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射頻/無線  

突破傳統電視矽調諧器限制 實現最低系統成本

上網時間: 2012年08月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:矽調諧器  SoC  聲表濾波器  MOPLL  射頻 

作者:Melissa Chee and Scott Howe

Fresco Microchip

儘管電視市場越來越成熟,但電視機內部的架構仍在不斷演化並推動價格的下降。“降低成本”無疑是消費電子領域最頻繁提到的詞語。不斷上漲的成本壓力推動電視架構的變遷,並導致電視系統單晶片(SoC)市場快速整合,同時也加速了矽調諧器在電視上的採用。只有突破性的技術才能確保證在不犧牲性能的情況下獲得最低成本的系統解決方案。本文將展望電視市場的趨勢以及其對下一代電視前端方案的影響。

改變電視的未來

2011年,包括類比電視和數位類比合一電視在內的全球電視出貨量超過2.5億台。到2011年底,大部份的電視出貨採用有限的幾家SoC公司的方案。主流的SOC都已經盡量整合了能在數位領域最經濟有效建置的功能了。但是,許多矽調諧器仍然採用昂貴的射頻和類比技術來保留這些功能,因而無可避免地增加了不必要的系統成本和複雜度。

在過去,許多鐵殼調諧器(CAN tuner)都以混頻器振盪器鎖相環(MOPLL)為基礎。隨著性價比的不斷提高,矽調諧器正快速取代MOPLL。預計在未來十八個月,矽調諧器在電視上將達到接近100%的市場滲透率。將矽調諧器直接設計在電視主機板上或將矽調諧器應用到鐵殼調諧器中將變得普遍。

架構演進

降低成本主要透過使部份功能從類比/射頻晶片遷移到數位晶片而獲得。基本上,電視前端由類比及射頻電路組成,將空中或有線電視訊號調諧和處理成為合適的格式。隨後,數位SoC內的類比數位轉換器(ADC)會對這些訊號進行採樣。由於ADC是在類比/射頻和數位領域之間的承接點,ADC的經濟和性能決定了哪一部份功能被整合在數位SoC中。

過去十年來,為了滿足電視市場的成本要求,中頻(IF)自動增益控制放大器(AGC)、各種聲表面濾波器(SAW)和類比解調器都已經整合在主流的SoC中。

圖表1展示2004年前後典型的前端架構。調諧器功能由一個MOPLL晶片加上數百個分離式元件組成,並需要經由手動調整。幾個分離的聲表面濾波器輸出一路濾波的中頻訊號,並送到一個外部的類比解調器。然後,解調器的輸出透過SoC內的ADC進行數位化。這些大型的聲表面濾波器限制了電視的厚度。薄型的聲表面濾波器非常昂貴,但隨著超薄平板電視成長的需求而變得必要。同時,不同的電視市場要求不同的聲表面濾波器(支援6/7/8MHz頻寬),使得產生區域化的電視規格,這就增加了營運和製造的成本。


圖1:2004年的SoC架構由分離式IF AFC放大器、聲表面濾波器和類比解調器組成。

從2009年開始,在一個可行的成本點上,ADC的性能提升變得更輕鬆實現。突破性技術的導入使得高頻輸出訊號可被直接採樣,因而消除了對昂貴、分離式聲表面濾波器和外部類比解調器的需求。先進的ADC出現帶來了一個重要的架構變化──將各種功能整合在SoC中,如圖表2。這個變化是漸進的,所以,在類比和數位晶片上重複的功能仍然存在。這樣的冗餘還可透過消除在調諧器上的重複功能進一步實現最佳化。


圖2:最新的SoC架構整合了IF AGC放大器、聲表面濾波器、類比和數位解調器。

在電視設計上獲得更低系統成本的原則

最新一代電視SoC能取得成本優勢可歸因於ADC技術的進步。直到最近,具有必要動態範圍的ADC仍佔有較大的晶圓核心和較高的功耗,這為聲表面濾波器有效地整合於SoC時帶來了困難。ADC的動態範圍指的是能被ADC數位化的訊號的範圍。干擾(U)和期望(D)頻道的比率(U/D Ratio),由模組方法決定的載波和雜訊比(CNR),以及必須的餘量,這些指標決定了ADC的動態範圍,如圖表3所示。


圖3:ADC動態範圍

為了滿足系統動態範圍的要求,傳統的電視不得不採用多個外部聲表面濾波器。聲表面濾波器的特性取決於由現場環境或性能要求標準確定的U/D比率,如圖表4。干擾頻道的訊號越強,要求的濾波器就越複雜。


圖4:濾波特性

現在已經能夠廣泛獲得晶圓面積較小、低功耗且寬動態範圍的ADC了。正如先前談到,這些先進的ADC已經使開發商可將中頻放大器、數位和類比解調器以及聲表面濾波器整合在SoC中。

同時,許多矽調諧器已經保留了聲表面濾波器,同時一些晶片中心包含了類比解調器。這些重複的功能增加了不必要的系統成本和複雜度,如圖表5所示。這些功能可在數位主晶片中以非常低的成本來建置,而不必再像目前許多矽調諧器一樣得採用昂貴的射頻晶片中。


圖5:在目前的SoC中,許多現有矽調諧器與SAW濾波器功能重複

最低的系統成本

最低的系統方案成本可透過以下的矽調諧器方案獲得:

* 消除在矽調諧器和電視主晶片上同時存在的冗餘電路;

* 提供最小的晶片核心面積,並採用最經濟的製程。

如圖表6所示,Fresco的Simply RF矽調諧器是最近的一個例子,它與各種流行的電視SoC配合便可獲得最低的系統成本。


圖6:可消除電路重複以實現最低系統成本的簡單矽調諧器。

矽調諧器應用到電視的前景展望

業界專家預測,在可見的未來,矽調諧器在電視上的採用將呈指數級的增加,這包括在調諧器模組和直接設計到電視主機板。隨著對消費電子設備(包括電視、電腦、平板電腦和手機)多頻互動支援的需求成長,矽調諧器在電視上的應用將繼續快速擴張。

產業範圍內的整合強調以低成本、高性能滿足市場需求的重要性。隨著技術的進步,更多的功能將被整合在電視SoC,並且在數位部份實現相應功能成為最經濟有效的方法。同時,對於簡單調諧器的更大需求是與電視SoC有互補性而不是重複SoC系統功能。雖然電視產業的變遷需要時間,但透過與一些SoC開發商的共同努力,最新SoC架構和簡單高頻的升級已經在穩步地前進中,並預期可在未來幾年快速成長。

Melissa Chee 和Scott Howe 分別是Fresco 的市場總監和系統應用工程總監。





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