Fjernsyn, videoopptakere, set-top-bokser og bredbåndskabelmottakere har alle et felles element: tuneren. Selv om alle andre elektroniske komponenter i disse enhetene krymper etter hvert som halvlederteknologi krymper, bruker forbrukerapplikasjoner ofte store "tunertanker" for å oppnå denne kritiske funksjonen. Utfordrende restriksjoner på tunerdesign er årsaken til at denne teknologien vedvarer, men markedskrefter skyver silisiumtunere i forkant.
Tuner -designeren må overvinne mange utfordringer. Inngangssignalet i kringkastings -fjernsyn og kabelapplikasjoner ligger i frekvensbåndet på 48 MHz til 861 MHz, og signalstyrken kan ha et bredt dynamisk område. For eksempel i kringkastings -fjernsynsapplikasjoner kan signalet som skal velges ha tilstøtende uønskede kanaler hvis signalstyrke overstiger 100 ganger.
En typisk tuner -design bruker en enkelt konverteringsmottakerarkitektur, selv om andre arkitekturer også er mulige. Strukturen til en enkelt konverteringstuner inkluderer et forhåndsvalgfilter, en forsterker med lav støy (LNA), en ned -omformer og en mellomfrekvens (IF) forsterker.
1. Begrensninger i silisium tuner design
1) Forhåndsvalgt filtersporing
Forvalgsfilteret tar hele frekvenssignalets frekvensbånd og reduserer det til et mindre frekvensbånd som inneholder kanalen av interesse. I lys av kanalens brede frekvensområde betyr dette at forhåndsvalgfilteret må være et sporingsbåndpassfilter hvis senterfrekvens kan variere på tvers av signalspekteret. LNAer med RF automatisk forsterkningskontrollfunksjoner følger vanligvis et forhåndsvalgt filter.
Nedkonverteringstrinnet er tradisjoneltionisk et heterodyne system. Nedkonverteren er designet med kanalvalg, som innebærer å justere den lokale oscillatoren (LO) slik at forskjellen mellom frekvensen og signalet av interesse faller innenfor båndpasset til IF -filteret. Denne fasen bruker høyytelses, smalbåndede, faste frekvensfiltre-vanligvis overflate akustiske bølgeenheter (SAW)-ved å velge og utelukke alle andre alternativer. Dette etterfølges av en IF -forsterker med variabel forsterkningskontroll, slik at systemet kan tilpasse styrken til det valgte signalet til behovene til demodulerings- og deteksjonskretsen tuneren driver.
Med tanke på det brede frekvens- og signalstyrkeområdet til inngangssignalet, vil bruk av denne arkitekturen for å generere en tuner med god ytelse bringe mange utfordringer. Det ene er forhåndsvalgfilteret. For å dekke hele signalbåndbredden krever typiske TV -tunerimplementeringer at filtre opererer i tre forskjellige frekvensbånd: VHF (veldig høy frekvens), 48 til 88 MHz; middels VHF, 174 til 216 MHz; og UHF (superhøy frekvens) ved 470 til 861 MHz. En vanlig implementering er å bruke separate filtre, ett for hvert filter.
2) Multi-band drift
Forvalgsfilteret velger driftsfrekvensbåndet, men det kan fortsatt være nødvendig å implementere et sporingsfilter for å gi den nødvendige selektiviteten. Sporingsfilteret må opprettholde en relativt fast båndbredde, selv om senterfrekvensen kan endres over mange oktaver. Realiseringen av et slikt filter krever vanligvis et stort antall passive komponenter, for eksempel induktorer, som må justeres manuelt på fabrikken for å oppnå riktig ytelse. Denne etterspørselen etter passive komponenter og manuell tuning øker tunerens størrelse og kostnad. En typisk tuner kan måle 2.5 x 2 x 0.75 tommer.
Forvalgsfilteret er imidlertid ikke den eneste komponenten med designutfordringer. LO i nedkonverteren må også håndtere et bredt frekvensområde. Forvalgsfilteret reduserer bare båndbredden til inngangssignalet. Interessesignalet kan fortsatt falle hvor som helst i området 48 til 861 MHz, og LO må i utgangspunktet dekke dette området. I tillegg må LO vise lav støy på nært hold, eller mottak av DTV-kanaler vil bli kompromittert. Den integrerte kretsoscillatoren oppnår et så bredt frekvensområde som ikke kan stilles inn, og viser samtidig lavfasestøy ved å bruke den typiske 3-volts strømforsyningsspenningen til dagens elektroniske systemer. En strømforsyning på opptil 30 V kan være nødvendig.
For å oppfylle alle disse ytelseskravene, velger de fleste leverandører å beholde de tradisjonelle TV- og videospillermodellene, til tross for kostnad og størrelse. Men markedspresset begynner å tvinge til endringer. Et av elementene er autorisasjon fra Federal Communications Commission, det vil si at alle TV -er som selges i USA har begynt å bruke tunere som kan motta digitale TV -sendinger. Denne oppgaven tvinger leverandører til å endre den grunnleggende strukturen til produktene sine, og skape muligheter for innovasjon innen tunerdesign.
Veksten i etterspørselen etter det bærbare underholdningsmarkedet har også fremmet endringer i tunerdesign. Bærbar betyr batteridrevne eller håndholdte enheter og forbyr bruk av høyspenninger i LO-implementeringer. I tillegg krever bærbare enheter mye mindre implementeringer enn typiske tunere. I det voksende flatskjerm-/TV -markedet er liten størrelse også viktig. I en flatpaneldesign kan størrelsen på tuneren være den begrensende faktoren for produktfortynning.
En annen trend som påvirker tunerkravene er at forbrukerne ønsker å motta flere kanaler samtidig. Dette betyr at det kreves mer enn én tuner, noe som tar mer plass, noe som påvirker systemstørrelsen og øker kostnaden for tuneren for det endelige produktet. Markedspress for å redusere størrelse og andre trender har fremmet bruk av silisium tuner -design.
3) Fjern manuell tuning
Det er mange mål for silisium tuner design. Et av hovedmålene er å eliminere behovet for å manuelt justere eksterne komponenter i sporingsfilteret. Det er to effekter i silisium. Den ene er at eliminering av de fleste eksterne komponenter også eliminerer deres evne til å absorbere og spre uønsket RF -energi fra det ekskluderte frekvensbåndet. Silisiumtunere må bruke nyskapende kretsdesign i LNA og miksere for å håndtere uønsket energi uten å skade transistorene.
Den andre virkningen er behovet for en ny RF -arkitektur. Tidlige design av silisiumtunere prøvde å ta i bruk en dobbel konverteringsmetode, som ga selektivitet uten å stille inn eksterne komponenter manuelt. Den første konverteringen forskyver inngangssignalets frekvens oppover. RF SAW -filteret reduserer båndbredden før den konverteres til IF for andre gang. Filterinnretningen representerer hovedkostnaden for dette designet.
Nylig brukes selvkalibreringsteknologi for å overvinne endringene i halvlederprosessproduksjon. Noen eliminerer også behovet for høyspent strømforsyninger for LO og behovet for RF SAW-enheter. I stedet bruker de bare SAW -filtre i IF -stadiet, som har en mye lavere frekvens og er billigere enheter enn RF SAW -filtre.
Implementering av disse designene i silisium krever avansert teknologi for halvlederprosess. Chip -leverandører karakteriserer vanligvis bare prosessen med deres digitale VLSI -implementering. For å implementere en silisiumtuner må prosessen karakteriseres basert på RF -ytelse. I tillegg må prosessen ha en måte å lage en induktor med riktig verdi og ha en tilstrekkelig høy Q for lavfasestøy LO -implementering eller RF -filterdesign. En slik prosess kan nå brukes.
I tillegg til halvlederprosesser krever silisiumtunere nøye chipdesign. RF har mange muligheter for utstrålt og gjennomført interferens. I en silikon tuner-design med én chip, forsterker nærheten til signallinjer på chip og deling av kretsunderlag dette. For å kontrollere denne forstyrrelsen kreves et oppsett som skiller kritiske kretser og inkluderer skjermingsmønstre. Designet krever også nøye opprettelse og forvaltning av nettstrøm- og bakkenettverk. I tillegg må designet inkludere på-chip og off-chip filtreringskomponenter for å bryte forstyrrelsessignalbanen.
Alle disse problemene er løst, og med ankomsten av silisium-tuner-enheter har produktdesignere begynt å lage måter å bli kvitt den gamle tuneren-i-en-boksen. Satellitt- og kabelmottakere var de første som tok i bruk denne metoden. De behandler signaler med omtrent samme effekt i hver kanal. Denne kanalens enhetlighet forenkler tunerdesignet noe, slik at tidlig silikon -tunerutstyr kan oppfylle kravene.
Imidlertid må mottak på bakkenett bruke en tuner som kan gi selektivitet over et bredt spekter av kanaleffektnivåer. Muligheten for å kombinere sterke signaler i tilstøtende kanaler med svake interessekanaler pålegger strenge begrensninger for selektiviteten til tunerdesign. Inntil nylig har innovative RF -arkitekturer og forbedret RF -halvlederbehandling tillatt silisiumtunere å oppnå den nødvendige ytelsen til lave kostnader.
Ved å eliminere behovet for manuelle justeringer, kan disse silisiumtunerne øke produksjonsutbyttet og gi mer pålitelig ytelse enn eldre design. De oppfyller behovene til bærbare enheter ved å eliminere behovet for høyspent strømforsyninger og tillate kompakte implementeringer. Gitt markedets innflytelse på disse egenskapene, forventes det at silisiumtunere justerer designene til TV -mottakere med andre deler av elektronikkindustrien.
Ravi Shenoy ([e-postbeskyttet]) er den analoge direktøren og RF -teknologien til LSI Logic (Milpitas, California).
Vår andre produkt:
