突破传统的电视硅调谐器

作者：Melissa Chee and Scott Howe,

Fresco Microchip

尽管电视市场越来越成熟，但电视机内部的架构仍在不断演化并推动价格的下降。“降低成本”无疑是消费电子领域最频繁提到的词语。不断上涨的成本压力驱动电视架构的变迁，并导致电视系统级芯片(SoC)市场的快速整合，同时也加速了硅调谐器在电视上的采用。只有突破性的技术才能保证在不牺牲性能的情况下获得最低成本的系统解决方案。本文将展望电视市场的趋势以及它们对下一代电视前端方案的影响。

改变电视的未来

2011年，包括模拟电视和数模一体电视在内的全球电视出货量超过2.5亿台。到2011年底，绝大部分的电视出货采用的是有限的几家SoC公司的方案。那些主流的SOC都已经集成了能在数字领域非常经济有效地实现的功能。但是，许多硅调谐器却仍然采用昂贵的射频和模拟技术来保留了这些功能，这样不可避免地增加了不必要的系统成本和复杂度。

在过去，许多铁盒调谐器(CAN tuner)都是基于混频器振荡器锁相环(即MOPLL)。随着性价比的不断提高，硅调谐器正快速取代MOPLL。预计在未来十八个月，硅调谐器在电视上将达到接近100%的市场渗透率。将硅调谐器直接设计在电视主板上或将硅调谐器应用到铁盒调谐器中将变得普遍--其实现依赖于电视厂家在相关射频技术上的专业知识。

架构的演化

降低成本的主要是通过将部分功能从模拟/射频芯片迁移到数字芯片而获得。根本上来讲，电视前端由模拟及射频电路组成，将空中或有线电视信号调谐和处理成为合适的格式。随后，数字SoC内的模数转换器(ADC)会对这些信号进行采样。由于ADC是在模拟/射频和数字领域之间的承接点，ADC的经济和性能决定了哪一部分功能被集成到数字SoC。

在过去的十年，为了满足电视市场的成本要求，中频(IF)自动增益控制放大器(AGC)、各种声表面波滤波器(SAW)和模拟解调器都已经集成到了主流的SoC中。

图表1展示了2004年前后典型的前端架构。调谐器功能由一个MOPLL芯片加上数百个分立元件组成，并需要手动调台。几个分立的声表面波滤波器输出一路滤波的中频信号，并送到一个外部的模拟解调器。然后，解调器的输出通过SoC内的ADC进行数字化。这些大的声表面波滤波器限制了电视的厚度。薄型的声表面波滤波器非常昂贵，但随着超薄平板电视增长的需求而变得必要。同时，不同的电视市场要求不同的声表面波滤波器(支持6/7/8MHz带宽)，由此使得产生了区域化的电视规格，这就增加了运营和制造的成本。

图1：2004年时由分立的中频自动增益控制放大器、声表面波滤波器和模拟解调器组成的SoC架构。

从2009年开始，在一个可行成本点ADC的性能提升变得随处可得。突破性技术的引入使得高频头的输出信号可以被直接采样，这就消除了对昂贵、分立声表面波滤波器和外部模拟解调器的需求。先进的ADC的获得带来了一个重要的架构变化，那就是将那些功能集成到SoC，如图表2。这个变化是渐进的，所以，在模拟和数字芯片上重复的功能仍然还存在。这样的冗余还可以通过消除在调谐器上的重复功能来进一步优化。

图2：最新的由集成的中频自动增益控制放大器、声表面波滤波器、模拟和数字解调器组成的SOC架构。

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在电视设计上获得更低系统成本的原则

最新一代电视SoC获得的成本优势可以归因于ADC技术的进步。直到最近，具有必需的动态范围的ADC仍然占有较大的晶圆内核和较高的功耗，这给将声表滤波器有效地集成到SoC带来了困难。ADC的动态范围指的是能被ADC数字化的信号的范围。干扰(U)和期望(D)频道的比率(U/D Ratio)，由模组方法决定的载波和噪声比率(CNR)，以及必需的余量，这些指标的相对水平决定了ADC的动态范围，如图表3所示。

图3：ADC动态范围

为了满足系统动态范围的要求，老一代的电视不得不采用多个外部声表面波滤波器。声表面波滤波器的特性取决于由现场环境或性能要求标准确定的U/D比率，如图表4。干扰频道的信号越强，要求的滤波器就越复杂。滤波功能增加了相当大的成本到整个电视的材料成本，特别是当滤波器集成到许多硅调谐器芯片上时。

图4：滤波特性

占有小的晶圆面积，低功耗和宽动态范围的ADC 现在可以广泛获得了。正如之前谈到，这些先进的ADC已经使开发商可以将中频放大器、数字和模拟解调器以及声表面波滤波器集成到SoC。

同时，许多硅调谐器已经保留了声表面波滤波器，并且一些芯片包含了模拟解调器。这些重复的功能增加了不必要的系统成本和复杂度，如图表5所示。这些功能可以在数字主芯片里面以非常低的成本来实现，而不是如目前许多的硅调谐器一样在昂贵的射频芯片中去实现。

图5：现在的SoC中许多硅现有调谐器内重复的表面声波滤波器

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最低的系统成本

最低的系统方案成本可以通过如下的硅调谐器方案获得：

* 消除那些在硅调谐器和电视主芯片同时存在的冗余电路；

* 提供最小的芯片内核面积，并采用最经济的制程。

如图表6所示，Fresco的Simply RF硅调谐器是最近的一个例子，它与各种流行的电视SoC配合便可以获得最低的系统成本。

图6：一个消除电路重复的简单硅调谐器最低系统成本方案

硅调谐器应用到电视的前景展望

行业专家预测，在可见的未来，硅调谐器在电视上的采用将是指数的增加，这包括在调谐器模块和直接设计到电视主板。随着对消费电子设备(包括电视、电脑、平板电脑和手机)多频互动支持的需求增长，硅调谐器在电视上的应用将继续快速扩张。

行业范围内的整合强调了以低成本、高性能满足市场需求的重要性。随着技术的进步，更多的功能将被集成到电视SoC，并且在数字部分实现相应功能成为最经济有效的方法。同时，对于简单调谐器的更大的需求是与电视SoC有互补性而不是重复SoC系统功能。虽然电视产业的变迁需要时间，但通过与一些SoC开发商的共同努力，最新SoC架构和简单高频头的升级已经在稳步的在进行，并且期望在未来的几年快速的成长。

关于作者

Melissa Chee 和Scott Howe 分别是Fresco 的市场总监和系统应用工程总监。

本文来自《电子工程专辑》2012年8月刊，版权所有，谢绝转载。