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第五讲 一体化调谐解调器
□刘修文(攸县广播电视局，湖南攸县412300)
中图分类号:TN919.82 文献标识码:E 文章编号:1007-7022(2004)14-0078-07
(上接第12期)
数字机顶盒接收卫星、有线、地面无线传输的数字电视信号和各种数据信息，通过解调、解复用、信源解码，将传送的数字码流转换到压缩前的形式，再经D/A 和视频编码后送到普通模拟电视接收机。一台数字机顶盒的硬件主要包括一体化调谐解调器、单片式解复用与解码器芯片以及电源部分。从本讲开始分别介绍数字机顶盒的上述3个主要硬件。 1 调谐器
调谐器(Tuner)由前置放大器、变频器、锁相环(PLL)、带通滤波器、中频放大器、A GC电路和移相器等组成，前置放大器用来接收来自卫星、有线、地面无线传输的数字电视信号，即卫星天线高频头输出的950～2150MHz第一中频信号、有线电视或地面无线传输的48～860MHz数字电视信号，进行低噪声前 置放大和滤波，然后送往变频器。由于前置放大器要接收射频信号，又要与下变频器相接，因此既要求低噪声，又要求高增益。一般输入端按低噪声要求设计，输
用帧内压缩，不使用运动补偿，由于I帧不依赖其他帧，所以是随机存取的入点，同时是解码的基准帧。I 帧主要用于接收机的初始化和信道的获取，以及节目的切换和插入,I帧图像的压缩率相对较低。
P帧和B帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量。B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩率，也就是说，在保证图像质量的前提下，数据量大大降低。值得注意的是,B帧图像采用未来帧作为参考，因此MPEG-2编码码流中图像帧的传输顺序与显示顺序是不同的。
SON Y公司的Betacam SX是基于MPEG-2格式的数字录像设备，侧重于高效传输和存储，从表1中可以看到，其压缩比达到10∶
热压设备1，数据码率降到18Mb/s，比数据码率为25Mb/s的DV,DVCAM,DVCPRO的压缩比高，但因采取帧间编码，编辑点附近的图像质量受到一定影响。
(10)DV与DVCAM,DVCPRO
DVCAM和DVCPRO是在民用DV格式的基础上分别由SON Y公司和Panasonic开发出来的专业设备。
DVCAM,DVCPRO与DV的主要区别是为保证图像质量增加磁迹宽度,DV的磁迹宽度为10μm,DV2 CAM的磁迹宽度为15μm,DVCPRO的磁迹宽度为18μm,DVCAM兼容DV，甚至可用DV带录制DVCAM格式，只是在此情况下，因DV格式的磁迹宽度为DVCAM 的磁迹宽度的2/3，故记录时间为DV带标称长度的2/ 3，同样DVCPRO也兼容DV甚至DVCAM格式。
(11)DVCPRO25与DVCPRO50
DVCPRO50是在DVCPRO基础上研究开发出来的广播级数字摄录设备，提高了取样频率，用4∶ 2∶
2取代4∶
1∶
1，克服了由于取样频率降低一半导致度信号在水平方向的清晰度比标准降低一半的缺陷。压缩率由5∶
1降到3.3∶1，更低的压缩率使图像质量有了很大提高，达到广播级技术标准，同时兼容DVCPRO25，是DVCPRO25的升级换代产品。
[收稿日期:2004204220]
《中国有线电视》2004(14)
CHINA CABL E TEL EV ISION・实用连载・
出端按高增益要求设计。为了得到最佳噪声匹配，放大器的输入端通常采用微带结构，即用微带线组成的匹配网络。放大器的输出端则采用共轭匹配设计，以获得最大输出功率和最高的功率增益。
调谐器中的本振频率通常由CPU控制的PLL电路产生。典型的PLL电路由相位比较器、环路滤波器、压控振荡器(VCO)和分频器组成环路。相位比较器将输入的基准时钟信号与VCO输出信号进行比较，产生的误差信号经环路滤波器滤波后再去控制VCO，使VCO准确地振荡在输入频率的整数倍上，该整数倍即是分频器的分频比。VCO的基准频率由晶体振荡器产生，经PLL电路进行频率变换后作为变频器的本振频率。由前置放大器输出的RF信号在变频器中与本振频率混合，产生解调器后需要的中频信号。PLL电路由CPU通过I2C总线控制，调谐时,CPU读出预置在存储器中的频道参数，通过I2C总线送到PLL VCO，作为PLL电路的分频比，使VCO产生与输入频率成整数倍的信号，该信号随频道参数的改变而改变，从而控制变频器将输入的射频数字信号转换成中频数字信号。
中频放大器采用宽带放大形式，用于放大中频数字信号的幅度，使之达到D/A转换所需的信号电平。
由于中频放大器的频带很宽，中频放大器除了放大有用信号外，其他频率成分也会被放大，为了取出有用信号，去掉邻近频道和其他形式的干扰信号，因此在中频放大电路中加入了带通滤波器。带通滤波器用于消除邻频干扰，抑制镜像噪声，提高载噪比。中频带通滤波器采用机械波传播信号的声表面波滤波器，具有很强的抗干扰性。由于D/A转换器要求输入信号的幅度基本保持稳定，在中频放大器中加入了自动增益控制(A GC)电路。
调谐器的输出端有一个90°移相器，用来将中频放大器输出的中频数字信号产生90°相移，并与未移相的信号同时输出，从而将中频放大器输出的信号分成了两个相位相差90°的中频数字信号，即表示同相位的I信号和表示正交相位的Q信号。
这两个数字信号同时送到双D/A转换器，两个D/A转换器分别采样I信号和Q信号，并重组信息，将I信号和Q信号转换成两组字长6位的数字信号，送到QPSK解调器或QAM解调器进行解调，还原成调制前的数据信号。
2 QPSK解调器
QPSK解调器主要包括时钟产生电路、QPSK(四相相移键控)解调器、前向纠错(FEC)单元和输出控制电路等部分。时钟产生电路为PLL频率合成器，首先由外部晶体振荡产生基准时钟，再由集成在芯片内的VCO分频产生解调和FEC所需的各种时钟。QPSK 解调器由匹配滤波器、数字振荡器、定时时钟
恢复环路、载波恢复环路、自动增益控制(A GC)电路等组成，如图1所示 。
图1 QPSK解调器方框图
匹配滤波器为平方根升余弦滤波器，该滤波器工作在2/T的恒定输入速率上。时钟恢复环路包括I、Q 分量内插滤波器和定时误差检测器，定时误差检测器用来捕获时钟信号，内插滤波器确定环路特性和
数字振荡器(NCO)的增益。载波恢复环路由相位误差检测器、数字环路滤波器、相位环路检测器、频率扫描发生器和频率锁定指示器组成。QPSK解调芯片内有两个嵌入的数字自动增益控制(A GC)电路，第一个A GC 与片外的RC滤波电路组成宽带A GC电路，产生脉宽调制信号输出到调谐器，使调谐器的增益受此信号控制，第二个A GC为数字窄带A GC，主要完成数字信号带宽的功率最优化。
QPSK解调时,D/A转换器输出的I、Q信号中的基带信号以固定采样速率输入到QPSK解调器中的载波恢复环路。相位误差检测器使用由信噪比决定的两种增益完成误差检测，进行载波相位跟踪。此时频率扫描发生器搜索正确的载波频率，当载波频率接近输入信号频率时，载波信号进入相位锁定范围，环路达到锁定状态，实现载波捕获。载波恢复环路通过捕获载波和跟踪载波相位完成载波恢复，解出基带信号。该信号送到匹配滤波器，由匹配滤波器在I、Q分支上选择滚降因子(0.35)来完成匹配滤波，匹配滤波器始终保持每4个符号采样1次。当符号速率较低时，采用较多的采样次数；当符号速率较高时，采用较少的采样次数。匹配滤波器的输出端接有一个精度达0.5 dB的数字窄带A GC电路，使QPSK解调器输出的信号以最优的均分送到FEC单元。
FEC单元包括Viterbi解码器、去交织器和里德2
《中国有线电视》2004年第14期 刘修文：第五讲 一体化调谐解调器
索罗门解码器，如图2所示。Viterbi 解码器用于内码解码，支持1/2、2/3、3/4、5/6、6/7、7/8的收缩
码率。去交织器完成卷积去交织处理，处理的最大块长度为204字节，交织深度为12。里德2索罗门(RS )解码器用于外码解码,RS 码的纠错能力与码字中的检验符号的个数有关，通常每个码字中有两个T 检验符号的RS 码可校正每个码字中的T 字节错误。检验符号越多，纠错能力就越强
。
图2 FEC 单元方框图
图4 TDQB -S001F 一体化调谐器组成方框图
QPSK 解调器输出的数据信号经匹配滤波器滤波后，在Viterbi 解码器中按内码的卷积编码格式解出不同比率的卷积收缩码，再由去交织器用去交织算法进行去交织处理恢复卷积交织前的数据顺序。Viter
bi 解码器输出的数据经过里德2索罗门解码，产生以188个字节为一块的数据码流，从而得到最佳的前向误码校正(FEC )。从FEC 单元输出的数据流送到解扰器，解扰器主要完成两个功能：产生修改输入数据流的伪随机二进制序列(PRBS )，并用此序列对数据进行重新排列。数据码流在解扰器中经过伪随机序列进行解扰处理后，输出符合MPEG-2标准的传输码流，送到解复用器和解码器作进一步处理。
在一体化调谐解调器中QPSK 解调主要采用ST 公司生产的STV0299解调芯片或L SI 公司的L6724解调芯片。3 QAM 解调器
有线电视系统信道编码采用RS (里德2索罗门)+交织方式，调制方式采用QAM 调制，因此数字机顶盒必须完成QAM 解调制、解交织和RS 解码，其中解交织和RS 解码部分与卫星数字机顶盒相同。
QAM 解调器是QAM 调制器的逆处理过程,64QAM 解调器电路方框图如图3所示。
在一体化调谐解调器中,QAM 解调主要采用ST 公司生产的STV0297解调芯片或L SI 公司的L64768解调芯片。L64768主要包括4个模块,ADC 模块(模数变换)、QAM 核心模块、FEC 核心模
块和微处理器及主机接口模块,
它主要完
图3 64QAM 解调器电路方框图
成QAM 解调、解交织和RS 解码功能。来自调谐器的第二中频信号经外部或内部模数变换，变换为每个样点8比特的数字信号，随后信号被分为同步和正交信号(I 、Q 信号)。L64768具有自动获得波特率的特性，它通过测量到达实际的波特率样点的平均功率实观环路锁定。L64768通过一外部被动低通滤波器控制高频调谐器的A GC ，以实现高频调谐器输出信号功率的稳定性。解交织器以确定的方式重
排信号次序，解交织块大小为204字节。L64768中的RS 解码器完全符合CCITT 推荐的CCITT723标准，它可实现(204.188)的RS 解码，从而完成前向纠错的功能。4 卫星数字机顶盒中的一体化调谐解调器
目前大多数卫星数字电视接收机都采用将调谐器和解调器封装在一起的一体化调谐解调器，如日本夏普公司生产的BS2F7HZ 1175、BS2F7HZ 1170、BS2F7HZ 0184、F7VG 0186，韩国三星公司生产的T BMU3031IML 及韩国L G 公司生产的TDQB -S001F 等。
国内成都旭光科技有限公司生产的一体化调谐解调器DSQ -3W2001型是仿制L G 公司的TDQB -S001F 型。下面以TDQB -S001F 、BS2F7HZ0184为例，介绍卫星数字机顶盒中的一体化调谐解调器。
瓜绢野螟(1)TDQB -S001F 一体化调谐器
TDQB -S001F 一体化调谐器以零中频调谐集成电
路SL1925和STV0299QPSK 解调芯片组成，其内部
刘修文：第五讲 一体化调谐解调器 《中国有线电视》2004年第14期
图6 STV0299内部结构方框图组成方框图如图4所示
。
图5 SL1925内部方框图
调谐器第二本振的可变频率范围在1429.5～2629.5MHz ，它与输入的第一中频(950～2150MHz )的RF 信号差频后，形成第二中频(479.5MHz )，其带宽一般设定为36MHz ，然后再进行零中频变换，即第三本振频率也为479.5MHz 。经90°相移器正交相干解调，分离出I 与Q 基带模拟信号。Q 信号超前I 信号90°，且当第一中频输入为951MHz 时,I/Q 输出频率为1MHz 。调谐器—般采用载波跟踪锁相环技术，以确保479.5MHz 载波频率的精确性。零中频正交解调由集成电路SL1925完成，其内部结构方框图如图5所示。解调出来的模拟基带I/Q 信号送至QPSK 解调芯片(STV0299)，经由A/D 转换、QPSK 解调、Viterbi 解码、解交织、RS 解码、能量解扰，最后生成8位TS 流，其取样频率一般为54MHz ，即主频27MHz 的2倍。一体化高频调谐器一般采用2级自动增益控制，以使其控制范围达到50～70dB
之间。它将I/Q 基带信号模
量与一个可编阈值进行比对，其差值经积分后变换成脉冲信号，以调制信号驱动A GC 输出。经简单模拟滤波器滤波后控制ADC 变换前的放大器增益，其数字奈奎斯特滤波器所采用的滚降值为0.35，用以抑制I 信号和Q 信号的残留直流分量。
STV0299是一块适用于DVB -S 信道的单片微处理器，适合在宽频率范围工作，用于对各种标准信道解调。它功耗低、尺寸小，可直接装于高频调谐器内。
该芯片具有以下特点：宽域连续可变符号率为1～45
Mb/s ；内设数字奈奎斯特滤波器(滚降值为0.35或0.2)，数字载波环包含解旋转器(复数乘法器)，跟踪锁相检测，双路数字A GC ，脉冲密度调制调谐器增益控制，卷积编码比率为1/2,2/3,3/4,5/6；在A 模中7/8的卷积码解码，在A 模对16对奇偶字节里德2索罗门解码，并能纠正达8个字节的错误，利用其内置的10位计数器可精确指示出RF 信号的强度。图6是STV0299内部结构方框图。
TDQB -S001F 一体化调谐器采用33脚封装结构，各引脚的功能见表1。
表1 TDQB -S001F 一体化调谐器引脚的功能
引脚序号
引脚名称
功能描述
1LNB B 高频头(LNB )供电端，接1000p F 陶瓷电容器到地
自动弹簧机
2
LNB A
高频头(LNB )供电端，接1000p F 陶瓷电容器到地
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续表1
3NC 不用4,7A GND 模拟地
5R5向RF 放大器TR 供电的5V 电源6Z5向零中频IC 供电的5V 电源8P5向PLL 芯片供电的5V 电源
9A GC A GC 监示器
10T/M 调谐电压监示器
11TUN IN G PLL 信道选择电源电压(+30V )12B5(A GC )A GC 上拉的5V 电源
13NRES
复位(低电平有效)跆拳道护具
14AUX -CL K 可编程输出口/可编程输出时钟15F22/DiSEqC
DiSEqC 调制(22kHz 音调)，可编
程输出口
16SCL I 2
C 总线时钟信号18SDA I 2C 总线数据信号
19BCL K OU T
间戊二烯输出字节时钟，或串行方式的位时钟
17OP0可编程输出口
20
OP2/LOCK
载波建立/数据建立/可编程输出口
21～28D0～D7传输码流数据输出;D7为串行方式的DA TA -OU T 29IP0输入口30D/P 数据/极性信号31ERROR 输出出错信号
32STR OU T 输出的第一个字节(同步信号)
33
VDD
L IN K IC 的3.3V 电源
图7 BS2F7HZ0184一体化调谐解调器组成方框图 (2)BS2F7HZ0184一体化调谐解调器
BS2F7HZ0184一体化调谐解调器将调谐器和解
调器封装在一起，其内部组成方框图如图7所示，各引脚功能见表2。表2 BS2F7HZ0184一体化调谐解调器引脚功能
引脚序号引脚名称
功能描述
1NC 不用2NC 不用
3BIB LNB B 电源，应接100p F 电容器到地4BIA LNB A 电源，应接100p F 电容器到地5B4
RF 放大器的5V 电源
6A GC OU T ACC 电压监视器，不接7I OU T 基带输出监视器，不接8Q OU T 基带输出监视器，不接9B3前端部分的3.3V 电源
10TUN PLL 频道选择电源
11B2前端部分的5V 电源
12F22LNB 脉冲输出13SCL I 2C 总线，移位时钟14SDA I 2C 总线，串行数据
15VDD 前端部分的5V 电源16～23D0～D7传输码流输出数据24BCL K 传输码流移位时钟25D/P
数据输出(1)；奇偶输出(0)
26STR OU T 同步字节信号输出时置“1”27ERROR 发生错误时置“1”28
RES
复位
BS2F7HZ0184一体化调谐解调器中的调谐器是以夏普公司自行开发的专用集成电路IX2360为核心组成，该芯片包括低噪声RF 放大器、混频器、PLL 电路、可调谐本机振荡器和A GC IF 输出缓冲放大器等电路。RF 放大器通过适当的阻抗匹配接口接收来自室外高频头的RF 信号，进行低噪声前置放大和滤波，然后在混频器中与本机振荡器产生的本振信号混合，产生第二中频信号。本机振荡器使用外部
可调谐的支持网络，并优化为低相位噪声。本机振荡器产生基准频率时钟，由PLL 电路根据频道参数分频。主CPU 通过I 2C 总线控制PLL 电路。调谐时，主CPU 读出预置在存储器中的频道参数，通过I 2C 总线
送到PLL 电路，使PLL 输出随频道参数改
刘修文：第五讲 一体化调谐解调器 《中国有线电视》2004年第14期
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