移動(dòng)電視射頻技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

隨著數(shù)字移動(dòng)電視不斷向移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用轉(zhuǎn)移，應(yīng)用和系統(tǒng)工程師正面臨著各種挑戰(zhàn)，比如外形尺寸的小型化、更低的功耗以及信號(hào)完整性。對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)的研究重點(diǎn)將放在了DVB-H上。本文將從系統(tǒng)角度討論DVB-H接收器設(shè)計(jì)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)介紹射頻前端。

移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)

在不保證完整的前提下，表1列出了現(xiàn)有和即將制定的移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)(不包括MBMS和BCMCS等蜂窩方面的標(biāo)準(zhǔn))。

DVB-H建立在DVB-T基礎(chǔ)上，并保持后向兼容，允許在已有DVB-T信道上發(fā)送DVB-H信號(hào)。最大的改變是增加了4k FFT模式、用于2k和4k OFDM的深度交織、用于多協(xié)議封裝數(shù)據(jù)的另一個(gè)前向糾錯(cuò)層(MPE-FEC)以及旨在節(jié)省功耗的時(shí)間片斷。意大利已經(jīng)開(kāi)始DVB-H的商用服務(wù)，2007/2008年還有其它許多國(guó)家將投入商用。

QUALCOMM開(kāi)發(fā)出了作為MediaFLOTM基礎(chǔ)的FLO(前向鏈路)技術(shù)，并將在北美投入使用。與DVB-H類(lèi)似，F(xiàn)LO通過(guò)使用時(shí)間片斷來(lái)有效地降低功耗。
T-DMB是基于Eureka 147 DAB標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的，并在韓國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。韓國(guó)的移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)S-DMB是少數(shù)沒(méi)有采用OFDM的系統(tǒng)之一。S-DMB使用碼分多址復(fù)用(CDM)技術(shù)，工作在25MHz寬的S頻段信道上。

日本從2006年開(kāi)始采用ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)提供移動(dòng)電視服務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)利用一段6MHz的信道提供移動(dòng)服務(wù)。



表1：各種移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)的比較一覽表。

中國(guó)最近頒布了自己的移動(dòng)廣播服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，名為CMMB(中國(guó)多媒體移動(dòng)廣播)。CMMB的關(guān)鍵部分是STiMi(衛(wèi)星地面交互多業(yè)務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu))，即基于OFDM技術(shù)的物理層。中國(guó)還宣布采用可用于手機(jī)的DMB-TH(數(shù)字多媒體地面廣播/手機(jī))數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。

前不久，DVB決策機(jī)構(gòu)(Steering Board)批準(zhǔn)了DVB-SH(手機(jī)衛(wèi)星服務(wù))規(guī)范。DVB-SH可通過(guò)衛(wèi)星和地面混合網(wǎng)絡(luò)向移動(dòng)設(shè)備提供服務(wù)，它直接將衛(wèi)星連接到移動(dòng)發(fā)送設(shè)備和地面中繼設(shè)備。DVB-SH可細(xì)分為兩種標(biāo)準(zhǔn)，即SH-A和SH-B。在SH-A中，衛(wèi)星和地面鏈路都采用COFDM技術(shù)。而在SH-B中，衛(wèi)星鏈路采用TDM，地面鏈路采用COFDM。DVB-SH在今年初的巴塞羅納舉行的3GSM全球會(huì)議上作過(guò)演示。

DVB-H的射頻接口要求

目前DVB-H被公認(rèn)為是全球移動(dòng)電視的主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。本文隨后將主要介紹DVB-H標(biāo)準(zhǔn)，雖然其它標(biāo)準(zhǔn)也有一定的市場(chǎng)。與移動(dòng)終端接收機(jī)的模擬和射頻部分相關(guān)的許多關(guān)鍵參數(shù)被總結(jié)在表2中。

對(duì)DVB-H來(lái)說(shuō)，如圖1所示的零中頻直接轉(zhuǎn)換接收機(jī)已經(jīng)成為主流架構(gòu)，因?yàn)樗鼈兡芎芎玫貪M(mǎn)足表2給出的規(guī)范要求，并且所需外部元件數(shù)最少，功耗也很低。



圖1：嵌入于蜂窩環(huán)境中的DVB-H前端。



表2：DVB-H移動(dòng)終端射頻接口的關(guān)鍵指標(biāo)。

另一種低中頻架構(gòu)則困繞于N+/-1阻隔器(blocker)所引起的嚴(yán)格的圖像抑制要求。由于使用了先進(jìn)的CMOS技術(shù)，因此可以利用各種混合信號(hào)校正和電路技術(shù)克服零中頻直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的一些明顯缺點(diǎn)，比如直流偏置。DVB-T和DVB-H使用的高帶寬和大量子載頻在不顯著影響性能的情況下可以減少直流信號(hào)附近數(shù)kHz范圍內(nèi)的頻譜。 另外，就像新產(chǎn)品TUA9000展示的那樣，盡管DVB-H所需的輸入頻率范圍較寬，但仍可能在純CMOS調(diào)諧器上集成低噪聲放大器(LNA)。由于在射頻參考點(diǎn)的系統(tǒng)噪聲值低于3.5到4dB，因此完全能夠獲得所需的靈敏度。

移動(dòng)性

終端的移動(dòng)特性會(huì)引起快速變化的信道以及接收信號(hào)及其回波的多普勒頻移。在這些條件下的接收器性能很大程度上取決于所采用的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制和保護(hù)方法以及信號(hào)處理算法的性能。DVB-H對(duì)這些信號(hào)損傷有很強(qiáng)的免疫力，可通過(guò)大量不同的配置調(diào)整性能來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際要求。由于采用了優(yōu)秀的AGC概念和足夠的C/N余量，模擬調(diào)諧器部分的影響一般都相當(dāng)小。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)考慮

移動(dòng)環(huán)境中移動(dòng)電視信號(hào)的恢復(fù)經(jīng)常會(huì)遇到包括具體系統(tǒng)集成在內(nèi)的各種信號(hào)損傷問(wèn)題。

考慮到UHF接收器的高帶寬以及移動(dòng)終端天線(xiàn)長(zhǎng)度有限，天線(xiàn)設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。如果天線(xiàn)設(shè)計(jì)為寬帶天線(xiàn)，那么實(shí)現(xiàn)的增益自然就較低，從而嚴(yán)重影響鏈路預(yù)算。雖然低噪聲接收器設(shè)計(jì)在一定程度上可以減輕這一問(wèn)題，但天線(xiàn)仍然是系統(tǒng)中最好的“低噪聲放大器”。因此最好是尋找可替代的天線(xiàn)方案。調(diào)諧或諧振天線(xiàn)可以提供更好的性能。然而，像變?nèi)荻O管等非線(xiàn)性調(diào)諧元件在環(huán)境中存在強(qiáng)GSM發(fā)射信號(hào)時(shí)會(huì)降低有用信號(hào)質(zhì)量，因?yàn)榉涓C天線(xiàn)與DVB-H天線(xiàn)之間的隔離度只有10-20dB。

阻隔干擾是各級(jí)別上的另外一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。移動(dòng)電視接收器需要覆蓋的寬頻譜將導(dǎo)致大量潛在的無(wú)用信號(hào)，這些信號(hào)需要利用接收器的動(dòng)態(tài)范圍加以解決。這就要求很高的線(xiàn)性度和良好的噪聲性能以及寬帶RF增益控制環(huán)路來(lái)保護(hù)混頻器及后級(jí)電路免于遠(yuǎn)端干擾設(shè)備造成的飽和。前兩種要求最終決定了模擬接收機(jī)部分的功耗。因此像美國(guó)1.6GHz DVB-H這樣的單頻應(yīng)用對(duì)線(xiàn)性要求就比較低，可以在功耗和噪聲性能方面做進(jìn)一步的優(yōu)化。典型的接收機(jī)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足所有的線(xiàn)性和噪聲指標(biāo)，即使實(shí)際應(yīng)用中接收機(jī)并不會(huì)處于這些最差的環(huán)境中。如果有用信號(hào)足夠高，或不存在交調(diào)情況，那么接收機(jī)的功耗可以降低很多。此時(shí)，如果模擬部分設(shè)計(jì)合理，那么針對(duì)智能算法可以提供另外一種節(jié)省功耗的途徑。例如英飛凌公司的OmniTuneTM TUA9000就對(duì)其主要構(gòu)建模塊提供了專(zhuān)門(mén)的功耗控制。TUA9000作為射頻宏單元現(xiàn)已被集成進(jìn)了英飛凌公司最新的OmniVia TUS9000 DVB-H/T解調(diào)器SoC中。



GSM中的發(fā)射機(jī)(如GSM900 TX)除了形成帶內(nèi)模擬和數(shù)字電視干擾外，還存在一個(gè)嚴(yán)重的帶外干擾。如果頻譜用到750MHz，那么到GSM TX的間隔只有約130MHz。而且天線(xiàn)隔離度非常小，大約在10-20dB數(shù)量級(jí)，具體取決于實(shí)現(xiàn)方法。GSM TX從兩個(gè)方面影響移動(dòng)電視接收機(jī)，如圖1和圖2所示。首先，它實(shí)際上是發(fā)射電平在+33dBm的干擾設(shè)備。如果假定有10dB左右的天線(xiàn)隔離度，那么輸入端的干擾仍有23dBm左右?；谶@個(gè)原因，需要在天線(xiàn)后直接放置一個(gè)GSM抑制濾波器來(lái)極大地減弱GSM TX的電平。即使有50dB的抑制，接收機(jī)的輸入功率仍有-27dBm。加上GSM TX和有用信號(hào)之間的帶內(nèi)干擾，這時(shí)還是會(huì)引起嚴(yán)重的交調(diào)失真。為了減輕這些問(wèn)題，TUA9000專(zhuān)門(mén)為了保證700MHz以下的有用信號(hào)，專(zhuān)門(mén)增加了針對(duì)GSM900 TX信號(hào)的額外衰耗。



圖3：英飛凌公司的TUA9000外觀圖。

GSM TX影響移動(dòng)電視接收機(jī)的第二種途徑是通過(guò)功放(PA)噪聲。如果在DVB-H頻率范圍內(nèi)由功放引起的典型噪聲功率在100kHz帶寬下測(cè)得為-85dBm左右，那么當(dāng)天線(xiàn)隔離度為10dB時(shí)，在射頻參考點(diǎn)測(cè)得的落入8MHz信道中的噪聲約為-76dBm。這一噪聲無(wú)法被移動(dòng)電視接收機(jī)濾除，必須在GSM900 TX后插入一個(gè)高通濾波器才能將此噪聲濾除，見(jiàn)圖1和圖2。在這種情況下需要約30dB的衰耗。這無(wú)疑會(huì)吃掉本已緊張的PA功率預(yù)算，從而導(dǎo)致PAE的降低。
 
DVB-H的寬頻特性也會(huì)增加對(duì)其它干擾源的易感性，比如系統(tǒng)中一些時(shí)鐘和處理頻率可能落在DVB-H頻率范圍內(nèi)的應(yīng)用處理器或其它元件。

只要認(rèn)真地進(jìn)行系統(tǒng)和應(yīng)用設(shè)計(jì)，移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)DVB-H就可以實(shí)現(xiàn)功率、面積和成本最有效的終端集成，進(jìn)而為移動(dòng)設(shè)備提供更多先進(jìn)性能。