数字卫星电视接收器前端设计的系统考虑因素有哪些？

　　消费类影音传输方法的标准化已产生几项影响，其中之一是全球广播业者只需选择一种直播卫星 （Direct Broadcast Satellite，DBS） 电视标准。世界各地的模拟和数字地面广播或有线电视传输标准各不相同，卫星广播则与它们完全不同，DVB-S标准获得全球采用后，带动了数字卫星机顶盒市场的发展，其接收器销售量增长超过6，000万个，其中大多数是符合DVB-S标准的产品。
　　
　　图1 载波噪声比与输入功率的关系 （22.5 MBaud，编码率3/4）
　　现在，OEM厂商只要选择套装射频模块就可以忽略卫星射频前端的设计细节。接收器碟型天线内的低噪声转换器 （LNB Converter） 会先将C或Ku频带的接收信号下变频为950-2150MHz的L频带信号，再由射频模块将这些中频信号转换为MPEG-2传输流 （transport stream）。
　　机顶盒制造商始终都要面对降低系统成本的压力，功能整合度更高的硅晶调谐器已在市场上出现，这些因素使得OEM厂商不再需要套装射频模块，他们可以通过主电路板直接提供这项功能。多种因素使射频前端设计相当困难，如射频输入的频率很高、卫星转频器的信号带宽很大 （通常为27MHz或36MHz）、复合输入功率的范围很广 （-80dBm“0dBm） 以及低噪声下变频转换器和多路开关（multi-switch） 等其它卫星外围设备都需要直流电源和交流控制信号反馈，这些电源和控制信号必须通过同轴线缆与接收信号一起上传。
　　除此之外，处于竞争激烈的市场当中，OEM厂商必须将设计资源集中于个人录像 （PVR）、互动性和家用网络等具有较高附加值功能的产品。因此，需要元器件供应商提供射频前端解决方案，以便将研发投资减至最少，同时确认其产品达到所需的接收器性能标准或付费电视运营商的认证要求。
　　本文将探讨卫星射频前端的性能和功能要求，OEM厂商可利用文中列出的检查项目比较不同厂商的卫星射频前端解决方案。
　　单芯片射频前端的目标
　　符合DVB标准的卫星、有线电视、地面广播和新出现的便携式应用环境现都采用比特流格式相同的MPEG-2传输流，因此，考虑到规模经济效应，OEM厂商通常会采用单一平台。这表示不同的媒体接收器会使用相同的MPEG译码器和主机IC，然后由有线电视、地面广播、卫星或IP等媒体的前端电路将传输流提供给主机。
　　射频电路前端包含调谐器和解调器功能，两者会通过从解调器到调谐器的专用模拟控制信号进行各种互动，如自动增益控制、射频调谐和滤波器带宽选择等，这使得想要取代套装射频模块的OEM厂商必须解决电路板层的信号完整性问题，以保持系统操作的一致性，同时将电路板布局和元器件误差等外部因素对接收器性能的影响减至最少。就此角度而言，将调谐器和解调器集成至同一个芯片当中具有极大优点，因为设计人员不必在电路板上费心安排这些反馈信号。
　　实现损耗
　　实现损耗（ImplementationLoss）是DVB-S前端最重要的参数，它代表接收器实际性能与理论最佳值的差距。实现损耗是在特定符码率 （symbol rate）、Viterbi编码率，输入功率和射频频率等传输参数下，将输出误码率降到可接受水平的实际所需载波噪声比 （Carrier-to-Noise） 与理想解调器的载波噪声比之间的差值 （以dB表示）。DVB-S标准规定，Viterbi译码器输出测量所得的实现损耗在2×10-4误码率下不能超过0.8dB，无论接收器的传输参数如何设定，都必须达到这项要求。实现损耗越低，接收器就越能将噪声影响减至最小。
　　测量不同输入功率和无线频率下的实现损耗非常有用。例如，当功率很大时，接收器的互调分量就可能造成实现损耗恶化；同样的，本振源在某一频率上的杂散信号也可能导致某些通道性能下降。
　　图1是在不同输入功率下提供3/4卷积编码率和22.5Mbaud？肼实腝EF操作时 （定义为Viterbi译码后的误码率为2×10-4） 所需的载波噪声比 （Eb/No）。
　　灵敏度、选择性、互调和本地振荡信号的泄漏现象
　　除了解调器实现损耗外，调谐器噪声指数也会影响接收器的灵敏度。此外，总输入功率的变动范围也可能超过80 dB，这是因为许多设备都使用L频带通道 （可能包括UHF），另外，还有雨衰和线缆损耗等效应，它们对射频输入范围的高频部分影响特别严重 （集肤效应）。
　　另一方面，卫星广播对信道选择性的要求也比较宽松，这是因为同一位置的所有卫星转频器都会在接收器输入端产生大致相同的相邻信道输入功率，这与地面传输有很大不同。另外，接收器还须提供具备带宽设定能力的匹配滤波器，以满足不同通道的符码率 （1”45 MBaud） 和信号带宽要求，这与地面广播或有线电视传输也有极大区别。低噪声放大器和混频器也要具备良好的线性操作能力 （IP2， IP3） 才能应付可能出现的高复合功率输入。
　　为了满足这些要求，卫星调谐器已开始采用零中频直接转换架构。尤其是在目标信号很弱而相邻信道信号又很强的系统中，零中频接收器更能提供所要求的选择性和镜像抑制，这是因为镜像信道实际上就是目标信道，而不是信号可能更强的相邻信道。然而，这些优势在卫星广播系统中就没有那么明显，因为各个信道在接收器输入端的功率都非常相近。
　　零中频架构的本振频率就是所要接收的射频通道，所以本振信号有可能混入接收信号。这种本振信号泄漏现象是零中频架构的主要缺点之一，它会导致下变频/混频后出现直流偏移，所以，调谐器和解调器之间必须使用大电容作为零中频模拟I/Q信号的交流耦合电容。
　　除此之外，由于本振频率等于目标射频信道的中心频率，零中频接收器架构特别容易受到振荡器的近载波相位噪声 （close-in phase noise） 影响。CMOS的1/f噪声特性使其近载波相位噪声会高于采用BiCMOS或硅锗工艺的振荡器，所以，CMOS工艺很难用来实现直接转换卫星调谐器。
　　这两种效应都可通过本振频率与目标频带相差约一个通道的低中频架构来避免。这种架构把射频信号转换成中频信号后进行数字化处理，然后用第二个数字混频器将它转换为基带信号。Silicon Laboratories已将低中频架构用于宽带卫星调谐器，把调谐器和解调器集成到同一个CMOS IC中，而不是使用成本较高的SIP技术把BiCMOS调谐器以及CMOS解调器整合至单一封装中。
　　LNB电源与控制
　　DVB-S系统接收器天线的低噪声 （LNB） 下变频器需要射频前端提供13V/18V可切换式直流电源和重迭于直流电源上的22kHz交流音频脉冲 （tone burst） 控制信号。有些传统的分立式解决方案仅提供接收器到LNB外设的单向通信，但OEM厂商仍希望LNB解决方案支持最新的DiSEqC 2.x双向通信协议。另外，考虑到与旧外设的兼容，除了DiSEqC兼容信息外，这些解决方案还应支持早期产品所需的音频／脉冲以及音频／电压等信号传送方式。
　　除了解调器应同时支持单向和双向LNB控制信号外，LNB电源稳压器也需要一个专用IC。LNB电源稳压器不但要提供普通稳压器功能，还要包含可靠的故障保护机制，以应付接收器启动或为增加交流LNB控制信号而安装额外电路时可能出现的电流过载或短路现象。
　　电源效率的重要性不断增加，这在包含多组LNB和多组调谐器（如PVR）等机顶盒产品中尤其明显。OEM厂商倾向于使用由升压转换器构成的高效率、交换式电源解决方案，而不是传统的线性稳压架构。
　　解调器供货商通常不会提供采用高电压工艺的LNB电源IC，但它们却又需要与电源器件互动，这使得OEM厂商必须承受更大的系统整合风险，尤其是LNB电源电路和射频输入信号会使用同样的线路，因此可能造成接收器性能下降。
　　面对这些问题，最理想的解决方法是由一家厂商提供包含LNB电源稳压器和信号控制器在内的完整功能的射频前端解决方案。
　　环境因素
　　接收器应将外部因素的影响减至最小。卫星接收器特别容易受到GSM或无线DECT电话的电磁信号干扰，因为这些装置使用的频带与卫星接收器非常接近；另外，麦克风等装置产生的机械振动也可能造成影响。OEM厂商评估不同解决方案时，应注意压控振荡器储能电路和锁相环滤波器是否集成至调谐器中，若解决方案仍需在设计中增加LC （压控振荡器储能器件） 或RC （回路滤波器） 电路，就表示这些解决方案仅集成了压控振荡器，而不是完整的锁相环。器件若未集成这些外围电路，则比较容易受到外界影响，电磁干扰测试通常也表现不佳。
　　为将LNB所受的影响减至最少，调谐器厂商应注明接收器输入端的阻抗匹配电路规格，同时说明最恶劣条件下的返回损耗 （return loss） 或等效的VSWR参数。半导体厂商应在所建议的电路板布局中提供输入电路范例。
　　芯片集成度不断增加已让器件散热成为潜在问题。这类器件最好采用含有外露散热垫的散热加强型封装，因为焊接到接地面的外露散热垫可作为额外的电气连接。
　　此外，随着消费类电子产品的环保标准日益严苛，元器件应采用符合RoHS的无铅封装。
　　附加功能
　　有人可能认为消费者并不关心本文提到的许多要求，但至少有两项功能会直接影响客户对于产品的使用感受。
　　首先，为了让消费者了解接收器天线的安装效果以及接收信号强度，机顶盒制造商通常会根据通道译码器的纠错数目来评估信号质量，并将结果显示给使用者。由于DVB-S采用不同的内部 （Viterbi） 和外部 （Reed-Solomon） FEC纠错算法，系统若想提供最精确的信号质量，就必须从信道译码器的这两个器件读取已纠错和未纠错的数目。器件甚至还能提供PRBS等多种测试模式，以协助OEM厂商利用实验室测试设备进行特性测试。
　　其次，通道设定过程应该越快越好。这对专门接收免费频道的机顶盒并不简单，因为这类产品出厂时并未包含许多DVB-S广播定义参数和通道参数；相比之下，普通机顶盒则是为特定的付费电视服务所设计，因此，所有必要参数都已存储其中。
　　完整的信道扫描必须涵盖超过1 GHz的带宽和两种偏极性射频信号。接收器在扫描信道和寻找DVB-S信道时必须处理各种符码率 （1-45 MBaud）、卷积编码率 （1/2，2/3，3/4，…）、频谱转换 （spectral inversion） 的可能性以及LNB混频器偏移可能造成的多个MHz射频信号偏移。
　　东南亚和中东地区的广播业者会利用一种称为“单载波多通道”（Multiple Channels Per Carrier，MCPC） 的频分复用技术，分别上行链接到同一个卫星转频器的不同通道 （共享式转频器）。此时，所有上行链路MPEG-2传输流的位速率都会减少，使得调制后的通道符码率下降。除非解调器配备硬件式盲扫描 （blindscan） 加速器，否则接收器在面对这类符码率很低的通道时，通常需要一小时以上的时间才能扫描完频带范围内的所有通道。芯片内嵌盲扫描功能则可将这个过程缩短为几分钟。有些专门为免费频道应用生产机顶盒的厂商甚至认为解调器的盲扫描功能比射频性能更重要。
　　结语
　　在成熟的DVB-S市场上，许多厂商都已提供包含上述射频前端功能的器件。本文还特别介绍了终端设备制造商应考虑的许多系统级问题、重要性能要求以及卫星广播应用独有的问题。这对工程资源有限或射频经验不足的套装射频模块OEM厂商是极为艰巨的工作，降低系统成本和缩小产品体积的压力进一步迫使他们必须采用集成度更高的解决方案。
　　Silicon Laboratories针对DVB-S和DirecTV专用DSS卫星传输标准提供的SiRX系列射频前端器件集成了所有卫星传输射频前端功能，其中包括调谐器、解调器、LNB信号控制器和LNB电源稳压器，这套解决方案可以协助卫星前端系统设计人员克服他们所面临的许多系统问题。