運用新一代矽晶電視調諧器ic進行最具成本效益的主流電視設計

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運用新一代矽晶電視調諧器 IC 進行最具成本效益的主流電視設計 前言 矽晶電視調諧器 IC 正在迅速取代傳統的 MOPLL CAN 調諧器技術，以降低成本縮小尺寸 並提高效能。矽晶調諧器 IC 於 2007 年以前就已開始受到採用，並隨著 2010 年平板電視 和機上盒銷售量大增而大量應用。矽晶電視調諧器能否被廣泛採用，關鍵在於設計的效能 水準能否媲美 MOPLL，而一旦半導體供應商達到了這個效能標準要求，矽晶電視調諧器 IC 加速出貨的障礙就徹底消失了。目前一些供應商可提供全面的矽晶電視調諧器 IC 產 品。如何對電視調諧器 IC 進行選擇將是一個複雜的過程，因為圍繞他的問題很多，若把 這些技術問題歸類總結，將有效簡化電視調諧器選擇過程。 市場狀態 電視市場的需求量已經發展到驚人的 2.3 億台/年，並且遍及廣大地區。龐大的電視市場可 將電視調諧器 IC 相關部份區分為：整合式數位電視（iDTV）平台（約 1.6 億台）和類比 電視（大約 0.7 億台），他們由平板電視和基於類比處理的 CRT 電視組成。 基 於 類 比 處 理 的 CRT 電 視 採 用 老 式 影 像 處 理 技 術 。 與 之 相 反 ， 平 板 電 視 採 用 由 Broadcom、MediaTek、MStar、Novatech 和 Sunplus Technology 等公司提供的基於先進 DSP 影像處理器系統單晶片（SoC），一些主流電視品牌廠商也有其半導體團隊來建構私 有 SoC。基於類比處理的 CRT 電視使用處理能力較低的微控制器，不易實現矽晶調諧器 IC 的編程和配置，而且通常採用老式的 MOPLL CAN 調諧器實現，需要 150 多個元件 （見圖 1）。平板平台採用先進的高效能處理器，能夠運行大量韌體，因此更適合配置先 進的數位元件，如矽晶電視調諧器 IC。 PCB 頂層 PCB 底層 圖 1：需要 150 多個元件的 MOPLL CAN 調諧器 為滿足消費者的需求，許多電視支援類比和數位兩種傳輸標準。類比傳輸標準如 NTSC 和 PAL/SECAM，在這裡，「類比」一詞是指傳輸調變格式，而不是具體的用於解碼的處 理技術。許多國家正分段進行類比轉換計畫，更高品質的數位廣播將取代地面類比廣播。 然而，即使理論上已全面轉向數位的國家，類比傳輸依舊活躍，而消費者仍然有採用類比 傳輸的需求。日本也許是一個例外，其實現了真正的全數位化轉換，但在其他地區幾乎每 台出售的電視都被迫保留類比接收能力以處理低功耗的類比廣播、漸進式升級有線網路和 傳統消費性電子產品。除了日本，主流電視品牌廠商對於類比傳輸調諧器的需求將至少保 持 5 年甚至 10 年以上。 大多數電視平台接收來自地面和有線廣播的內容。實際上，只要系統業者（MSO）繼續 在有線網路上傳輸類比內容，這些平台都必須支援類比傳輸。有線和地面機上盒市場每年 新增 1.75 億套系統需求。 IMS 近期關於矽晶調諧器 IC 的預測研究（圖 2）顯示了電視調諧器在電視、機上盒、纜 線數據機、衛星電視接收機及其他區分市場的需求成長。這些圖表說明了各種應用可望產 生大約 7 億顆調諧器 IC 的市場機會。從資料中我們也可以看出矽晶調諧器 IC 迅速普及， 當聚焦電視和有線機上盒市場時矽晶調諧器 IC 的成長速度更為明顯。 圖 2：IMS 調查顯示矽晶調諧器市場需求成長 2 未來機會及展望 快速成長的台灣等大中華區市場正在引領率先採用新型矽晶電視調諧器 IC 的機會。過去 三年中，大中華區電視製造商的電視生產量成長迅速，並且採用具有成本效益的矽晶電視 調諧器 IC 生產出具備價格競爭力的高畫質電視產品。據 DisplaySearch 公司分析，2011 年 中國已成為世界上最大的液晶電視市場。DisplaySearch 公司還預測，中國平板電視（包 括液晶和電漿電視）的出貨量將從 2009 年的 3,100 萬台，成長到 2014 年的 5,900 萬台， 成長近一倍，複合年成長率高達 14%。 一線電視品牌廠商正在加速採用矽晶調諧器，以節省成本提高可靠性，減少元件庫存並支 援更薄的電視外形。這些優勢同樣也為剛開始採用矽晶電視調諧器的二、三線電視品牌廠 商帶來重要機會，因為目前的矽晶調諧器 IC 必須支援全球地面和有線廣播標準，規模較 小的電視品牌廠商可從一線品牌廠商已完成的成果中受益。 擴展與電視有關的節目源已不再僅僅局限於天線和有線電纜，同時以「應用（apps）」的 重要形式擴展到大螢幕的電視。電視的新型通訊介面，例如：Wi-Fi、乙太網路和 LTE （蜂窩）提供了比傳統廣播源更豐富多樣的內容。這些介面對空中廣播（OTA）調諧器 來說是一種特別的技術挑戰。例如：需要提供干擾保護的特殊 Wi-Fi 抑制電路。 矽晶電視調諧器所面臨的選擇挑戰 調諧器需要處理複雜的任務 - 在一個充滿各種內容的範圍裡完整的接收低功耗傳輸，所以 矽晶電視調諧器 IC 射頻前端的設計面臨極大壓力，而兩種不同地域的不同傳輸標準又增 加了額外的挑戰。主流數位電視和機上盒 SoC 架構複雜性的增加更清楚的說明單一矽晶 電視調諧器 IC 不能滿足整個市場需要。幸運的是當前有大量可用的調諧器 IC 架構，滿足 了這些多變的平台需要。現在的挑戰是如何為你的應用選擇合適的元件。 頻道接收：獲得清晰電視廣播接收的關鍵是靈敏度和選擇性，而這些特性又基於低雜訊指 數（NF）、高射頻前端線性度和高品質 RF 前端濾波器。低雜訊指數意味著 RF 前端僅允 許輸入訊號中增加極微小噪音，而高靈敏度意味著有足夠大的視訊訊號與雜訊比 （VSNR），甚至是微弱的輸入訊號也能正確的接收廣播。而電視調諧器總是需要接收到 一個混有其他訊號的廣播，這就是為什麼矽晶調諧器 IC 的選擇性對於清晰接收是必不可 少的，亦即阻塞或排除臨近干擾通道內容的能力。為了實現具有成本效益解決方案的高選 擇性，矽晶調諧器 IC 在 RF 前端需要高線性度和高品質濾波器。如圖 3 所示，矽晶電視 調諧器 IC 具有高靈敏度和優異的選擇性效能，因而可在真實環境下接收到更多頻道。 3 圖 3：Si21x6 電視調諧器系列產品呈現優異的 VSNR 效能 （紅線表示 Si21x6 VSNR，藍線表示其他產品 VSNR） 現場測試：主流電視品牌廠商提供符合官方廣播標準的產品，但也必須解決許多現實中的 其他問題，否則將面臨消費者的投訴和昂貴的產品回收成本。意外的廣播環境和異常可能 比你想像中的更為頻繁，特別是在不同區域標準之間，情況將更為複雜。例如，在歐洲許 多類比和數位標準需要能夠透過一台電視跨國界接收。為了克服這些非標準的接收環境， 電視調諧器和解調器必須先進行檢測，然後對非標準的傳輸進行補償，這些條件需要根據 現場環境以及透過特別的現場測試而優化。如果沒有矽晶電視調諧器靈活的控制和配置能 力，以上的困難將無法克服。電視製造商對電視調諧器進行嚴格的現場測試，強調既要滿 足標準效能也要符合不規則廣播條件下的效能要求。針對成本敏感的區域市場，可能會選 擇較低成本的電視調諧器，而面向更廣大出口市場的電視則需要更可靠的全球效能。 靈活架構降低成本：選擇更好的電視調諧器架構對於 iDTV 和 STB 供應商來說已經成為 積極的發展策略，目前已有的一些矽晶調諧器 IC 型號可以滿足 iDTV 和 STB 平台特殊結 構要求。先進的電視和機上盒平台有三個主要的電路功能：矽晶電視調諧器（見圖 4）， 解調器和音訊/視訊以及圖像處理 SoC。調諧器的輸出訊號驅動解調器的輸入，而解調器 的輸出訊號驅動音訊/視訊及圖像處理器 SoC 的輸入。 4 RF_IP PGA I ADC DSP DSP FILTER PGA Q ADC ATV FILTER DEMOD Balun RF_IN RF AGC 1.8 V 3.3 V LDO 0 / 90 FREQ SYNTH IF AGC LOW-IF XOSC AGC OUTPUT INTERFACE Si2155 CONTROL INTERFACE ANTENNA INPUT DLIF AGC ALIF DTV DEMOD ATV DEMOD RSTB INTB SDA SCL AV SoC ADDR GPIO BCLK XOUT XTAL_I XTAL_O 圖 4：先進的矽晶電視調諧器架構範例 電視和機上盒平台對類比和數位調諧器有多種需求。例如，簡單的窄頻有線機上盒可能需 要單一的數位調諧器；相反，主流的 iDTV 可能需要支援類比和數位地面廣播以及有線輸 入源，對於大電視品牌，調諧器必須支援所有類比和數位全球傳輸標準。電視調諧器 IC 現在可支援多種架構配置，如僅數位、僅多通道數位、類比和數位調諧器、具類比電視解 調器的類比和數位調諧器，以及整合調諧器和解調器的多種接收器配置。 大多數現代電視至少支援一個調諧器，能夠同時調諧類比和數位通道，而解調器則需要單 獨對應類比和數位通道。為了支援不同的數位解調器標準，甚至可以在同一平台上有多個 解調器，如 DVB-T 和 DVB-T2。DTMB（中國新的地面數位電視廣播標準）和 DVB-T2 （第二代歐洲更高密度數位地面電視廣播傳輸標準）比 ATSC（北美）和 DVB-T（歐洲 和許多其他地區數位地面廣播標準）更加複雜。對於 DVB-S2、DVB-C2 和 DVB - T2 標 準，數位解調器都是整合在單一 IC 中。簡單的解調器可以整合在音訊/視訊處理和圖像 SoC 中，也可以與其他複雜的數位解調器聯合使用。 機上盒支援電纜輸入，並在某些情況下也支援廣播天線輸入。不像電視，許多機上盒平台 使用的 SoC 通常不具類比電視（ATV）解調器，不適合類比廣播接收。在這種情況下， 如果機上盒需要這類解調器，類比電視地面廣播解調器可以與 SoC 搭配使用。 現實情況中，當出現許多異常傳輸時，NTSC、PAL 和 SECAM 的類比電視解調器會表現 得很差。其實，類比解調器的效能水準高度依賴於之前設計所取得的經驗，現在這方面的 經驗被集中在運作矽晶電視調諧器 IC 和解調器的專門控制韌體中。考量到調諧器、解調 器和圖像處理 SoC 之間相互作用和影響，電視製造商必須進行特別的現場測試去驗證特 5 殊的調諧器、解調器和 SoC 組合。這就意味著，即使 SoC 整合了他自己的類比電視解調 器，具有高效能類比電視解調器的調諧器也是首選。關鍵問題在於設計人員需要瞭解哪種 解調器已經在相關的電視或機上盒目標市場進行了充份的現場測試和使用。如果尚未完成 特定的調諧器/解調器組合現場測試，則可能需要使用測試較為徹底的調諧器/解調器組合 來滿足開發時間和成本目標。 有線機上盒應用面臨調諧器選擇的特殊挑戰，多數情況下，機上盒 SoC 支援解調器。通 常認為，電纜傳輸環境比地面廣播環境變化小，訊號強度和其他因素可以在有線網路中得 到合理控制。基於以上因素，調諧器效能指標對於機上盒應用而言是相對寬鬆，然而，控 制電纜穩定依賴於特定的電纜供應商或系統業者（MSO）。在某些情況下，系統業者有 「通道傾斜」（透過通道的頻譜有不同訊號強度）、外部訊號侵入（極有可能來自當地地 面廣播電台與電纜傳輸干擾）和混合傳輸模式網路（轉發一組來自不同源和不同傳輸特性 通道的資料）等問題。在這些情況下，較低效能的矽晶電視調諧器 IC 就無法勝任，為了 接收完整的頻道，需要採用專為地面電視廣播而設計的更高效能電視調諧器。 我們翹首以盼 作為一個實際問題，什麼類型的電視調諧器可供選用？ Silicon Labs 公司最新一代的矽晶 電視調諧器 IC 可以回答這個問題。新型的電視調諧器系列產品提供了靈活的架構，易於 匹配主流電視和機上盒 SoC 元件使用。 Si21x6 電視調諧器系列產品包括具類比解調器的高效能 Si2176 矽晶電視調諧器 IC，以及 Si2136 完全類比接收器。Si2146 數位電視調諧器 IC 是有線機上盒和多調諧器 HDTV 的理 想選擇。高效能 Si2156 電視調諧器 IC 提供了主流配置（僅數位和類比調諧器），特性與 具有成本效益的 Si2155 調諧器類似。 Si2155/56 元件易於配合主流電視和機上盒的 SoC 使用。這些元件也同樣適用 iDTV、有線電視平台和機上盒。Silicon Labs 公司目前的電視 調諧器 IC 產品已經被世界排名前七名電視品牌中的五家廠商大量採用，其 Si21x6 電視調 諧器 IC 全系列產品（包括 Si2155 電視調諧器 IC）更提供了卓越的 RF 效能和簡單的設 計。 Si2155 電視調諧器的設計旨在降低系統成本，在高成長區域如台灣等大中華區市場，根 據本區域和出口平台需要，對電視和機上盒平台技術需求有很大差異性。在現今高速發展 的電視市場，電視調諧器架構的靈活性對於降低成本和簡化設計尤其重要。 # # # 6