全球數字廣播DRM接收機射頻芯片研究

1、全球數字廣播DRM接收機射頻芯片研究    1引論 傳統(tǒng)的模擬調幅廣播自身存在著傳輸質量差、業(yè)務單一和易受干擾等固有缺陷。隨著數字電視、數字衛(wèi)星廣播、多媒體廣播及因特網等新型傳輸手段的出現,模擬調幅廣播面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn),其處境日益艱難。 然而,在頻率資源越來越緊張的今天,模擬廣播所占用的頻段應該得到有效利用。尤其,30 MHz以下頻段的電波具有優(yōu)越的傳播特性,在該頻段內的調幅廣播可以非常簡單、經濟而又高效地實現遠距離和大范圍的覆蓋,是實現地區(qū)性、全國性及國際性廣播覆蓋的最佳手段之一。它既適合于固定和便攜接收,也適合于高速移動接收。上述該頻段下的接收

2、特性是其它傳媒方式所不可比擬的。全世界現有3000多座短波發(fā)射臺,12000多座中波發(fā)射臺,已有電臺基礎設施投資巨大,且絕大部分設備目前都完好可用。 因此,尋找模擬廣播的出路以適應時代的需求已經迫在眉睫,而數字技術的迅速發(fā)展為提高廣播質量提供了一條全新的途徑。模擬廣播數字化是克服模擬廣播缺點的最佳選擇,也是科技發(fā)展的必然趨勢。模擬廣播數字化還會帶來顯著的社會效益和經濟效益。世界各國也相繼出臺模擬廣播停播的時間表,如日本將在2011年完成模擬向數字化的轉換,中國將于2015年全面停播模擬廣播電視。 全球數字廣播聯(lián)盟所提出的DRM標準1是針對108 MHz以下頻段廣播數字化最為成熟并且得到廣泛支持

3、的非專利性標準,該系統(tǒng)能夠提供更優(yōu)質的聲音質量和數據、視頻和圖像等附加業(yè)務,允許模擬AM和FM向數字廣播過渡,支持單頻網(SFN),頻譜利用率高,在同一覆蓋范圍內降低輻射功率,具有環(huán)境保護優(yōu)勢。DRM是能夠實現全球覆蓋的真正的全球數字廣播,可以應用于一般的臺式收音機、車載收音機、PDA和手機等終端。 因此,我們東南大學射頻與光電集成電路研究所自2004年以來,開展了DRM收音機射頻芯片的研究。我們在對系統(tǒng)進行設計的基礎上、對各個功能電路進行了設計、制造和測試分析,取得了一系列的研究結果。下面首先給出DRM接收機研究現狀,然后給出系統(tǒng)設計方案,接下去對相關功能芯片逐一加以介紹。 2DRM接收機研

4、究現狀 根據DRM組織統(tǒng)計,全球數字接收機用量為25億臺,而由于DRM標準發(fā)展較晚,目前在手持移動終端方面還沒有產品。 對DRM系統(tǒng),原有的發(fā)射機只須增加數字編碼器和調制器和進行部分改動,即可適應DRM廣播,但必須采用全新的DRM接收機才能接收DRM廣播。制約數字廣播發(fā)展的瓶頸在于接收機的性能與價格,只有開發(fā)出廉價DRM接收機專用芯片并批量生產應用,DRM廣播才能普及。 目前常用的DRM解決方案有2:通用雙芯片(射頻前端芯片 DSP芯片)、專用雙芯片(射頻前端芯片 ASIC芯片)、SOC單芯片(射頻與基帶單芯片集成)等,其中射頻前端必不可少,且廣播接收機的性能很大程度上取決于射頻前端的性能。國

5、內外設計的所謂一體機中,常用的射頻前端芯片型號主要有:某公司的TDA7512、TDA7519、TEF6701、TEF6721和TEF6730等。這些芯片均是原來用于接收模擬廣播信號時推出的產品,并不是根據數字廣播標準定制出來的,且大多采用超外差結構和BiCMOS工藝制造,其外圍電路復雜、電源電壓高、功耗大、成本高,無法與基帶處理芯片進行單片集成。國內外適用于接收DRM信號的專用射頻前端尚處在研發(fā)階段,技術方案尚不成熟,暫時無法實行產業(yè)化。 因此,研究基于CMOS工藝的DRM無線接收射頻前端專用芯片具有重要意義,最大程度的降低接收機的成本,易于實現和和基帶處理電路及A/D,D/A轉換器等的單芯片

6、集成,將對廣播數字化的推動具有重大的意義。我們在此方面的研究是基于中芯國際提供的0.18m RF CMOS工藝。 3DRM接收機系統(tǒng)結構研究及設計 DRM接收機射頻前端的設計目標是單片集成、低電壓、低功耗、高可靠性和低成本等。如同一般無線接收機設計,需依據相關標準和各種接收機結構的特點,選擇出適合的接收機結構。 長期以來,人們探索采用軟件無線電技術來實現DRM接收機。但是,由于直接對射頻信號采樣能耗過大,同時受限于A/D、D/A的速率、帶寬及動態(tài)范圍等方面的限制,在目前的工藝水平和技術條件下,還較難實現軟件無線電,尤其是工作在GHz以上的接收機是不太可行的4。 傳統(tǒng)超外差結構的接收機需要眾多片

7、外元件,從而增加了系統(tǒng)的制造成本、復雜度、尺寸及功耗等,與DRM接收機的低功耗單片集成等設計理念不相符合。 零中頻結構5易于實現低功耗單片集成,且支持多標準通信,但由于DRM廣播采用OFDM M-QAM調制方式,且其信道帶寬僅為4.520 kHz,由零中頻結構固有的本振泄漏、偶次失真、I/Q失配、1/f噪聲、直流漂移等所引起的寄生低頻噪聲對信道極窄的DRM接收機性能的影響是無法消除的。        而鏡頻抑制結構6采用信號抵消的方法來消除鏡像干擾,但接收機的鏡像抑制性能對兩正交通道間的相位誤差和增益誤差較敏感,而

8、在實際電路中,兩正交通道間保持匹配是相當困難的。 低中頻結構結合了外差式結構與零中頻結構的優(yōu)點,既便于低功耗單片集成,又支持多通信標準,且可避免1/f噪聲和直流漂移等寄生低頻噪聲的影響,成為現代無線接收機設計中最具潛力的結構之一。因此,我們的研究采用低中頻結構作為DRM接收機的基本結構。 DRM接收機的射頻頻段覆蓋較寬,若一次下變頻到很低的中頻,則其本振(LO)的工作頻率可調范圍過大,其實現是非常困難的。為此,需提高第一中頻頻率,并通過第二次變頻將較高的第一中頻信號轉換為約幾百kHz的低中頻信號。而且,隨著接收機靈敏度的提高,鏡頻干擾顯得越發(fā)嚴重。DRM接收機的靈敏度要求較高,為提高鏡像抑制比

9、,普遍采用二次變頻技術。DRM接收機的動態(tài)范圍要求很大,為確保接收機穩(wěn)定工作,也需采用二次變頻結構將接收機總增益分配到高頻、中頻和基帶3個頻段上。 設計DRM接收機時,為避免在變頻過程中出現頻率倒置現象,二次變頻結構的兩個本振頻率必須同時高于或低于各自的輸入信號頻率。同時,由于DRM 接收機的射頻頻段超寬,為了降低系統(tǒng)LO 與壓控振蕩器(VCO)的設計難度,需選用上邊注入方式,即兩個本振均高于各自的輸入信號頻率。 第一、第二中頻均采用固定中頻,降低了相鄰信道的干擾,且此結構對載波適應性強、頻率靈活性好。 綜上所述,DRM 接收機宜采用上邊注入、固定中頻的二次變頻低中頻結構。 我們所設計的DRM

10、射頻接收機實現了射頻前端的單芯片集成。芯片模塊包括:低噪聲放大器(LNA)、正交混頻器(Mixer)、中頻放大器、鏡像抑制混頻器、信道選擇濾波器(BPF)、頻率綜合器(PLL)、中頻計數器、數字控制邏輯和電源管理等模塊。接收機將DRM天線模塊接收到的148 kHz240 MHz的射頻信號變頻到173 kHz中頻信號,提供給基帶模塊處理。整個接收機僅采用一個信號通道實現多個頻段的無縫接收,具有優(yōu)良的抑制鏡像、互調、低頻本振諧波和寄生低頻噪聲等干擾的性能。芯片能夠兼容傳統(tǒng)調幅(AM)和調頻(FM)廣播,同時能夠兼容DAB等數字音頻廣播標準。 4DRM天線及射頻芯片研究與設計 4.1 DRM天線研究

11、與設計 DRM接收機在朝著小尺寸、輕重量和寬頻帶的方向發(fā)展,但是DRM標準工作頻率較低,工作頻帶卻又很寬,加上接收機與發(fā)射臺的距離可能達上千千米,因此天線的尺寸和性能是制約DRM接收機小型化和袖珍化的主要因素,研究DRM袖珍信息終端的小型化天線設計與實現具有重要的意義。 傳統(tǒng)的中短波接收機接收天線往往采用鞭狀天線和磁棒天線,鞭狀天線通常體積較大,不易與接收機的機體實現集成,磁棒有很強的方向性,不利于全方向接收,本身要占用一定的體積,不利于接收機的小型化,同時由于磁棒屬于脆性材料,容易破碎。而要實現有限空間內天線的尺寸縮減通常導致靈敏度的降低。 通過計算和大量實驗,我們研制出一系列適用于DRM系

12、統(tǒng)移動終端的高靈敏度中短波接收天線,如圖2-5所示。測試結果表明:與專業(yè)公司提供的DRM接收機天線相比較,該中短波寬帶接收天線在120 MHz頻率范圍內,以縮小的尺寸獲得了高的接收靈敏度, 能夠集成于接收機機殼表面。 4.2 第一中頻下變頻模塊設計 第一中頻下變頻模塊設計包括了低噪聲放大器、寬帶正交混頻器、可變增益放大器和恒定跨導偏置電路。低噪聲放大器和混頻器分別采用了噪聲抵消技術和跨導線性化技術,解決了傳統(tǒng)CMOS工藝中難以實現低噪聲和高線性度的困難。該模塊面積為0.9×0.7 mm2,可以實現包括傳統(tǒng)AM、FM以及數字廣播標準DRM和DAB等多波段、多標準的寬帶接收。 4.3 D

13、RM頻率綜合器芯片 該頻率綜合器實現了寬帶VCO,PFD/CP,32/33雙模分頻器,偽吞除脈沖計數器以及11位可編程分頻器,占用芯片面積僅0.8×0.5 mm2。與傳統(tǒng)的鎖相頻率綜合器比較,該結構的頻率綜合器具有最小的步進頻率、改善了的相位噪聲10log(X)和輸出雜散20log(X),并具有快速鎖定功能。 4.4 DRM鏡像抑制混頻器 該鏡像抑制混頻器模塊包括射頻無源多相濾波器,雙正交混頻器,中頻無源多相濾波器,LO正交產生器,占用芯片面積僅為1.3×1.4 mm2。 4.5 其他DRM芯片 中頻可變增益放大器實現了030 dB的線性增益范圍,功耗5.6 mW,面積0.

14、7×0.4 mm2。中頻計數器實現的最小檢測電平峰峰值為8 mW,功耗0.65 mW,面積0.7×0.5 mm2。 5總結 本文介紹了東南大學射頻與光電研究所在DRM接收天線及無線接收RF前端方面的工作。研究了一種適用于DRM標準的射頻芯片體系結構,具有高性能、低功耗、極少片外元件等特點,設計了一種高靈敏度有限空間內中短波寬帶接收天線及多款射頻芯片組,測試結果表明能夠滿足DRM接收機系統(tǒng)要求。 參考文獻 1ETSI EN 300 401 V1.3.1, Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixe

15、d receivers S. European Broadcasting Union and Union Européenne de Radio-Télévision, 2000-04. 2周建政,王志功等. 數字調幅廣播發(fā)展的技術瓶頸與解決方案. 廣播與電視技術J, 34(2): 108-111, 2007.        3Hofmann, Stott, Poole. Minimum Receiver requirements for DRM (Draft version 1.5) S. DRM Consortium, 2006.03 4Ong A K, Wooley B A. A two-path bandpass modulator for digital IF extraction at 20 MHz J. IEEE J Solid-State Circuits, 1997, 32(12):1920-1934. 5 Behzad Razavi. Design Considerations for Direct-Conversion ReceiversJ. IEEE Transactions on Circuits and Systems-II: A