CN1264517A - 用于直接广播卫星电视的直接变频调谐器集成电路 - Google Patents

用于直接广播卫星电视的直接变频调谐器集成电路 Download PDF

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Abstract

一种用于对直接广播卫星信号(例如数字电视所使用的信号)进行直接下变频的下变频器。从卫星碟形天线接收的直接广播卫星信号被放大,然后在低噪声块(LNB)(即一个与卫星碟形天线组件包含在一起的子系统)内被下变频到预定的频段,典型地是950MHz到2150MHz范围的L波段。该信号然后通过同轴电缆被发送到位于室内的机顶盒单元,在其中,在由单片集成电路实现的优选实施例中,信号从接收频率直接变频到基带,该单片集成电路在芯片上包括进一步集成的有源滤波器,用于对相邻信道的抑制和对模拟－数字变换器的抗混入。宽范围的可变增益放大器的使用、下变频混频器的紧密控制的同相和正交分量的产生、以及偏移补偿,提供了足够的质量的基带同相和正交分量,以供使用传统的技术进行数据恢复。

Description

用于直接广播卫星电视的直接变频调谐器集成电路
                  发明背景
1.发明领域：
本发明涉及卫星接收机领域，更具体地，涉及用于接收数字调制的广播信息的一种卫星到家庭直接广播接收机系统。
2.现有技术：
当在无线系统上通过使用移相键控调制技术来进行广播时，数字电视被数字调制。该信号典型地在Ku-波段或C-波段通过卫星碟形天线被接收。该信号首先被放大，然后被下移到预定的频段，典型地是L-波段，在950MHz到2150MHz的范围内。这个功能在低噪声块(LNB)，即一个与卫星碟形天线组件包含在一起的子系统内完成。信号然后通过同轴电缆被发送到位于室内的机顶盒单元。在现有的技术中，在机顶盒处接收的信号被下移到预定的中频，以用于放大、带通滤波以消除相邻信道以及其它功能，例如，自动增益控制等，随后或第二下变频到基带，并恢复PSK(移相键控)调制数据。
图1上显示了用于接收直接广播卫星(DBS)信号和提取信号中的数字数据的特定的代表性系统。通过电缆20传送到机顶盒的信号典型地在950MHz到2150MHz的频率范围内，通过一个或多个放大器22，24和/或26被放大，并通过镜像滤波器28被传送到L-波段调谐器。典型地，在放大所接收的信号的一个或多个放大器中，可例如借助于可变增益放大器24或工作在可变电阻性放大器30的固定增益放大器26来提供增益控制。
L波段调谐器由外部的压控振荡器(VCO)32控制，该VCO32又以晶体控制锁相环34为基准的，通过混频器36把接收信号下移到中频，然后信号传送通过声表面波(SAW)滤波器38，以便分离出感兴趣的信道。这个滤波器是固定带通滤波器，落在SAW滤波器的通带内的信道被由振荡器34选择的特定频率进行选择，从而来确定下移量，以便把想要的信道放置在SAW滤波器的带通窗内。
SAW滤波器的输出然后被传送到由Maxim Integrated Products，Inc.(Maxim集成电路产品公司)、即本发明的受让人制造的MAX2101集成电路中。MAX2101由锁相环40与振荡槽路42控制，从而来由混频器44与46把SAW滤波器的输出与振荡槽路的输出的同相(I)和正交(Q)分量进行混频，以提供基带信号的同相(I)与正交(Q)分量。I和Q信号被传送通过低通滤波器48，然后由模拟-数字变换器50变换成数字形式，以便由数字信号处理器(DSP)52解调，它也典型地提供自动增益控制(AGC)信号来控制系统中一个或多个放大器的增益，以使得由DSP接收的数字化I和Q信号的幅度是如DSP预期的。
使用中频的另一个例子可以在美国专利No.5,325,401中找到。把接收频段首先移到中频，以用于诸如进一步放大、自动增益控制、台站或信道隔离等，这是可追溯到无线电的早先年代的老的实践。它具有的优点是，需要最小量的可调谐元件和使得每个信道或台站在中频和在基带具有几乎相同的特性。然而，它具有使所需要的元件的数目和特性复杂化的缺点。
                  发明概要
一种用于对直接广播卫星信号(例如数字电视所使用的信号)进行直接下变频的下变频器。从卫星碟形天线接收的直接广播卫星信号被放大，然后在低噪声块(LNB)、即一个与卫星碟形天线组件包含在一起的子系统内被下变频到预定的频段，典型地是950MHz到2150MHz范围的L波段。该信号然后通过同轴电缆被发送到位于室内的机顶盒单元，在其中，在由单片集成电路实现的优选实施例中，信号从接收频率直接变频到基带，该单片集成电路在芯片上包括有源滤波器以便进一步集成和用于相邻信道的抑制和模拟-数字变换器的抗混入。宽范围的可变增益放大器的使用、下变频器的紧密控制的同相和正交分量的产生、以及偏移补偿，提供了足够的质量的基带同相和正交分量，以供使用传统的技术进行数据恢复。
揭示了说明性的实施例。
                  附图简述
图1是用于接收直接广播卫星(DBS)信号和提取数字数据的现有技术的代表性系统的方框图。
图2是本发明的优选实施例的图。
图3是显示作为集成电路的一部分而被引入的有源滤波器的可替换的示例性实施例。
图4是对于可变增益放大器66的示例性电路的电路图。
图5是显示作为集成电路的一部分而被引入的VCO的类似于图3的另一个示例性实施例。
图6是显示作为集成电路的一部分而被引入的滤波后放大的类似于图2的再一个示例性实施例。
                  发明详细描述
按照本发明，将传送到机顶盒的DBS信号在单片集成电路的优选实施例中从接收频段直接变换到基带，以便于去除在现有技术系统中为得到和处理中频形式的信号以及移到基带而所需要的或至少所使用的许多元件。
现在参照图2，可以看到本发明的优选实施例的图。从卫星碟形天线接收到的直接广播卫星信号被放大，然后在低噪声块(LNB)即一个与卫星碟形天线组件包含在一起的子系统内被下变频到预定的频段，典型地是950MHz到2150MHz范围的L波段。该信号然后通过75欧姆同轴电缆54被传送到位于室内的机顶盒单元。典型地，调谐器单元具有用于接收电缆54上的信号的输入接头56，和输出接头58，它可被用来把接收信号耦合到第二机顶盒，如果必要的话。输入接头56典型地通过缓冲器或固定增益放大器60被耦合到输出接头58，或替换地，可被直接连接到其上，如果想要的话。优选地，通过附加放大器62(在图2上显示为固定增益放大器)提供了信号的再一次放大，同样地，通过使用可变增益放大器或耦合到放大器的可变电阻性衰减器，可以提供一定程度的自动增益控制。
来自放大器62的信号被耦合到本发明的集成电路。集成电路包括可变增益放大器66，该放大器将在后面更全面地详细描述，它提供宽范围的自动增益控制和高线性度，以便在其输出中提供信道之间的可接受的低的串扰。放大器66的输出当然是宽带输出，在优选实施例中，它包含在950MHz到2150MHz中DBS信号带宽的所有信道。
放大器66的输出被加到混频器68和70。另一个加到混频器的输入是由参考基于电感的振荡槽路74的外部压控振荡器(VCO)72中得出的。振荡槽路又可由可变晶体控制锁相环(PLL)76控制，或由数字信号处理器78的反馈电压输出CAR控制。在使用晶体控制锁相环(PLL)76(例如，由Philips制造的部件号码TSA5055，或其他代用品)的情况下，VCO的输出被反馈，并按照想要的信道的预期载频对晶体振荡器的频率的比值来进行分频，然后与晶体振荡器频率进行比较。外部压控振荡器频率的偏差被用来控制振荡槽路，以便重新调整压控振荡器的输出频率。
混频器的输出将是接收信号与VCO的输出之间的和频率与差频率。和频率当然很容易被滤除。因为本地的可选择频率的振荡器将具有可选择的频率，它们接近于接收信号的每个信道的载频，但不完全等同于该频率，所选择的信道将产生与该信道的原先信号略微有偏移的差频率。然而，偏移量是相对较低的，信道之间的保护频带允许相邻信道的信号被固定频带的低通滤波器所滤除。另外，当用于解调的参考频率不是很精确地等于调制时的频率时，典型的DSP解调技术允许恢复数据和载波，如果想要的话。
在由数字信号处理器78的标号为CAR的反馈电压输出信号来控制振荡槽路的情况下，外部压控振荡器72可被控制成至少在平均时具有与所选择的信道载波相同的频率，正如前面指出的，合理的频率偏差是DSP解调器所容许的。
在任何情况下，压控振荡器72的输出被耦合到集成电路中的放大器80中，它又被放大器82和84进一步放大。放大器84的输出被分频器86分频，以及被放大器88缓冲，并作为预定标器输出PSOUT被提供，其分频比被来自数字信号处理器78的模式控制信号MODCTL所控制。另一方面，放大器82的输出被加到正交发生器90，它产生压控振荡器输出的0°和90°(正交)分量，如将在以后更详细地描述的。虽然正交发生器(例如正交发生器90)的设计在现有技术上是熟知的，但在很宽的频带上正交发生器的精密的控制的性能对于本发明的成功的性能是很重要的。在优选实施例中，正交发生器(和以下的放大器)被设计成在950MHz到2150MHz的整个范围上对于理想的正交信号提供小于0.5dB的增益失配和小于3°的相位误差。
混频器68和70的输出分别被加到放大器92和94以及96和98，以提供电路的基带输出。这些放大器提供附加的增益，以及在优选实施例中，可具有幅度为1.5V的峰-峰值，并可驱动具有100欧姆特性阻抗的分立的全极点LC滤波器。作为一个替换例，这些滤波器可以在集成在IC中，不作为LC滤波器，而作为有源滤波器。除了取消LC滤波器以外，有源滤波器可被控制成具有例如在1MHz到45MHz的范围的截止频率，它是可由外部装置调谐的，以便允许可变数据速率运行。图3显示了这样的实施例，其中有源滤波器102作为集成电路64的一部分被引入，以及具有用于外部控制滤波器的通带控制FILCTL。
在本发明遇到的频率上的直接变频到基带时，由于本地振荡器自变频，通过下变频将产生某些DC偏差。这是由于本地振荡频率泄漏到混频器的RF信号输入端，因而本地振荡频率将与其本身混频，产生接近直流的不同的频率。在混频器的RF信号输入端处的本地振荡信号电平大约为-50dBm。所呈现的信号可以低到-70dBm，所以如果不相关，DC偏移可以高到比感兴趣的信号大20dBm.为了避免在混频器的输出端处放大器饱和，从放大器链提供DC偏移反馈到混频器输出端，如图2和3所示。DC偏移校正电路通常是已知的，因此在这里不需要详细描述。由于自变频可能随频率(信道选择)而变化，但在其它方面将几乎是恒定不变的，至多是慢漂移，DC漂移校正电路的响应与具体所遇到的典型的数据速率相比，可能是很慢的。
无论使用分立滤波器还是有源滤波器，滤波器的输出将由模拟-数字变换器100数字化，然后被DSP解调，以便恢复数字数据。模拟-数字变换器100例如可以是由Maxim Integrated Products，Inc.(Maxim集成电路产品公司)、即本发明的受让人制造的MAX1003/1004模拟-数字变换器。关于DSP和它们用于数据恢复的编程，各种不同的DSP可被使用，以及用于其解调和数据恢复的编程在数据通信技术上是熟知的，因此，在这里不需要详细描述。在这方面，在优选实施例的说明中，数字信号处理器是特定目的的处理器，然而也可以使用专门编程但用于通用目的的数字处理器。因之，在广义上，词组“数字信号处理器”或DSP被用来指任何适当的以需要的速率处理数字信号的处理器。在某些情况下，双模拟-数字变换器100可以被包括在DSP集成电路中。
与现有技术相比较，本发明允许消除前端镜像滤波器、第二变频器或混频器、SAW滤波器、VCO和相关的部件现有技术典型的设计，节省成本和空间，以及简化射频设计。本发明允许如上述的在基带进行滤除不想要的相邻信道，而不是借助于工作在中频的现有的典型结构的SAW滤波器。这使得可变带宽的有源低通滤波器的使用能适应可变数据速率，然而，如上所述，当然希望可以使用固定带宽低成本的LC分立滤波器。
明显地，本发明重要的实用性在于，接收信号的I和Q分量被转换成数字形式并且被提供给DSP，以便适当的幅度来进行解调，而不管信号强度的正常变化，在幅度上很好地匹配，并且互相之间的相位差尽可能接近90°，并且其I和Q分量以及放大器66的输出将在其输出中具有最小的交调分量，这样，可以以最小误差进行解调，与卫星碟形天线接收的信号的质量一致。在I和Q分量之间的幅度平衡与90°相移当然主要由正交发生器90和随后的放大来确定，对于优选实施例，它的特性已经被描述。信号免受交调分量的影响和能控制到想要的幅度的程度主要由放大器66来确定。在优选实施例中，这个放大器是低噪声可变增益放大器，具有50dB的增益范围，可通过1到4V范围的自动增益控制信号AGC(见图2和3)的反馈作用而进行调整的。这个高的可变增益范围比现有技术方案大得多，但是由于转发器功率、碟形天线的对准、和75欧姆电缆长度等的变化，因而这是必要的。在优选实施例中，放大器66在最小增益设定值具有+5dBm的输入IP3。优越的线性度消除了对于分立的变容管调谐预选择滤波器的需要，而这是现有技术设计中为限制多个载波功率在线性度较差的低噪声放大器/混频器中产生不想要的交调和三阶寄生信号所必须的。在优选实施例中的放大器66在最大增益设定时具有12dB的噪声系数。
为了在优选实施例中达到对放大器66希望的高的线性度(低的交调)和宽的自动增益范围，使用了专用的AGC放大器。图4显示了用于可变增益放大器66的基本电路。放大器包括一个Gm(跨导)级，它由晶体管Q1和Q2、发射极电阻RE和第一电流源IEE组成；一个电流操纵级，它由晶体管Q3到Q6、共基极连接的晶体管对Q7和Q8、包含晶体管Q9、Q10和Q11的可控制的并联电流源以及另一个用以把附加的发射极电流加到共基极连接的晶体管Q7和Q8与电阻RL上的电流源IEE组成。晶体管Q7和Q8的基极由固定的偏置电压VB加偏压。
图4的电路的运行当然取决于相关的晶体管尺寸。然而，考虑一个例子，其中晶体管Q3，Q4，Q5，Q6，Q10和Q11是相同的晶体管，而晶体管Q9是以上相同的晶体管的尺寸的两倍。开始时还认为，具有零值的输入电压Vin和零值的增益控制电压Vg。因为是零值的差分输入电压Vin，第一电流源Iee的电流将在晶体管Q1和Q2的集电极之间相等地分流。这些分量又分别在晶体管Q3和Q4，以及晶体管Q5和Q6之间相等地分流，这样，在晶体管Q3和Q6中的集电极电流每个是Iee/4。关于晶体管Q9，Q10，和Q11，电流源Iee将这样被分流：在晶体管Q10和Q11中电流为Iee/4，因为晶体管Q9是晶体管Q10和Q11每个的尺寸的两倍，所以晶体管Q9将具有电流为Iee/2。
作为例子，现在如果增益控制电压Vg从零改变到某个值，其中晶体管Q3和Q6的基极上的电压小于晶体管Q4和Q5的基极上的电压，则放大器增益将减小，以及晶体管Q3和Q6中1的某些基极电流将转移到晶体管Q4和Q5。然而，同时，晶体管Q3和Q6的基极电压的变化也降低了晶体管Q9的基极电压，从而减小了通过它的基极电流和增加了晶体管Q10和Q11的基极电流。在晶体管Q10和Q11中的1基极电流的增加将等于晶体管Q3和Q6中基极电流的减小，这样，晶体管Q7和Q8中的基极电流将几乎保持为Iee/2，与电路设定的增益无关。因此，晶体管Q7和Q8几乎不受增益变化的影响，更重要地，不会受到在非常低增益值下运行造成电路性能劣化的有害影响。这大大地改进了电路的线性度和增益控制范围，提供了本发明想要的低的交调和宽的控制范围。在优选实施例中，这样的VGA提供大部分的可调整增益范围，后随的放大级补充这种可调增益范围，从而得到了大约50dB的全部范围。当然，专用放大器电路只是作为例子被显示，因为其它方案的放大器可被使用，只要增益控制范围是与所需要的性能相兼容以及线性度足够、从而能保证以对于应用来说足够的精度进行数据恢复的话。
在再一个替换实施例中，其它功能性元件可被包括成为如想要的集成电路的一部分。例如，在图5的实施例中，VCO已被结合到集成电路中。在图6的实施例中，滤波是在芯片外进行，然而滤波后放大被结合到集成电路中。这个实施例更好地方便于使用传统的模拟-数字变换器，而且更好的易于把模拟-数字变换器结合到包含DSP的集成电路中。
因此，虽然已就本发明的某些优选实施例方面揭示和描述了本发明，但本领域技术人员将会看到，本发明可作出改变，而不背离本明的精神和范围。

Claims (19)

1.用于直接广播卫星应用的调谐器，包括：
集成电路，具有：
可变增益放大器(VGA)，具有放大器输入端，用于耦合到直接广播卫星信号接收装置，还具有VGA输出端以及VGA增益控制端，放大器具有在直接广播卫星信号频率范围内用于在其输入端接收输入信号的带宽，以及以由在增益控制端上的增益控制信号控制的增益来对输入信号进行放大并将其提供作为VGA输出；
正交发生器，用于接收其频率为接近于直接广播卫星信号频率范围中的载波频率的振荡器信号和产生同相与正交分量；以及
第一和第二混频器，用于把VGA输出与来自相位发生器的同相与正交分量进行混频，以提供VGA输出的的同相与正交分量。
2.权利要求1的调谐器，其特征在于，其中集成电路具有被耦合到增益控制输入端的端口，用于接收来自集成电路以外的源的增益控制信号。
3.权利要求1的调谐器，其特征在于，其中集成电路还包括被耦合到混频器的放大器，用于放大来自混频器的VGA输出的同相与正交分量。
4.权利要求1的调谐器，其特征在于，其中集成电路还包括被耦合到来自混频器的输出的同相与正交分量的低通有源滤波器。
5.权利要求4的调谐器，其特征在于，其中低通滤波范围是可调整的。
6.权利要求1的调谐器，其特征在于，其中集成电路还包括被耦合到正交发生器的输入端的分频器，并具有耦合到集成电路端口的输出端，用于把分频器输出端耦合到集成电路以外的电路。
7.权利要求1的调谐器，其特征在于，其中集成电路还包括被耦合到相位发生器的输入端的分频器，并具有耦合到集成电路端口的输出端，用于把分频器输出端耦合到集成电路以外的电路。
8.权利要求7的调谐器，其特征在于，其中分频器是可变分频器，具有模式控制输入端，模式控制输入端被耦合到集成电路上的一个端口，用于接收来自集成电路以外的模式控制信号。
9.用于直接广播卫星应用的调谐器和数据恢复系统，包括：
振荡器，提供多个可选择的频率的任何频率，每个可选择的频率接近于在直接广播卫星信号频率范围内的载波的频率；
集成电路，具有：
可变增益放大器(VGA)，具有放大器输入端，用于耦合到直接广播卫星信号接收装置，还具有VGA输出端以及VGA增益控制端，放大器具有在直接广播卫星信号频率范围内用于在其输入端接收输入信号的带宽，以及以由在增益控制端上的增益控制信号控制的增益来对输入信号进行放大并将其作为VGA输出进行提供；
相位发生器，用于接收振荡器信号和产生该信号的同相与正交分量；以及
第一和第二混频器，用于把VGA输出与来自相位发生器的同相与正交分量进行混频，以提供VGA输出的的同相与正交分量；
低通滤波器，被耦合到每个混频器输出端，以便滤除除了与具有近似等于振荡器频率的频率的载波有关的那些信号以外的信号；
模拟-数字变换器，被耦合到各个低通滤波器，以便数字化滤波器的输出；以及
数字信号处理器，被耦合到模拟-数字变换器，以便恢复传送通过低通滤波器的被调制在载波上的数字数据。
10.权利要求9的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中数字信号处理器提供增益控制输入到集成电路。
11.权利要求9的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中集成电路还包括被耦合到混频器的放大器，用于放大来自混频器的VGA输出的同相与正交分量，滤波器被耦合到放大器的输出端。
12.权利要求9的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中低通滤波器是也在集成电路上的低通有源滤波器。
13.权利要求12的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中有源滤波器的通带范围是可调整的。
14.权利要求9的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中集成电路还包括被耦合到相位发生器的输入端的分频器，并具有耦合到一个集成电路端口的输出端，用于把分频器输出端耦合到集成电路以外的电路。
15.权利要求14的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中分频器是具有模式控制输入端的可变分频器，模式控制输入端被耦合到集成电路上的一个端口，用于接收来自集成电路以外的模式控制信号。
16.权利要求9的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中振荡器包括具有多个可选择的频率的振荡器。
17.权利要求9的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，其中数字信号处理器被编程来恢复选择的载频，振荡器由数字信号处理器控制，以便根据所恢复的频率来提供可选择的频率。
18.权利要求9的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，还包括从950MHz到2150MHz的可调谐的宽带压控振荡器。
19.权利要求18的调谐器和数据恢复系统，其特征在于，还包括基于一个外部变容管和电感的振荡槽路。
CN98802951A 1997-02-28 1998-02-24 用于直接广播卫星电视的直接变频调谐器集成电路 Pending CN1264517A (zh)

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