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移动电视的射频设计

已有 3151 次阅读 2008-10-25 15:52 |个人分类:工程实践| 移动电视, 射频

引言

  随着越来越多的移动终端具备数字移动电视功能,应用和系统工程师正面临着各种挑战,比如设备小型化、更低的功耗以及信号完整性等。本文详细介绍了对现有移动电视标准进行的一项研究的结果,重点是DVB-H标准。本文将从系统级角度探讨DVB-H接收器设计所面临的机遇和挑战,重点是射频前端。

  移动电视标准概述

  在不保证完整性的前提下,表1列出了现有和即将制定的移动电视标准和系统(不包括MBMS和BCMCS等蜂窝网络标准)。

  DVB-H立足于DVB-T,并后向兼容DVB-T,允许在已有DVB-T信道上发送DVB-H信号。其最大的改变是增加了4k FFT模式、用于2k和4k OFDM的深度交织、用于多协议封装数据的另一个前向纠错层(MPE-FEC)以及旨在节省功耗的时间片断。目前,DVB-H系统已在意大利投入商用,还有其他许多国家计划在2007/2008年实现DVB-H商用。

  高通公司已经开发出构成MediaFLOTM基础的FLO(前向链路)技术,这项技术准备在北美投入使用。与DVB-H类似,FLO通过使用时间片断来有效地降低功耗。

  T-DMB是基于Eureka 147 DAB标准开发的,并在韩国得到了应用。韩国的移动卫星系统S-DMB是少数没有采用OFDM的系统之一。S-DMB使用码分多址复用(CDM)技术,工作在带宽为25MHz的S波段上。

  日本从2006年开始采用ISDB-T标准提供移动电视服务。该标准利用6MHz信道的一个分片提供移动服务。

  中国最近颁布了自己的移动广播服务标准,名为CMMB(中国多媒体移动广播)。CMMB的关键部分是StiMi(卫星地面交互多业务基础架构),即基于OFDM技术的物理层。中国还宣布采用可用于手机的DMB-TH(数字多媒体地面广播/手机)数字电视标准。

  今年2月,DVB指导委员会批准了DVB-SH(手机卫星服务)规范。DVB-SH可通过卫星和陆地混合网络向移动终端提供服务,它将卫星信号直接传送至移动发送设备和地面中继设备。DVB-SH可细分为两种标准,即SH-A和SH-B。在SH-A中,卫星和地面链路都采用COFDM技术。而在SH-B中,卫星链路采用TDM,地面链路采用COFDM。

  DVB-H的射频接口要求

  目前,DVB-H被公认为全球移动电视的主导标准。与移动终端接收机的(C类)模拟和射频部分相关的许多关键参数参见表2。

  对DVB-H来说,图1所示的零中频直接转换接收机已经成为主流架构,因为它们能很好地满足表2给出的规范要求,并且所需外部元件数最少,功耗也很低。另一种低中频架构受到N+/-1阻隔器(blocker)所引起的严格图像抑制要求的困扰。由于使用了先进的CMOS技术,因此可以利用各种混合信号校正和电路技术克服零中频直接转换架构的一些明显缺点,比如直流偏置。用于DVB-T和DVB-H的高带宽和大量子载频,允许在不显著影响性能的情况下,围绕DC降低数kHz的频谱。

图1 嵌入蜂窝环境中DVB-H前端

  另外,就像新产品TUA9000所表明的那样,尽管DVB-H所需的输入频率范围较宽,但仍可在纯CMOS调谐器上集成低噪声放大器(LNA)。由于在射频参考点的系统噪声值低于3.5dB~4dB,因此完全能够获得所需的灵敏度。

  移动性

  终端的移动特性会引起快速变化的信道以及接收信号及其回波的多普勒频移。在这些条件下,接收器性能很大程度上取决于所采用的标准调制和保护方法,以及信号处理算法的性能。DVB-H对这些信号损伤有很强的免疫力,可通过大量不同的配置来调整性能折中方案,以满足实际要求。由于采用了出色的AGC概念,并具有足够的载噪比(C/N)余量,模拟调谐器部分的影响一般都相当小。

  系统实现考虑事项

  在移动环境中,移动电视信号的恢复经常会遇到包括特定系统集成问题在内的各种信号损伤问题。

  考虑到UHF接收器的高带宽以及移动终端的天线尺寸限制,天线设计极具挑战性。如果天线设计为宽带天线,那么实现的增益自然就较低,从而严重影响链路预算。虽然低噪声接收器设计在一定程度上可以减轻这一问题,但天线仍然是系统中最好的低噪声放大器。因此,寻找替代天线方案很有必要。调谐或谐振天线具有更好的性能。然而,像变容二极管等非线性调谐元件在环境中存在较强GSM发射信号时会降低有用信号质量,因为蜂窝天线与DVB-H天线之间的隔离度仅为10dB~20dB。

  阻隔干扰是另一个设计挑战。移动电视接收器需要覆盖的宽频谱将导致大量潜在的无用信号,这些信号需要利用接收器的动态范围加以解决。这就要求很高的线性度、良好的噪声性能以及宽带RF增益控制环路,来保护混频器及后级电路免于远端干扰设备造成的饱和。前两种要求最终决定了模拟接收机部分的功耗。因此,像美国1.6GHz DVB-H这样的单频应用,对线性要求就比较低,可以在功耗和噪声性能方面进行进一步的优化。典型的接收机设计需要满足所有的线性和噪声指标,即使实际应用中接收机并不会处于这些最差的环境中。如果有用信号足够高,或不存在交调情况,那么接收机的功耗可以降低很多。此时,如果模拟部分设计合理,那么针对智能算法可以提供另外一种节省功耗的途径。例如英飞凌公司的OmniTune TUA9000就为其主要构件提供了专门的功耗控制。TUA9000作为射频宏单元现已被集成于英飞凌最新推出的OmniVia TUS9000 DVB-H/T解调器SoC中。

  GSM中的发射机(如GSM900 TX)除带内模拟和数字电视干扰外,还存在一个严重的带外干扰。如果频谱用到750MHz,那么到GSM TX的间隔只有约130MHz。而且天线隔离度非常小,大约在10dB~20dB数量级,具体取决于实现方法。GSM TX从两个方面影响移动电视接收机,如图1和图2所示。首先,它实际上是发射电平在+33dBm的干扰设备。如果假定有10dB左右的天线隔离度,那么输入端的干扰仍有23dBm左右。基于这个原因,需要在天线之后直接放置一个GSM抑制滤波器来极大地减弱GSM TX的电平。即使有50dB的抑制,接收机的输入功率仍可达到-27dBm。加上GSM TX和有用信号之间的带内干扰,这时还是会引起严重的交调失真。为了减轻这些问题,TUA9000为了保证700MHz以下的有用信号,专门增加了针对GSM900 TX信号的额外衰减。

图2 蜂窝发送器对UHF移动电视信道的影响

  GSM TX影响移动电视接收机的第二条途径是功放(PA)噪声。如果在DVB-H频率范围内由功放引起的典型噪声功率(测量带宽为100kHz)为-85dBm左右,那么当天线隔离度为10dB时,在射频参考点测得的落入8MHz信道中的噪声约为-76dBm。这一噪声无法被移动电视接收机滤除,必须在GSM900 TX之后插入一个高通滤波器才能将此噪声滤除。在这种情况下需要约30dB的衰减。这无疑会影响本已相当紧张的PA功率预算,从而导致PAE的降低。

  DVB-H的宽频特性也会增加对其它干扰源的易感性,比如系统中一些时钟和处理频率可能落在DVB-H频率范围内的应用处理器或其它元件。

  只要认真进行系统和应用设计,用户就可以创造出在功耗、尺寸和成本之间达到平衡的具备DVB-H移动电视功能的新型移动终端。



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