翻翻磁礴麓翻嘲謇翰嬲猫鼎麟翰嘲强盈嘲嘲厢衄描黼固唧臻嘲鞴嗍搦翰蕊簖耀嚣暖瞄嘲嘲暖粥翱黼翻鞠# 目麓嘲目目目_ 霸# _ _”墨羽 彩缓 ；静兹 荔 k燃 缓 缫 x 1 6 豳! 黪鬟 貉、霪 餮i 荔 、 燃 囊穗 翎 、 壤 图2 1 2b e r 与e 。n 关系图 其中乞名：，r + 1 0 l o g i b w n o s e ，其中b