集成降频器在卫星电视室外单元中的应用

安徽四创 沈俊

伴随着我国广播电视行业的发展，卫星电视直播已经开始作为一种重要的广播电视传输方式，在我国特定的区域进行公益性的推广使用，得到了国家的大力支持。在这种卫星电视的接收系统中室外单元是必需的设备，本文对卫星室外单元的原理及新的半导体技术在卫星室外单元中的应用作一简要的叙述。

卫星电视直播系统在国内外的发展现状

卫星电视室外单元又称卫星高频头（LNB），是卫星电视接收系统中的重要设备。

首先简单的介绍下，卫星电视直播系统的现状。

卫星电视直播系统，依托于卫星广播自身具有的覆盖面大、传输距离远、信息量大、信号质量高、不受地域条件限制的特点，在世界上许多国家得到了广泛的应用。目前，全球约有40多个国家和地区开展卫星电视直播业务，特别是美国、欧洲等地区，在卫星直播的业务运营中获得了巨大的成功。在美国，根据市场调研机构IBISWORLD公司的报告显示，即使受到IPTV的冲击，卫星电视行业（其用户和收入）在过去的五年中也一直保持着稳定地增长，这与不断流失订购用户的有线电视领域形成了鲜明的对比。

近年来，我国卫星直播业务也得到了很大的发展。国家广电从1998年开始组织实施了基于卫星电视直播的广播电视“村村通”惠民工程，并在“十一五”期间完成。目前也正在开展为有线网络未通达的农村地区提供广播电视服务的直播卫星“户户通”工程。截止2013.3.31全国“户户通”开通总量达到8，293，924户。而且据广电总局科技司司长王效杰在CCBN2013主题报告会上透露，目前直播卫星用户已超过2650万户，但全国至少还有超过1亿用户等待普及“户户通”接收实施。可以预见在未来的几年里，卫星电视直播业务必然会大力的发展，而作为卫星电视接收系统中不可获缺的设备卫星电视室外单元也必然得到更为广泛的应用。

卫星电视室外单元功能及原理简述

卫星电视室外单元，它在整个接收系统中的主要功能是将卫星天线接收的卫星信号变频放大到L波段的信号，再通过同轴电缆传送到卫星接收机，进行后端的信号解调、解码处理。室外单元一般包含有馈源波导以及电路部分，其变频放大功能主要是通过电路来实现的，它的主要电路包括低噪声放大电路、滤波电路、本地振荡电路、混频电路、中频放大电路以及一些电源直流偏置等电路。简单系统原理框图，如图1所示。

卫星电视室外单元传统方案极化、本振控制

室外单元中的低噪声放大电路用来实现对卫星小信号的放大。由于卫星信号经天线接收，到达室外单元时已经非常微弱，信号强度在-100dBm左右，必须经过低噪声放大的信号处理。作为目前用于电视直播的卫星信号，其频段应用最多的主要为C波段和Ku波段，相对而言Ku波段因为天线尺寸便于安装的原因应用更加广泛，我国的中星九号就是使用的Ku波段卫星信号。卫星信号按照传输方式可以分为线极化的水平垂直方式和圆极化的左右旋方式，我国的中星九号采用的是圆极化的方式，这种方式有利于开展移动接收业务，同时也便于非专业人员的天线安装操作。

卫星室外单元为了能够实现某一种极化方式两路极化的信号接收，一般都具有两路的低噪声放大器，一路接收水平或左旋极化，一路接收垂直或右旋极化。两路极化的选择通过后端卫星接收机提供给室外单元的供电电压控制来实现。接收机提供的供电电压一般为13/18V可切换的电压，可通过用户手中的遥控器来选择，当提供13V电压时一路低噪声放大器工作，当提供18V电压时另一路低噪声放大器工作，从而实现两路极化卫星信号在室外单元中的接收。

传统的LNB其电源和偏置供电电路一般采用三端稳压块加上一个偏置芯片的方案。通过三端稳压块将接收机提供的13/18V电源电压降至5V～8V的低压，再提供给偏置芯片如UTC公司的L8211等来工作。而卫星信号的极化切换在室外单元的内部就是通过L8211这类的偏置芯片来实现的，这类偏置控制芯片检测输入电压，当13V输入时打开一路偏置电路，当18V输入时打开另一路。除了极化控制外，这类的芯片还能实现另一个功能，就是对卫星信号高低频段的选择。以Ku的卫星信号为例，Ku的卫星电视信号的下行频率在10.7～12.75GHz之间，而接收机的调谐器其能够处理的中频信号频率一般在950～2150MHz之间，中频的带宽只有1.2GHz，为了能够完整的接收10.7～12.75GHz超过2GHz带宽的卫星信号，室外单元产品一般采用高低本振的方式，通过低本振接收卫星信号低频段的信号，通过高本振接收高频段的信号，以保证混频后的信号在接收机的接收范围之内。通用的LNB一般是采用9.75GHz/10.6GHz双本振的方式。而双本振之间的选择也是通过L8211类的控制芯片来实现的，常用的方式是接收机提供的13/18V直流电平中可以通过接收机的控制，调制22KHz的低频信号，而L8211类芯片可以检测22KHz信号的有无，通过判断来选择低本振工作或高本振工作。

卫星室外单元传统方案本地振荡电路和中频放大电路

这里还要再提一下LNB的本地振荡电路与中频放大电路，传统的LNB本地振荡电路都采用介质振荡器DRO方案。DRO方案通过介质作为谐振器件，在金属腔内产生电磁振荡，从而产生LNB所需的本地振荡频率，相对来说DRO方案结构简单，相位噪声低，但是本振金属腔占用空间较大（传统Ku波段本振腔的电路尺寸如图2），且工作频率的温度稳定性受介质材料影响大。传统的LNB，其中频放大器早期采用晶体管放大器，而随着集成电路的发展，开始出现适用于L波段的MMIC宽带放大器，如NXP的BGA2709、BGA2712等，这种MMIC将电路封装在SOT363的封装下，这种电路相比原晶体管放大电路使用方便、匹配简单。

集成降频器的应用

伴随着电路小型化的趋势要求以及半导体行业技术的发展，卫星室外单元的设计也发生了巨大的变化。2011年，恩智浦（NXP）半导体推出了TFF101xHN系列的集成降频转换器，这款芯片将室外单元电路传统的本地振荡、混频、中频放大电路集成在了一个2.5×3.5×0.8mm的16pin无引脚封装下，其功能框图如图3。芯片内置锁相环电路，通过外置晶体作为参考时钟，在芯片内部锁相环电路倍频到所需的本振频率。其内置了两种分频比，通过检测22KHz信号的有无来选择，最终可实现高低本振的选择输出。

以其中的一款TFF1014为例，适用于Ku波段的室外单元产品，其在LNB中的功能框图如图4，整个芯片的混频增益可以达到36dB，在L波段的噪声系数为7dB，完全满足卫星电视室外单元的使用要求，使用这种集成降频转换器，相对传统的电路而言结构更加紧凑，而且其锁相的本振信号不用受介质材料的影响，在保证了频率稳定性的同时也省去了传统使用介质振荡器的室外单元产品在生产过程中人工调节的步骤。采用这种芯片内置锁相环的方案，其相位噪声不能做到传统介质振荡器的水平，但是已经达到低于-80dBc/Hz@10KHz（相位噪声如图5），对于普通的卫星电视直播已能够满足使用的要求。对于卫星电视直播系统的使用者而言，采用这种集成降频转换器在实际使用上与传统的室外单元产品几乎没有区别，而对室外单元的生产厂家而言，这种新的产品方案不仅可以降低产品的成本，同时也一定程度上简化了产品的生产过程，提高了生产的效率，有很大的现实意义。

除了NXP公司外，国内的锐迪科电子也开发了相应的集成锁相降频器，其系列产品356x系列，除了集成本地振荡、混频、中频放大电路之外，还将偏置供电部分也集成在了4×4mm的QFN24封装的芯片当中，最新的芯片其封装已经缩小到了3×3mm的QFN20，这样的芯片只需要外加电源芯片及低噪放电路就能够完整的实现变频放大的功能。通过笔者与芯片的开发者了解，锐迪科不仅在Ku波段，在C波段上也开发了相应的芯片，虽然笔者还没有对实际的样品进行评测，但是相信也一定是功能强大。

除此之外，台湾的笙科电子在2012年也开发出了相应的集成锁相降频器，相比NXP及RDA的芯片，笙科电子的芯片集成度更高，除了射频加偏置以外还将电源部分的DCDC转换器集成在了芯片当中。其封装大小为4×4mm，这种芯片优化了电流的设计，整合了DCDC转换器，可直接由接收机供电，结合前端的低噪声放大器，实现整个LNB的变频放大，功能更加强大，其功能框图如图6，在LNB中的功能框图如图7，测试图片如图8-11。

伴随着国家信息化的发展，卫星作为重要的信息传输方式，其应用领域将会越来越广，而作为最先普及的卫星电视直播在未来的几年发展前景可观。同样，科技创新的能力也越来越受到行业的重视，即使是在并不复杂的室外单元产品中，也能够清楚的看到技术的发展。

如上所述，半导体技术及工艺的发展，对电子行业的发展起到了非常重要的影响，这在我们的卫星电视室外单元中就已经能够明显的反应。据悉，已经有厂家开始进行12GHz的低噪声放大器的芯片集成方案设计，虽然短期内可能并不能实际的出片，但是相信这是一种技术发展的趋势，在今后一定会成为现实。如果技术发展到高频电路的整体集成，对卫星室外单元而言必然又会带来一次大的技术变革，对其他的电子领域也必然带来同样巨大的影响。也希望作为普通的技术人员能够应用新的技术、新的方案，推动行业的发展以及国家信息化的建设。