全球數(shù)字廣播DRM接收機(jī)射頻芯片研究

1、全球數(shù)字廣播DRM接收機(jī)射頻芯片研究    1引論 傳統(tǒng)的模擬調(diào)幅廣播自身存在著傳輸質(zhì)量差、業(yè)務(wù)單一和易受干擾等固有缺陷。隨著數(shù)字電視、數(shù)字衛(wèi)星廣播、多媒體廣播及因特網(wǎng)等新型傳輸手段的出現(xiàn),模擬調(diào)幅廣播面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),其處境日益艱難。 然而,在頻率資源越來(lái)越緊張的今天,模擬廣播所占用的頻段應(yīng)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(nèi)的調(diào)幅廣播可以非常簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而又高效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和大范圍的覆蓋,是實(shí)現(xiàn)地區(qū)性、全國(guó)性及國(guó)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(dòng)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(xiàn)有3000多座短波發(fā)射臺(tái),12000多座中波發(fā)射臺(tái),已有電臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施投資巨大,且絕大部分設(shè)備目前都完好可用。 因此,尋找模擬廣播的出路以適應(yīng)時(shí)代的需求已經(jīng)迫在眉睫,而數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展為提高廣播質(zhì)量提供了一條全新的途徑。模擬廣播數(shù)字化是克服模擬廣播缺點(diǎn)的最佳選擇,也是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。模擬廣播數(shù)字化還會(huì)帶來(lái)顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。世界各國(guó)也相繼出臺(tái)模擬廣播停播的時(shí)間表,如日本將在2011年完成模擬向數(shù)字化的轉(zhuǎn)換,中國(guó)將于2015年全面停播模擬廣播電視。 全球數(shù)字廣播聯(lián)盟所提出的DRM標(biāo)準(zhǔn)1是針對(duì)108 MHz以下頻段廣播數(shù)字化最為成熟并且得到廣泛支持

3、的非專(zhuān)利性標(biāo)準(zhǔn),該系統(tǒng)能夠提供更優(yōu)質(zhì)的聲音質(zhì)量和數(shù)據(jù)、視頻和圖像等附加業(yè)務(wù),允許模擬AM和FM向數(shù)字廣播過(guò)渡,支持單頻網(wǎng)(SFN),頻譜利用率高,在同一覆蓋范圍內(nèi)降低輻射功率,具有環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢(shì)。DRM是能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋的真正的全球數(shù)字廣播,可以應(yīng)用于一般的臺(tái)式收音機(jī)、車(chē)載收音機(jī)、PDA和手機(jī)等終端。 因此,我們東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所自2004年以來(lái),開(kāi)展了DRM收音機(jī)射頻芯片的研究。我們?cè)趯?duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上、對(duì)各個(gè)功能電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試分析,取得了一系列的研究結(jié)果。下面首先給出DRM接收機(jī)研究現(xiàn)狀,然后給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,接下去對(duì)相關(guān)功能芯片逐一加以介紹。 2DRM接收機(jī)研

4、究現(xiàn)狀 根據(jù)DRM組織統(tǒng)計(jì),全球數(shù)字接收機(jī)用量為25億臺(tái),而由于DRM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較晚,目前在手持移動(dòng)終端方面還沒(méi)有產(chǎn)品。 對(duì)DRM系統(tǒng),原有的發(fā)射機(jī)只須增加數(shù)字編碼器和調(diào)制器和進(jìn)行部分改動(dòng),即可適應(yīng)DRM廣播,但必須采用全新的DRM接收機(jī)才能接收DRM廣播。制約數(shù)字廣播發(fā)展的瓶頸在于接收機(jī)的性能與價(jià)格,只有開(kāi)發(fā)出廉價(jià)DRM接收機(jī)專(zhuān)用芯片并批量生產(chǎn)應(yīng)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(zhuān)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(jī)的性能很大程度上取決于射頻前端的性能。國(guó)

5、內(nèi)外設(shè)計(jì)的所謂一體機(jī)中,常用的射頻前端芯片型號(hào)主要有:某公司的TDA7512、TDA7519、TEF6701、TEF6721和TEF6730等。這些芯片均是原來(lái)用于接收模擬廣播信號(hào)時(shí)推出的產(chǎn)品,并不是根據(jù)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)定制出來(lái)的,且大多采用超外差結(jié)構(gòu)和BiCMOS工藝制造,其外圍電路復(fù)雜、電源電壓高、功耗大、成本高,無(wú)法與基帶處理芯片進(jìn)行單片集成。國(guó)內(nèi)外適用于接收DRM信號(hào)的專(zhuān)用射頻前端尚處在研發(fā)階段,技術(shù)方案尚不成熟,暫時(shí)無(wú)法實(shí)行產(chǎn)業(yè)化。 因此,研究基于CMOS工藝的DRM無(wú)線接收射頻前端專(zhuān)用芯片具有重要意義,最大程度的降低接收機(jī)的成本,易于實(shí)現(xiàn)和和基帶處理電路及A/D,D/A轉(zhuǎn)換器等的單芯片

6、集成,將對(duì)廣播數(shù)字化的推動(dòng)具有重大的意義。我們?cè)诖朔矫娴难芯渴腔谥行緡?guó)際提供的0.18m RF CMOS工藝。 3DRM接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究及設(shè)計(jì) DRM接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(wú)線接收機(jī)設(shè)計(jì),需依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和各種接收機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),選擇出適合的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。 長(zhǎng)期以來(lái),人們探索采用軟件無(wú)線電技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)DRM接收機(jī)。但是,由于直接對(duì)射頻信號(hào)采樣能耗過(guò)大,同時(shí)受限于A/D、D/A的速率、帶寬及動(dòng)態(tài)范圍等方面的限制,在目前的工藝水平和技術(shù)條件下,還較難實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電,尤其是工作在GHz以上的接收機(jī)是不太可行的4。 傳統(tǒng)超外差結(jié)構(gòu)的接收機(jī)需要眾多片

7、外元件,從而增加了系統(tǒng)的制造成本、復(fù)雜度、尺寸及功耗等,與DRM接收機(jī)的低功耗單片集成等設(shè)計(jì)理念不相符合。 零中頻結(jié)構(gòu)5易于實(shí)現(xiàn)低功耗單片集成,且支持多標(biāo)準(zhǔn)通信,但由于DRM廣播采用OFDM M-QAM調(diào)制方式,且其信道帶寬僅為4.520 kHz,由零中頻結(jié)構(gòu)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(duì)信道極窄的DRM接收機(jī)性能的影響是無(wú)法消除的。        而鏡頻抑制結(jié)構(gòu)6采用信號(hào)抵消的方法來(lái)消除鏡像干擾,但接收機(jī)的鏡像抑制性能對(duì)兩正交通道間的相位誤差和增益誤差較敏感,而

8、在實(shí)際電路中,兩正交通道間保持匹配是相當(dāng)困難的。 低中頻結(jié)構(gòu)結(jié)合了外差式結(jié)構(gòu)與零中頻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),既便于低功耗單片集成,又支持多通信標(biāo)準(zhǔn),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(xiàn)代無(wú)線接收機(jī)設(shè)計(jì)中最具潛力的結(jié)構(gòu)之一。因此,我們的研究采用低中頻結(jié)構(gòu)作為DRM接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。 DRM接收機(jī)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(diào)范圍過(guò)大,其實(shí)現(xiàn)是非常困難的。為此,需提高第一中頻頻率,并通過(guò)第二次變頻將較高的第一中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為約幾百kHz的低中頻信號(hào)。而且,隨著接收機(jī)靈敏度的提高,鏡頻干擾顯得越發(fā)嚴(yán)重。DRM接收機(jī)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(shù)。DRM接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍要求很大,為確保接收機(jī)穩(wěn)定工作,也需采用二次變頻結(jié)構(gòu)將接收機(jī)總增益分配到高頻、中頻和基帶3個(gè)頻段上。 設(shè)計(jì)DRM接收機(jī)時(shí),為避免在變頻過(guò)程中出現(xiàn)頻率倒置現(xiàn)象,二次變頻結(jié)構(gòu)的兩個(gè)本振頻率必須同時(shí)高于或低于各自的輸入信號(hào)頻率。同時(shí),由于DRM 接收機(jī)的射頻頻段超寬,為了降低系統(tǒng)LO 與壓控振蕩器(VCO)的設(shè)計(jì)難度,需選用上邊注入方式,即兩個(gè)本振均高于各自的輸入信號(hào)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(jié)構(gòu)對(duì)載波適應(yīng)性強(qiáng)、頻率靈活性好。 綜上所述,DRM 接收機(jī)宜采用上邊注入、固定中頻的二次變頻低中頻結(jié)構(gòu)。 我們所設(shè)計(jì)的DRM

10、射頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)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(jì)數(shù)器、數(shù)字控制邏輯和電源管理等模塊。接收機(jī)將DRM天線模塊接收到的148 kHz240 MHz的射頻信號(hào)變頻到173 kHz中頻信號(hào),提供給基帶模塊處理。整個(gè)接收機(jī)僅采用一個(gè)信號(hào)通道實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段的無(wú)縫接收,具有優(yōu)良的抑制鏡像、互調(diào)、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(diào)幅(AM)和調(diào)頻(FM)廣播,同時(shí)能夠兼容DAB等數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)。 4DRM天線及射頻芯片研究與設(shè)計(jì) 4.1 DRM天線研究

11、與設(shè)計(jì) DRM接收機(jī)在朝著小尺寸、輕重量和寬頻帶的方向發(fā)展,但是DRM標(biāo)準(zhǔn)工作頻率較低,工作頻帶卻又很寬,加上接收機(jī)與發(fā)射臺(tái)的距離可能達(dá)上千千米,因此天線的尺寸和性能是制約DRM接收機(jī)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。 傳統(tǒng)的中短波接收機(jī)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(jī)的機(jī)體實(shí)現(xiàn)集成,磁棒有很強(qiáng)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(jī)的小型化,同時(shí)由于磁棒屬于脆性材料,容易破碎。而要實(shí)現(xiàn)有限空間內(nèi)天線的尺寸縮減通常導(dǎo)致靈敏度的降低。 通過(guò)計(jì)算和大量實(shí)驗(yàn),我們研制出一系列適用于DRM系

12、統(tǒng)移動(dòng)終端的高靈敏度中短波接收天線,如圖2-5所示。測(cè)試結(jié)果表明:與專(zhuān)業(yè)公司提供的DRM接收機(jī)天線相比較,該中短波寬帶接收天線在120 MHz頻率范圍內(nèi),以縮小的尺寸獲得了高的接收靈敏度, 能夠集成于接收機(jī)機(jī)殼表面。 4.2 第一中頻下變頻模塊設(shè)計(jì) 第一中頻下變頻模塊設(shè)計(jì)包括了低噪聲放大器、寬帶正交混頻器、可變?cè)鲆娣糯笃骱秃愣鐚?dǎo)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(shù)和跨導(dǎo)線性化技術(shù),解決了傳統(tǒng)CMOS工藝中難以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)包括傳統(tǒng)AM、FM以及數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)DRM和DAB等多波段、多標(biāo)準(zhǔn)的寬帶接收。 4.3 D

13、RM頻率綜合器芯片 該頻率綜合器實(shí)現(xiàn)了寬帶VCO,PFD/CP,32/33雙模分頻器,偽吞除脈沖計(jì)數(shù)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(jié)構(gòu)的頻率綜合器具有最小的步進(jìn)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(wú)源多相濾波器,雙正交混頻器,中頻無(wú)源多相濾波器,LO正交產(chǎn)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?cè)鲆娣糯笃鲗?shí)現(xiàn)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(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的最小檢測(cè)電平峰峰值為8 mW,功耗0.65 mW,面積0.7×0.5 mm2。 5總結(jié) 本文介紹了東南大學(xué)射頻與光電研究所在DRM接收天線及無(wú)線接收RF前端方面的工作。研究了一種適用于DRM標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片體系結(jié)構(gòu),具有高性能、低功耗、極少片外元件等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種高靈敏度有限空間內(nèi)中短波寬帶接收天線及多款射頻芯片組,測(cè)試結(jié)果表明能夠滿足DRM接收機(jī)系統(tǒng)要求。 參考文獻(xiàn) 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(shù)字調(diào)幅廣播發(fā)展的技術(shù)瓶頸與解決方案. 廣播與電視技術(shù)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