發布日期：2022-07-15 點擊率：58
家用室外網關是實現家庭網絡的重要設備,而家用室外網關的惡劣工作環境要求網關具有更高的性能和可靠性。而調諧器(tuner)是影響家用網關性能的重要部件,影響調諧器性能的因素有環境溫度變化、噪聲信號和增益抖動等,采用集成IC調諧器可以有效解決這些問題。
電纜多服務運營商(MSO)可以向用戶提供有線電話和住宅網關服務。由于MSO降低了運營成本并減少平均維修時間,從而方便用戶設備的安裝和維護,這極大地刺激了家用室外網關的發展。
通過提供家用室外網關設備,MSO的有線電話服務幾乎與本地電信局所提供的服務沒有多少差別。而且對用戶而言,使用MSO的服務可以不用考慮將銅線換成電纜,減少了線路設備的變換。用戶采用家用室外網關設備對服務提供商也有好處,因為這樣MSO可以向用戶收取上門維護費用。
圖1顯示了室外家用網關所能提供的功能,家用網關最簡單的用法是作為用戶家庭網絡的主分配集線器。在網絡端,家用網關可以提供很大的帶寬,實現諸如因特網、電話以及視頻點播等業務。然后,采用開放式分配標準,如、藍牙、HomePlug、 HomePNA和CableHome,在家用設備間進行分配。除此以外,家用網關還能用作分路器,使電纜可以直接連到電纜調制解調器或機頂盒上去,而調制解調器或機頂盒都有自己的調諧器。
圖2給出了一個家用網關的框圖,從圖中可以看出,家用網關主要由訪問電纜網絡的上下行通道、數字基帶處理IC和支持室內寬帶數據分配的接口組成。家用網關中的數字部分和RF部分正在向高集成度的IC方向發展。
家用網關調諧器
對MSO來說,室外家用網關的需求增加是一件好事,但這對設備生產商和供應商提出了很具體的設計要求。在整個家用網關中,下行通路最重要,主要是指調諧器。因此,可以說調諧器就是整個家用網關的眼和耳,其性能至關重要。
由于帶寬需求不斷增長,調制方案在密度和復雜度上都不斷增大,因此產生噪聲的可能性也增大,這就給調諧器的設計帶來了一定的困難。溫度變化、自然環境影響以及一些使用電纜的設備都會將噪聲引入電纜網絡。像電纜調制解調器、機頂盒和家用網關這類設備,如果隔離不好(這時返回信號峰值較大)或上行通路性能不佳(這時會在接收信號頻帶內出現諧波,從而大大增加電纜線路中的噪聲電平)都會產生噪聲。因此,為了使家用網關在-40℃到85℃的溫度范圍內都能保持較高的數據帶寬,設計工程師必須提高調諧器的抗噪聲性能。
圖3給出了二次變頻電纜調諧器的具體框圖,這種調諧器一般用于家用網關的下行通路中。采用二次變頻結構可以不用跟蹤濾波器來提供必要的射頻前端鏡像抑制。大多數采用二次變頻結構的設計在高頻端比較相似,都是先讓電纜信號通過一個RF低噪聲放大器(LNA)。
LNA的主要功能是將輸入信號放大到期望的電平,而同時不影響載噪比。在電纜調諧器應用中,LNA不但必須具有低噪聲的特點,還應有很高的線性度和很寬的工作頻帶。具體來說,它必須能夠處理在47MHz到870MHz范圍內,多達135個強度為15dBmV的有擾RF信道。
在LNA之后,緊跟著是第一中頻(IF)混頻器。它的主要功能是將RF輸入信號變到一個固定的IF頻率上,以便通過隨后的濾波進行信道選擇。第一IF混頻器必須具有很高的線性度才能很好地處理RF LNA放大后的輸出信號。在電纜調諧器中,線性度定義為復合三次差拍(CTB)和復合二次差拍(CSO)。CTB指所有落在某信道內的三次互調干擾的功率和,而CSO指所有落在該信道內的二次互調干擾的功率和。
從第一IF混頻器出來后,信號又被二次混頻器下變頻到最終需要的IF頻率上,其輸出經第二IF SAW濾波器濾波,該濾波器的通帶寬度通常只有一個信道寬度。最后,還需要一個帶自動增益控制(AGC)功能的IF放大器來為系統提供一定的增益,并保證送入基帶處理器的信號處于正確的電平。
IC調諧器解決方案
傳統的調諧器由300多個分離元件合并入一個金屬封裝內組成,也相當于一個射頻模塊,這種調諧器只能內部開發或由OEM商提供。但不論是哪種情況,這種采用大量分離元件得到的設計都不可避免地具有一些缺點。
因此,很多IC生產廠商投入精力解決將調諧器集成到IC上的問題。他們生產的調諧器將元件數量降低到包括調諧器IC在內不超過50個,而過去在300個以上。圖3中的虛線部分為一般調諧器中所存在的元件,不同的廠商按不同的組合方式對這些元件進行集成。
集成調諧器除了能夠解決上面談到的元件數量引起的諸多問題以外,還有一些其它優點:它為接收機中的主要部分提供了一種固定的設計方案,縮短了設計周期,并且這種方案已經通過了測試；此外,只要IC調諧器有足夠的集成度,就不再需要對元件進行人工調試,這樣減少了校準和測試所需的時間。
另外,采用集成調諧器還能降低原材料成本,進而降低生產成本。由于RF LNA 和IF AMP/AGC成本較高,將這部分集成到IC調諧器中將進一步降低成本。此外,采用集成調諧器,生產商還有望降低庫存成本。
如今,RF模塊生產商和家用網關生產商都開始使用集成調諧器。采用集成IC調諧器可以進一步降低成本,并提高產品性能。
增強型IC調諧器
引入IC調諧器為家用室外網關的設計帶來一些潛在的優勢。IC調諧器在電纜調制解調器和機頂盒之類的室內應用的一些設計困難,在家用室外網關中同樣存在,同時,由于提供電纜電話功能以及各種環境因素,IC調諧器在家用室外網關應用中將面臨更多的設計挑戰。
通常,要找到在特定溫度條件下能正常工作的元件并不困難,但真正困難的是如何設計出能在很大的溫度范圍內都能保持優良性能并且性能穩定的產品。
供電問題
如果在已有的用戶基礎上提供電視、因特網和電話等業務,那么電纜運營商每年創造的收入將更為可觀。電話業務是一項重要的業務,但MSO要想提供電話業務會遇到供電的問題。因為要提供電話業務,家用網關必須能讓用戶在停電時也能打電話和接電話。
要達到這個目標必須由一塊本地電池供電,或者通過電纜供電(即遠程供電),而一般傾向于使用電纜遠程供電。對于運營商而言,采用低功耗設備很重要,因為這樣可以降低其遠程供電或本地電池供電的成本。在不增加供電基礎設施的投資條件下,采用這些節能設備使運營商還能為更多的用戶提供服務。
此外,采用低功耗元件還簡化散熱設計問題。否則,如果某個單元的功耗太大,網關就可能無法及時將內部產生的熱能散掉,使環境溫度增加,降低網絡接口設備(NIU)的性能,并可能產生潛在的可靠性問題。
在整個家用網關的功耗中,調諧器的功耗占了很大一部分,因此降低調諧器的功耗十分關鍵。IC調諧器功耗在1W到3W之間,CMOS工藝的IC調諧器通常工作在這個范圍的高端,而采用SiGe工藝則可以工作在更高的頻率下,而功耗更低。隨著移動電話和無線通信產業的發展,將進一步推動芯片的低功率趨勢,生產商必須順應這種趨勢開發出低功率的調諧器。
調諧器集成的另一個好處是使關機模式更易實現,這進一步降低了功耗。這一功能被整合到了芯片的數字邏輯部分,數字邏輯通過串行接口控制基帶處理器。而基帶處理器通常能控制芯片中所有的子功能模塊,于是整個系統的功耗和性能都可以得到優化。這種關機功能更常用于專用方案中,因為DOCSIS標準的協議中并沒有充分支持關機功能。
在決定了使用集成IC調諧器之后,應采用哪種工藝技術來生產芯片呢？市場上已有的IC調諧器中,只有很少的一部分能在惡劣的室外環境中工作,這在很大程度上是由所選的IC制造工藝和調諧器模塊內元件的集成度決定。在這些已有的IC調諧器中,那些采用CMOS工藝的芯片只能在0℃到70℃的溫度下工作,因而只能用于室內環境。
這種工作溫度的限制使IC調諧器的制造面臨挑戰,即如何能不用BiCMOS技術而達到設計極限,拓寬設備可工作的溫度范圍。基于BiCMOS的純硅IC具有比BiCMOS IC更好的設計富余度,但通常比SiGe BiCMOS這樣最先進的技術落后一到兩代。
另外,基于SiGe的異質結(heterojunction)技術將提高產品的一些重要性能,如線性度、溫度穩定性和增益帶寬。還有一些工藝,如硅絕緣體技術(SoI)和GaAs也能在所要求的溫度范圍下工作,但采用這些技術的IC通常在該范圍的高端性能不佳。
芯片制造中工藝也決定了芯片內部的集成度水平。像GaAs這類工藝技術很難集成IF放大器/AGC和必要的數字控制電路。因而大部分IC調諧器生產商在其制造的芯片中要么沒有集成RF LNA,要么沒有集成IF放大器,這些元件必須單獨安裝,增加了成本和整個設備的板面空間。
噪聲特性和增益
在調諧器的性能中,噪聲特性非常關鍵,因為如果噪聲特性不好或處于可以使用的臨界噪聲特性上,那么信噪比(SNR)會受到嚴重影響,從而嚴重影響整個家用網關的誤碼率(BER),而誤碼率若過高將降低NIU的數據吞吐量。但由于誤碼率性能具有指數特性,所以即使噪聲特性只有很小的改善,整個網關的數據吞吐量都會有很大提高。
在惡劣的環境下,調諧器的噪聲性能尤其重要,因為噪聲特性與絕對溫度有直接的關系。如果一個調諧器的噪聲特性較差,那么在其可工作溫度范圍的高端性能將會明顯降低。硅異質結技術(如SiGe)可以在不損害增益帶寬的前提下降低晶體管的基極阻抗,而基極阻抗正是晶體管噪聲的一個主要來源。因而將SiGe BiCMOS工藝制造的元件用于IC調諧器中,可以改善其噪聲特性。
DOCSIS標準規定在電纜系統中采用正交幅度調制(QAM),以不同的載波相位對信息進行編碼。因此,調諧器的噪聲性能在很大程度上決定了所使用的調制方案的最大密度和復雜度,從而決定了整個NIU所能支持的最大數據率。對用戶來說,支持256QAM調制方案的家用網關能達到36Mbps的數據率,而64QAM調制方案只能達到27Mbps的數據率。這種數據率的差別是用戶很關注的指標。
因此,用作網關濾波器的SAW濾波器必須具有很小的帶內紋波、很低的增益抖動以及很小的群延時變化,這樣,調諧器才能采用256QAM這類頻譜效率很高的調制方案。否則,帶內紋波、增益抖動或群延時變化等都會導致誤碼。當設備工作的環境溫度范圍達到-40℃到+85℃時,增益抖動和群延時變化就會變得更難控制。這時,選用溫度系數較低的SAW可以減小這種由溫度引起的性能變化。
在調諧器中,增益隨溫度的變化主要由三個原因造成:集成有源電路的增益變化；外部SAW濾波器的增益變化；由溫度變化造成的集成有源電路和外部SAW濾波器間的匹配情況改變,從而引發的增益變化。
對于第一種情況,由有效電路引起的增益變化,可以通過溫度補償技術來改善。而由于溫度補償IC上元件間的參數匹配更好,因實現溫度補償比過去的分離元件更容易實現。
對于第二種情況,由SAW濾波器引起的增益抖動,可以通過采用溫度系數較低的SAW濾波器基底來改善。
對于最后一種情況,可以通過設計,使有效電路的阻抗與SAW濾波器阻抗隨溫度成比例變化,從而使抖動情況得到改善,但這種抖動不能徹底消除。
總之,加強型IC調諧器在家用室外網關市場上的出現,為設備生產商帶來更多利益,不僅降低了功耗、縮短設計周期、減小開發風險,而且提高了運行性能并可以簡化供應鏈管理。
作者:Sergei Nesterenko
應用工程經理
SiGe Semiconductor公司
