集成降頻器在衛(wèi)星電視室外單元中的應(yīng)用

安徽四創(chuàng) 沈俊

伴隨著我國廣播電視行業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星電視直播已經(jīng)開始作為一種重要的廣播電視傳輸方式，在我國特定的區(qū)域進行公益性的推廣使用，得到了國家的大力支持。在這種衛(wèi)星電視的接收系統(tǒng)中室外單元是必需的設(shè)備，本文對衛(wèi)星室外單元的原理及新的半導(dǎo)體技術(shù)在衛(wèi)星室外單元中的應(yīng)用作一簡要的敘述。

衛(wèi)星電視直播系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星電視室外單元又稱衛(wèi)星高頻頭（LNB），是衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中的重要設(shè)備。

首先簡單的介紹下，衛(wèi)星電視直播系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

衛(wèi)星電視直播系統(tǒng)，依托于衛(wèi)星廣播自身具有的覆蓋面大、傳輸距離遠、信息量大、信號質(zhì)量高、不受地域條件限制的特點，在世界上許多國家得到了廣泛的應(yīng)用。目前，全球約有40多個國家和地區(qū)開展衛(wèi)星電視直播業(yè)務(wù)，特別是美國、歐洲等地區(qū)，在衛(wèi)星直播的業(yè)務(wù)運營中獲得了巨大的成功。在美國，根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)IBISWORLD公司的報告顯示，即使受到IPTV的沖擊，衛(wèi)星電視行業(yè)（其用戶和收入）在過去的五年中也一直保持著穩(wěn)定地增長，這與不斷流失訂購用戶的有線電視領(lǐng)域形成了鮮明的對比。

近年來，我國衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)也得到了很大的發(fā)展。國家廣電從1998年開始組織實施了基于衛(wèi)星電視直播的廣播電視“村村通”惠民工程，并在“十一五”期間完成。目前也正在開展為有線網(wǎng)絡(luò)未通達的農(nóng)村地區(qū)提供廣播電視服務(wù)的直播衛(wèi)星“戶戶通”工程。截止2013.3.31全國“戶戶通”開通總量達到8，293，924戶。而且據(jù)廣電總局科技司司長王效杰在CCBN2013主題報告會上透露，目前直播衛(wèi)星用戶已超過2650萬戶，但全國至少還有超過1億用戶等待普及“戶戶通”接收實施?？梢灶A(yù)見在未來的幾年里，衛(wèi)星電視直播業(yè)務(wù)必然會大力的發(fā)展，而作為衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中不可獲缺的設(shè)備衛(wèi)星電視室外單元也必然得到更為廣泛的應(yīng)用。

衛(wèi)星電視室外單元功能及原理簡述

衛(wèi)星電視室外單元，它在整個接收系統(tǒng)中的主要功能是將衛(wèi)星天線接收的衛(wèi)星信號變頻放大到L波段的信號，再通過同軸電纜傳送到衛(wèi)星接收機，進行后端的信號解調(diào)、解碼處理。室外單元一般包含有饋源波導(dǎo)以及電路部分，其變頻放大功能主要是通過電路來實現(xiàn)的，它的主要電路包括低噪聲放大電路、濾波電路、本地振蕩電路、混頻電路、中頻放大電路以及一些電源直流偏置等電路。簡單系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。

衛(wèi)星電視室外單元傳統(tǒng)方案極化、本振控制

室外單元中的低噪聲放大電路用來實現(xiàn)對衛(wèi)星小信號的放大。由于衛(wèi)星信號經(jīng)天線接收，到達室外單元時已經(jīng)非常微弱，信號強度在-100dBm左右，必須經(jīng)過低噪聲放大的信號處理。作為目前用于電視直播的衛(wèi)星信號，其頻段應(yīng)用最多的主要為C波段和Ku波段，相對而言Ku波段因為天線尺寸便于安裝的原因應(yīng)用更加廣泛，我國的中星九號就是使用的Ku波段衛(wèi)星信號。衛(wèi)星信號按照傳輸方式可以分為線極化的水平垂直方式和圓極化的左右旋方式，我國的中星九號采用的是圓極化的方式，這種方式有利于開展移動接收業(yè)務(wù)，同時也便于非專業(yè)人員的天線安裝操作。

衛(wèi)星室外單元為了能夠?qū)崿F(xiàn)某一種極化方式兩路極化的信號接收，一般都具有兩路的低噪聲放大器，一路接收水平或左旋極化，一路接收垂直或右旋極化。兩路極化的選擇通過后端衛(wèi)星接收機提供給室外單元的供電電壓控制來實現(xiàn)。接收機提供的供電電壓一般為13/18V可切換的電壓，可通過用戶手中的遙控器來選擇，當(dāng)提供13V電壓時一路低噪聲放大器工作，當(dāng)提供18V電壓時另一路低噪聲放大器工作，從而實現(xiàn)兩路極化衛(wèi)星信號在室外單元中的接收。

傳統(tǒng)的LNB其電源和偏置供電電路一般采用三端穩(wěn)壓塊加上一個偏置芯片的方案。通過三端穩(wěn)壓塊將接收機提供的13/18V電源電壓降至5V～8V的低壓，再提供給偏置芯片如UTC公司的L8211等來工作。而衛(wèi)星信號的極化切換在室外單元的內(nèi)部就是通過L8211這類的偏置芯片來實現(xiàn)的，這類偏置控制芯片檢測輸入電壓，當(dāng)13V輸入時打開一路偏置電路，當(dāng)18V輸入時打開另一路。除了極化控制外，這類的芯片還能實現(xiàn)另一個功能，就是對衛(wèi)星信號高低頻段的選擇。以Ku的衛(wèi)星信號為例，Ku的衛(wèi)星電視信號的下行頻率在10.7～12.75GHz之間，而接收機的調(diào)諧器其能夠處理的中頻信號頻率一般在950～2150MHz之間，中頻的帶寬只有1.2GHz，為了能夠完整的接收10.7～12.75GHz超過2GHz帶寬的衛(wèi)星信號，室外單元產(chǎn)品一般采用高低本振的方式，通過低本振接收衛(wèi)星信號低頻段的信號，通過高本振接收高頻段的信號，以保證混頻后的信號在接收機的接收范圍之內(nèi)。通用的LNB一般是采用9.75GHz/10.6GHz雙本振的方式。而雙本振之間的選擇也是通過L8211類的控制芯片來實現(xiàn)的，常用的方式是接收機提供的13/18V直流電平中可以通過接收機的控制，調(diào)制22KHz的低頻信號，而L8211類芯片可以檢測22KHz信號的有無，通過判斷來選擇低本振工作或高本振工作。

衛(wèi)星室外單元傳統(tǒng)方案本地振蕩電路和中頻放大電路

這里還要再提一下LNB的本地振蕩電路與中頻放大電路，傳統(tǒng)的LNB本地振蕩電路都采用介質(zhì)振蕩器DRO方案。DRO方案通過介質(zhì)作為諧振器件，在金屬腔內(nèi)產(chǎn)生電磁振蕩，從而產(chǎn)生LNB所需的本地振蕩頻率，相對來說DRO方案結(jié)構(gòu)簡單，相位噪聲低，但是本振金屬腔占用空間較大（傳統(tǒng)Ku波段本振腔的電路尺寸如圖2），且工作頻率的溫度穩(wěn)定性受介質(zhì)材料影響大。傳統(tǒng)的LNB，其中頻放大器早期采用晶體管放大器，而隨著集成電路的發(fā)展，開始出現(xiàn)適用于L波段的MMIC寬帶放大器，如NXP的BGA2709、BGA2712等，這種MMIC將電路封裝在SOT363的封裝下，這種電路相比原晶體管放大電路使用方便、匹配簡單。

集成降頻器的應(yīng)用

伴隨著電路小型化的趨勢要求以及半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星室外單元的設(shè)計也發(fā)生了巨大的變化。2011年，恩智浦（NXP）半導(dǎo)體推出了TFF101xHN系列的集成降頻轉(zhuǎn)換器，這款芯片將室外單元電路傳統(tǒng)的本地振蕩、混頻、中頻放大電路集成在了一個2.5×3.5×0.8mm的16pin無引腳封裝下，其功能框圖如圖3。芯片內(nèi)置鎖相環(huán)電路，通過外置晶體作為參考時鐘，在芯片內(nèi)部鎖相環(huán)電路倍頻到所需的本振頻率。其內(nèi)置了兩種分頻比，通過檢測22KHz信號的有無來選擇，最終可實現(xiàn)高低本振的選擇輸出。

以其中的一款TFF1014為例，適用于Ku波段的室外單元產(chǎn)品，其在LNB中的功能框圖如圖4，整個芯片的混頻增益可以達到36dB，在L波段的噪聲系數(shù)為7dB，完全滿足衛(wèi)星電視室外單元的使用要求，使用這種集成降頻轉(zhuǎn)換器，相對傳統(tǒng)的電路而言結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且其鎖相的本振信號不用受介質(zhì)材料的影響，在保證了頻率穩(wěn)定性的同時也省去了傳統(tǒng)使用介質(zhì)振蕩器的室外單元產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中人工調(diào)節(jié)的步驟。采用這種芯片內(nèi)置鎖相環(huán)的方案，其相位噪聲不能做到傳統(tǒng)介質(zhì)振蕩器的水平，但是已經(jīng)達到低于-80dBc/Hz@10KHz（相位噪聲如圖5），對于普通的衛(wèi)星電視直播已能夠滿足使用的要求。對于衛(wèi)星電視直播系統(tǒng)的使用者而言，采用這種集成降頻轉(zhuǎn)換器在實際使用上與傳統(tǒng)的室外單元產(chǎn)品幾乎沒有區(qū)別，而對室外單元的生產(chǎn)廠家而言，這種新的產(chǎn)品方案不僅可以降低產(chǎn)品的成本，同時也一定程度上簡化了產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)的效率，有很大的現(xiàn)實意義。

除了NXP公司外，國內(nèi)的銳迪科電子也開發(fā)了相應(yīng)的集成鎖相降頻器，其系列產(chǎn)品356x系列，除了集成本地振蕩、混頻、中頻放大電路之外，還將偏置供電部分也集成在了4×4mm的QFN24封裝的芯片當(dāng)中，最新的芯片其封裝已經(jīng)縮小到了3×3mm的QFN20，這樣的芯片只需要外加電源芯片及低噪放電路就能夠完整的實現(xiàn)變頻放大的功能。通過筆者與芯片的開發(fā)者了解，銳迪科不僅在Ku波段，在C波段上也開發(fā)了相應(yīng)的芯片，雖然筆者還沒有對實際的樣品進行評測，但是相信也一定是功能強大。

除此之外，臺灣的笙科電子在2012年也開發(fā)出了相應(yīng)的集成鎖相降頻器，相比NXP及RDA的芯片，笙科電子的芯片集成度更高，除了射頻加偏置以外還將電源部分的DCDC轉(zhuǎn)換器集成在了芯片當(dāng)中。其封裝大小為4×4mm，這種芯片優(yōu)化了電流的設(shè)計，整合了DCDC轉(zhuǎn)換器，可直接由接收機供電，結(jié)合前端的低噪聲放大器，實現(xiàn)整個LNB的變頻放大，功能更加強大，其功能框圖如圖6，在LNB中的功能框圖如圖7，測試圖片如圖8-11。

伴隨著國家信息化的發(fā)展，衛(wèi)星作為重要的信息傳輸方式，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)絹碓綇V，而作為最先普及的衛(wèi)星電視直播在未來的幾年發(fā)展前景可觀。同樣，科技創(chuàng)新的能力也越來越受到行業(yè)的重視，即使是在并不復(fù)雜的室外單元產(chǎn)品中，也能夠清楚的看到技術(shù)的發(fā)展。

如上所述，半導(dǎo)體技術(shù)及工藝的發(fā)展，對電子行業(yè)的發(fā)展起到了非常重要的影響，這在我們的衛(wèi)星電視室外單元中就已經(jīng)能夠明顯的反應(yīng)。據(jù)悉，已經(jīng)有廠家開始進行12GHz的低噪聲放大器的芯片集成方案設(shè)計，雖然短期內(nèi)可能并不能實際的出片，但是相信這是一種技術(shù)發(fā)展的趨勢，在今后一定會成為現(xiàn)實。如果技術(shù)發(fā)展到高頻電路的整體集成，對衛(wèi)星室外單元而言必然又會帶來一次大的技術(shù)變革，對其他的電子領(lǐng)域也必然帶來同樣巨大的影響。也希望作為普通的技術(shù)人員能夠應(yīng)用新的技術(shù)、新的方案，推動行業(yè)的發(fā)展以及國家信息化的建設(shè)。