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如何选择数字电视前端接收芯片
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如何选择数字电视前端接收芯片
当前，数字电视产业的发展如火如荼，标准的制订、数字电视整体平移、终端制造商争先推出高清数字电视和机顶盒，这些都传递了一个声音：数字电视产业化革命即将到来。
在数字电视相关技术中，接收机的设计技术难度高，而能否实现高质量的接收性能又直接影响到数字电视终端节目显示的效果。那么，如何选择一款具有良好接收性能的数字电视解调芯片呢？这需要进行系统地评估以确定最佳解决方案。在下文中作者将从数字电视地面广播系统的特点、接收机中降低干扰的常见电路和ATSC地面接收机的测试方法等方面来进行阐述，希望能为数字电视生产厂商提供一些参考，以便更系统性地选择高质量的解调解码芯片。
数字电视地面广播系统的特点
真正的数字电视广播是指图像和声音都经过数字压缩后，通过数字的方式在信道上传播的电视广播。数字电视广播又分为卫星数字电视广播、有线数字电视广播和地面(无线)数字电视广播。目前已经大规模应用的地面数字电视广播有ATSC和DVB-T两种模式。ATSC主要应用在北美和韩国，DVB-T主要应用在欧洲、大洋洲和中国的台湾地区。中国国内也有部分DVB-T广播。除了ATSC和DVB-T之外，另外还有已经制定的日本ISDB-T和中国正在制定的地面广播标准。
地面数字电视广播系统包括节目制作、信源(节目包括图象和伴音)压缩编码、信道编码和调制、发射天线、信道(主要是空气)传播、接收天线、接收解调和纠错、信源解压和终端显示。在现有的ATSC和DVB-T系统中，图象压缩编码都是采用MPEG2。ATSC中的伴音采用AC3，但DVB-T中的伴音则采用MPEG-2。
和传统的模拟电视广播相比，数字电视广播的一大特点是它的“数字效应”，也就是说接收效果要么很好，要么就收不到，中间几乎没有过渡带。一般模拟电视广播中常见的重影和雪花点在数字电视广播中是看不到的。数字电视接收机中有专门的消重影和消雪花电路来保证接收数字信号的完整性。从而使MPEG层的误码率达到MPEG-2解码所能容许的范围以内。如果信道中的重影和雪花超过了接收机的能力，则接收到的MPEG-2码流会包含大量的误码，从而引起MPEG-2解压失效，这时就没有图像和伴音了。
与卫星和有线数字电视广播不同，数字电视地面广播的信道主要是近地大气层。因此数字电视广播的另一大特点是接收到的信号会包含大量的反射波和随机干扰。而反射波又包括静态反射波和动态反射波。静态反射波主要包括由周围建筑物引起的反射波，周围地面、水面和山体的反射波。周围建筑的反射波在时间延迟上呈离散分布，这是因为建筑物相对于电磁波的传播空间来说是很小的，而周围地面、水面和山体的反射波则呈连续分布。
图：ATSC数字电视地面广播接收器架构。
动态反射波通常是周围运动物体产生的，例如附近的汽车、火车、飞机等。如果采用室内天线，则还包括附近走动的人和其它动物等。即使在通常的静态反射波情况下，反射波也不是稳定的。反射波一方面受空气热扰动的影响，另一方面接收天线受风的吹动也使得反射波的强度和相位受到影响，所以说真正静止稳定的反射波模型在实际应用中是不存在的。
地面数字电视接收机中的常见干扰处理电路
在模拟电视的图像中，反射波表现为重影，而随机干扰则表现为雪花点。还有一些干扰，如单频干扰表现为网格，非线性干扰则表现为斜条。而在数字电视接收机中，所有这些干扰都反映在接收机的误码率上。现在所有的地面数字电视接收机中都有专门的电路来减小这些干扰对误码率的影响。在ATSC和DVB-T中，各种干扰的影响是不一样的。下面以ATSC为例探讨一些常见的电路。
1. 消回波电路
一般的ATSC接收机都用自适应判决反馈均衡器来实现消回波电路。一个好的消回波电路应该具有跟踪响应时间快、回波覆盖范围大、自适应噪声低的特点。
自适应判决反馈均衡器由前向均衡部分和判决反馈均衡部分组成。要实现好的消回波性能，该判决反馈均衡器必需有足够多的抽头系数，尤其要有足够多的前向均衡抽头系数。因为只有这样才可以充分利用天线所接收到的所有回波的能量，以提高接收机信噪比，而不只是把回波抵消掉。
但是，单纯增加均衡器抽头系数并不能解决全部问题。一方面，如果抽头系数多了，均衡器的自适应跟踪性能会下降，以至于跟不上动态回波的变化而严重影响接收机在实际应用中的性能；另一方面，如果抽头系数多了，后均衡器由自适应调整引起的内部噪声会变大，从而影响接收机的信噪比。当然抽头系数多也会增加接收机的成本。多重因素的矛盾需求决定了消回波电路是ATSC接收机中大量技术创新的部分。
早期ATSC接收机的设计中采用稀疏抽头自适应判决反馈均衡器来降低成本和自适应噪声。稀疏抽头自适应判决反馈均衡器的基本原理是只在那些真正有回波的时延位配置抽头，而其他的位置不配置。设计者希望真正需要配置抽头的位置不多(因而得名稀疏抽头)，这样既降低了成本，又降低了自适应噪声。
显然，这需要假定回波是静态或者变化十分缓慢和离散的。而我们知道，真正的静态离散回波在实际应用中是不存在的。稀疏抽头自适应判决反馈均衡器在实际应用中并不理想。它一方面需要大量的电路来检测回波的变化，以便及时变更抽头配置；另一方面，不精密的抽头配置和频繁的更换引起的噪声也降低了接收机的性能。
在消回波电路设计中的另一点考虑是所谓的前向回波(PRE-ECHO)和后向回波(POST-ECHO)。这是以信道冲击响应的最大能量点为参考点的，比最大点来得早的回波是前向回波，来得晚的是后向回波。因为电磁波能量的传播随着距离增加而衰落，而来的早的回波比来的晚的回波经过的距离短，所以信道冲击响应的最大能量点在整个信道冲击响应中是比较靠前的。也就是说前向回波会比后向回波短。这一点在均衡器设计中要做相应的考虑，盲目增加前向回波范围而不增加对应的后向回波范围，虽然在实验室中可以测试出好效果，但在实际应用中是不会取得好效果的。
2. 消噪声电路
接收机中的噪声一方面源自热噪声，另一方面源自接收机内部噪声。接收机内部噪声又包括量化噪声、均衡器的自适应噪声，锁相环(PLL)的剩余噪声等等。对热噪声只能用滤波的办法使之减少。量化噪声可以通过提高接收机模数转换(ADC)的精度和内部运算精度来改善。锁相环(PLL)的剩余噪声可以利用动态参数锁相环的技术来降低。
3. 消干扰电路
ATSC接收机的干扰主要是邻频和同频的NTSC和ATSC干扰。尤其以邻频NTSC干扰最为严重。这是因为下频道的伴音载频离有用信号只有0.25MHz，而上频道的图像载频离有用信号只有1.25MHz。这就要求接收机有经过良好设计的滤波电路和剩余窄频干扰消除电路。干扰信号有时比有用信号大得多，所以要求接收机有大的动态范围。增加接收机模数转换的精度有利于提高接收机的动态范围。
4. 抗相位抖动电路
相位抖动多为调谐器受外界干扰而产生。最大的干扰来自供电回路。所以相位抖动的频率大多为供电频率的倍数。在美国，相位抖动的频率多为60HZ或120HZ。其它引起相位抖动的因素包括传播介质的变化和天线的抖动。但这些因素引起的相位抖动频率要低得多。传统的抗相位抖动的方法是在自适应判决反馈均衡器后面加相位跟踪器。这种办法没有去掉相位抖动对自适应判决反馈均衡器的影响。更好的办法是在自适应判决反馈均衡器前将相位抖动的影响去掉，这样，均衡器将可以更好地对信道回波进行均衡。
一个具备良好的抗相位抖动能力的接收机可以在一定程度上降低整机设计时的工艺要求。同时也可以减轻对调谐器的要求，从而降低成本并提高整机的稳定性。
ATSC接收机的测试方法
可以看出，一个好的地面数字电视接收机应该有合理的回波消除范围，以及较大的白噪声容忍度和良好的抗干扰能力。那么，如何测试和评估一个接收机的性能呢？
ATSC委员会对ATSC接收机的性能有一个规范标准A/74，该标准主要描述接收机的静态性能。接收机的动态性能是很难描述的，到目前为止并没有一个公认的标准。接收机的静态性能可以用罗德施瓦茨公司的SFQ来测试，SFQ可以测试接收机的信噪比。一般的接收机都可以在2.5*10-4包误码率情况下达到15.5dB，好的接收机可以达到15.3dB以下。
SFQ还可以测试不超过5个点的离散静态和动态回波。不过，SFQ的动态回波只是在固定的回波时延上加上不同的相位，而不是真正意义上的动态回波，真正的动态回波的时延和相位都是可变的。需要指出的是，罗德施瓦茨公司最新的SFU已经具备了测量离散动态回波(包括时延和相位)的能力。而市面上还没有好的商用仪器可以测试连续回波，原因之一是这类回波并没有很好的模型可以描述。
通常厂家只给出单个回波的最大前向和后向时延测试结果，这在实际应用中没有太大意义，因为几乎没有任何情况下的回波是单个的。测量接收机能够同时处理的两个回波的最大时延差，可以更好地了解接收机对静态离散回波的处理能力。一般好的接收机能够处理的最大时延差可以达到50微秒以上。
对于消干扰电路的测试主要基于对邻频干扰和同频干扰的测试。其中又分为数字邻频干扰、同频干扰和模拟邻频干扰、同频干扰。一般可以用SFQ再加另一台数字或模拟电视信号发生器和一个混合电路。不过要精确地控制和测量混和信号中有用信号和干扰信号的功率并不是一件容易的事。一般的ATSC接收机应可以做到40dB以上的抗邻频干扰能力和抗-15dB数字2dB模拟同频干扰能力。罗德施瓦茨公司最新的SFU在这方面有很大改善。
考虑到真正的静态模型在实际应用中是不存在的，所以上面谈到的静态测试结果不一定就与实际用户经验有一一对应关系。也就是说，静态测试性能好的接收机不一定在实际应用中就有好的表现。正是考虑到这一点，人们常用ATSC RF测试集来评价ATSC接收机的性能。ATSC RF测试集是由ATSC标准制定委员会记录的，由不同厂家用不同天线在美国不同地点实地采集到的ATSC数字信号。
ATSC RF测试集由50个信号采样组成。对每个信号序列的测试结果分为四类：第一类图像无干扰；第二类图像有干扰但无间断；第三类图像有间断；第四类无完整图像。好的接收机的结果中第一、二类的结果应占50%以上，但是这个信号集并不是完美无暇的。由于这些信号主要是在美国东部纽约和华盛顿附近采集的，
它们主要反映了平原地区大城市附近的情况，对美国中西部的山区，湖区环境则代表性不足。但由于这个ATSC RF信号集是公开的，由多个厂商联合完成的，有准确的记录，所以可用来比较公正地测试不同接收机在特定环境的实际应用中表现。
另一个常提到的测试是巴西测试集。巴西测试集由五组不同的静态离散回波参数组成，每组不超过五个静态离散回波。综合上面的叙述，我们知道真正的离散静态模型在实际应用中是不存在的，所以巴西测试集多为市场考量。罗德施瓦茨公司的SFQ可用于测试巴西测试集。加拿大通讯研究中心(CRC)是一个可以提供ATSC接收机测试的一个第三方测试机构。它无疑对那些没有能力购置大量仪器的厂家提供了一个测试选择。CRC现在可以提供ATSC接收机的静态测试包括巴西测试集和ATSC RF测试集的测试。除了简单地改变静态回波的相位外，CRC不做动态回波测试。但ATSC RF测试集的测试结果对接收机的实际应用具有参考价值。
综上所述，在地面数字电视接收系统中，要想获得良好的接收效果，一款具备高质量解调能力的数字电视接收芯片是关键所在。这类芯片应该具备接收灵敏度高、抗干扰、消回波及纠错能力强等特性。数字电视的设计是一个复杂的系统工程，要设计一个性能优良的数字电视接收机方案，必须选对设计方案中的关键芯片，包括前端的解调接收芯片及后端的解码、显示处理芯片。只有将它们最优组合后才能在电视机上呈现出最佳显示效果，让人们真正享受到高清视觉的体验。
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