Tuner及工作原理介绍

Tuner的介绍

Tuner是什么？

为了提高电视信号的传输效率，减少于扰，电视信号通常都采用射频(RF)信号传输方式，即把要传输的视频或音频信号调制(作幅度调制AM或频率调制FM)到频率较高的射频载波上，从发信端发送出去；
在收信端，为了使观众或听众原原本本地看到和听到原来的图象和声音，接收机要将载有我们所希望的图象和声音的载频信号从大量的射频信号中选择出来，然后还要对其进行一系列的处理。
在接收端我们使用到的芯片就是Tuner，也就是调谐器，实现Cable信号的接收、滤波、放大、增益控制等功能。
如下为Tuner的框图：

以上框图包含的引脚（Tuner一般都含有的引脚电源与地除外）：
RFIN：射频输入引脚；
LT：RF环通输出引脚；
XTAL：晶体引脚，1输入1输出；
IFOUT：零中频输出信号，一般是差分输出；
AGC：自动增益控制；
IIC：内部控制接口，IIC；
AS：IIC地址控制；
CP：电荷泵输出，用于内部锁相环；
XTALINSEL：参考时钟配置；
GPIO：其他控制口。

以上框图中包含的电路功能块：

• （1）输入滤波（也可能在外部自行添加）：
  因为我们输入的为射频信号，但同时也会包含高频的/低频的一些干扰信号，为了去掉（衰减）这些干扰信号，我们使用带通滤波器来选择有用的信号，衰减干扰信号；但是我们的滤波器设计时可能会影响到输入的S11参数，所以需要加入S11参数调整网络。
• （2）LNA
  LNA即低噪声放大器，是噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。
  在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F来表示。理想放大器的噪声系数 F=1（0分贝），其物理上的意义是输出信噪比等于输入信噪比。
• （3）AGC
  自动增益控制（automatic gain control）使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。简单理解就是保持一定增益，当输入信号幅度减小，放大电路增益变大；输入信号幅度变大，放大电路增益减小。
  自动增益控制是限幅输出的一种，它利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。当弱信号输入时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输入信号达到一定强度时，启动压缩放大电路，使输出幅度降低。也就是说，AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度。
  双路AGC：
  对于双环路AGC，一路经过滤波的解调器PWM输出用于控制BB_AGC，第二路PWM输出控制RF_AGC。对于单环路AGC，利用一路经过滤波的解调器PWM输出控制BB_AGC；结合BB_AGC，通过简单的PNP晶体管电路控制RF_AGC。设计灵活的双环路AGC在强信号条件下能够提供更理想的RF_AGC电压，因此，它在大信号条件下性能更好。
• （4）谐波滤波器
  对于高频信号，我们只希望其本身的信号被我们使用，但是在频域来看，其一定存在其倍频谐波存在，这些信号不是我们需要的，所以我们需要滤除掉它。
• （5）混频器
  混频器位于低噪声放大器 (LNA )之后 , 直接处理 LNA 放大后的射频信号。为实现混频功能, 混频器还需要接收来自压控振荡器的本振 (LO)信号 ,其电路完全工作在射频频段。压控振荡器产生的频率由锁相环、倍频器等控制。
  （6）IF中频放大器和滤波器
  由混频器之后产生的中频信号，因为中频信号具有很好的增益和频带特性。可能包含众多频率的干扰信号，我们仅仅需要有用的中频信号，所以添加中频滤波器完成选频。
• （7）IQ信号
  混频后的IF的信号为模拟信号，为了提高抗干扰需求，我们一般进行相关的调制，比如QAM64等（QAM方式越大，对应的同样符号率的码流码率就高，对应的数据位数就大，但是抗干扰性变差），所以此时已经将信号处理为I、Q信号，即就是两者相位相差90度。
• （8）IQ驱动输出
  IF信号输出时我们需要转换为数字信号输出，所以使用AD转换器来完成，输出设置为TTL、CMOS等电平来利于和Demo等数字器件的连接。
• （9）主控制部分
  主控部分包含IIC控制、温度检测、电源控制、通用输出等。也包含一些偏置控制等。

Tuner芯片本身的特性？

• （1）电源
  Tuner的供电电源，像比较常见的是3.3V供电以及1.8V和1.2V，但是对于有些公司芯片内部包含电源管理功能，直接可以自己产生1.8V和1.2V。
• （2）支持的频段
  有些产品支持全频段信号，例如常见的是44MHz到1004MHz，且不需要外部滤波网络；但是有些支持不了全带宽，且外部需要自行配置滤波网络。
• （3）频道带宽
  是否能支持1.7MHz、6MHz、7MHz、8MHz和10MHz。
• （4）单端输入or差分输入
  单端输入表明信号输入到器件内部进行直接处理，内部抗干扰做得好；但是需要差分输入的对于设计时我们就需要进行巴伦转换，增加额外电路。
• （5）器件内部滤波
  器件内部滤波做的好，就不太需要外部预留太多的滤波电路；像有些产品会包含内部滤波用于衰减谐波干扰和wifi/LTE等。
• （6）体积封装和外围电路
  因为Tuner容易受到干扰，所以器件一定要放在屏蔽框里面，所以器件的体积以及外围电路要简单一些，使得该部分电路和屏蔽罩体积较小。
• （7）晶体
  有些产品需要对于晶体要求较高，所以需要做频偏调整，但是晶体调整时的负载电容是从引脚看进去的总的电容，所以有厂家可以通过寄存器来调整晶体的频偏。
• （8）环通
  就是一个信号输入进来，可以直接通过Tuner滤波之后环出，给到另外的一台机顶盒或者别的产品。
• （9）功耗
  器件的功耗取决于内部集成电路模块的多少以及工艺设计优化，大的功率器件产生较大的热量，进而制约Tuner本身的性能，所以要注意功率大小，实在不行注意添加散热片。
• （10）接口
  一般都会包含IIC接口，但是有些芯片做的不好，IIC需要很多器件来防止干扰，这会额外增加成本，需要注意。

另，对于器件选泽，首先需要考虑质量以及成本。有时候，成本控制甚至于要优先于质量，因为商业的目的就是赚钱。

Tuner的工作原理

完整的数据流程：

经过电视台等编码调制的信号------》通过CATV系统的Cable传输-----》用户端机顶盒等设备接收------》机顶盒的Tuner芯片------》用户选台Tuner完成锁频------》Demod完成解调------》CPU实现解码------》CVBS或者HDMI输出显示。

所以Tuner实现的就是锁频的作用，锁频的快慢取决于芯片本身的好坏以及软件的配置，但是请注意，硬件决定上限，软件决定下限。锁频之后输出中频信号给到Demod，Demod完成解调输出给CPU完成视频解码输出播放，Tuner决定了接收电视台信号的频段、抗干扰性能以及隔离保护功能。

Reference

1、道客巴巴

2、美信半导体

3、CATV中的参数转换

2019 05 - 于深圳