消費性影音傳輸方法的全球標準化已成功產生幾項影響，其中之一是全球廣播業者只需選擇一種直播衛星（Direct Broadcast Satellite；DBS）電視標準。世界各地對於類比和數位地面廣播或有線電視傳輸各有其標準，衛星廣播則與它們完全不同，DVB-S標準獲得全球採用後已帶動數位衛星機上盒市場的接收機銷售量成長超過6000萬部，其中大多數是符合DVB-S標準的產品。

直到最近，OEM廠商只要選擇套裝射頻模組就不必面對衛星射頻前端的設計細節。接收機碟型天線內的低雜訊降頻轉換器（LNB Converter）會先將C或Ku頻帶的接收訊號降頻轉換為950～2150MHz的L頻帶訊號，再由射頻模組將這些中頻訊號轉換為MPEG-2傳輸流（transport stream）。

機上盒製造商一直都有降低系統成本的壓力，功能整合度更高的矽晶調諧器又已在市場上出現，這些因素使得OEM廠商不再需要套裝射頻模組，他們可以透過主電路板直接提供這項功能。多項因素讓射頻前端設計相當困難，包括射頻輸入的頻率很高、衛星轉頻器的訊號頻寬很大（通常為27或36MHz）、複合輸入功率的範圍很廣（－80～0dBm）以及低雜訊降頻轉換器和訊號選擇器（multi-switch）等其它衛星週邊都需要直流電源和交流控制訊號回饋，這些電源和控制訊號必須透過同軸纜線與接收訊號一起上傳。

除此之外，OEM廠商處在這個競爭激烈的環境裡，自然必須將設計資源集中於個人錄影（PVR）、互動性和家用網路等加值功能。因此需要零組件供應商提供射頻前端解決方案以便將研發投資減至最少，同時確認其產品達到所需的接收機效能標準或付費電視業者的認證要求。

本文將探討衛星射頻前端重要的效能和功能要求，OEM廠商可利用文中列出的檢查項目比較不同廠商的衛星射頻前端解決方案。

單晶片射頻前端的目標

符合DVB標準的衛星、有線電視、地面廣播和新出現的可攜式應用環境現都採用位元流格式相同的MPEG-2傳輸流，因此OEM廠商在範疇經濟和規模經濟考量下通常會選擇採用單一平台。這表示不同的媒體接收機會使用相同的MPEG解碼器和主機元件，然後由有線電視、地面廣播、衛星或IP等媒體的前端電路將傳輸流提供給主機。

射頻電路前端包含調諧器和解調器功能，兩者會透過從解調器到調諧器的專屬類比控制訊號進行各種互動，像是自動增益控制、射頻調諧和濾波器頻寬選擇等動作，這使得想要取代套裝射頻模組的OEM廠商必須解決電路板層級的訊號完整性問題才能維持系統操作一致性，同時將電路板佈局和零件誤差等外部因素對於接收機效能的影響減至最少。就此角度而言，將調諧器和解調器整合至同一顆元件顯然有極大優點，因為設計人員就不必在電路板上費心安排這些回授訊號。

實作損耗：前端電路優劣的重要指標

實作損耗是DVB-S前端最重要的規格，它代表接收機實際效能與理論最佳值的差距。實作損耗是在特定符碼率（symbol rate）、Viterbi編碼率，輸入功率和射頻頻率等傳輸參數下將輸出位元錯誤率降到可接受水準的實際所需載波雜訊比（Carrier-to-Noise）與理想解調器的載波雜訊比之間的相差值（以dB表示）。DVB-S標準規定Viterbi解碼器輸出測量所得的實作損耗在2×10-4位元錯誤率下不能超過0.8dB，無論接收機的傳輸參數設定為何都必須達到這項效能要求。實作損耗越低，接收機就越能將雜訊影響減至最小。

測量不同輸入功率和無線頻率下的實作損耗非常有用。例如當功率很大時，接收機的互調積就可能造成實作損耗惡化；同樣的，本地振盪頻率的混附訊號也可能導致某些通道效能下降。

(圖一)是在不同輸入功率下提供3/4旋積編碼率和22.5Mbaud符碼率的QEF操作時（定義為Viterbi解碼後的位元誤差率為2×10-4）所需的載波雜訊比（Eb/No）。

《圖一　載波雜訊比與輸入功率的關係（22.5MBaud，編碼率3/4）》

靈敏度、選擇性、互調和本地振盪訊號的洩漏現象

(圖二)是衛星接收機的靈敏度計算範例。

《圖二　DVB-S接收機的靈敏度計算（27.5Mbaud，編碼率3/4）》

除了解調器實作損耗外，調諧器雜訊指數也會影響接收機的靈敏度。此外，總輸入功率的變動範圍也可能超過80dB，這是因為許多設備都使用L頻帶通道（可能包括UHF），另外還有降雨衰減和纜線損耗等效應，它們對於射頻輸入範圍的高頻部份影響特別嚴重（集膚效應）。

另一方面，衛星廣播對於通道選擇性（selectivity）的要求也比較寬鬆，這是因為同一位置的所有衛星轉頻器都會在接收機輸入端產生大致相同的相鄰通道輸入功率，這與地面傳輸有很大不同。另外，接收機還須提供具備頻寬設定能力的匹配濾波器（matched filter）以滿足不同通道的不同符碼率（1到45MBaud）和訊號頻寬要求，這與地面廣播或有線電視傳輸也有極大區別。低雜訊放大器和混波器也要具備良好的線性操作能力（IP2、IP3）才能應付可能出現的高複合功率輸入。

為了滿足這些要求，衛星調諧器已開始採用零中頻（zero-IF）直接轉換架構。尤其在目標訊號很弱而相鄰通道訊號又很強的系統中，零中頻接收機更能提供所要求的選擇性和鏡像拒斥率，這是因為鏡像通道實際上就是目標通道，而不是訊號可能更強的相鄰通道。然而這些優勢在衛星廣播系統中就沒有那麼明顯，因為各個通道在接收機輸入端的功率都非常相近。

零中頻架構的本地振盪頻率就是所欲接收的射頻通道，所以本地振盪訊號就有可能混入接收訊號。這種本地振盪訊號洩漏現象是零中頻架構的主要缺點之一，它會導致降頻混波後出現直流偏移，於是調諧器和解調器之間必須使用更大電容做為零中頻類比I/Q訊號的交流耦合電容。

除此之外，由於本地振盪頻率等於目標射頻通道的中心頻率，零中頻接收機架構特別容易受到振盪器的近載波相位雜訊（close-in phase noise）影響。CMOS的1/f雜訊特性使其近載波相位雜訊會高於採用雙極或矽鍺製程的振盪器，所以CMOS製程很難用來實作直接轉換衛星調諧器。

這兩種效應都可透過本地振盪頻率與目標頻帶相差約一個通道的低中頻架構來避免。這種架構把射頻訊號轉換成中頻訊號後會先將它數位化，然後由第二個數位混波器將它轉換為基頻訊號。目前已有廠商將低中頻架構用於大頻寬衛星調諧器，藉此把調諧器和解調器整合為單顆CMOS晶粒，而不是使用成本較高的SIP技術把BiCMOS晶粒的調諧器以及CMOS晶粒的解調器整合至單一封裝。

LNB電源與控制

DVB-S系統接收機天線的低雜訊（LNB）降頻轉換器需要射頻前端提供的13V/18V可切換式直流電源和重疊於直流電源上的22kHz交流單頻波串（tone burst）控制訊號。有些傳統的離散式解決方案僅提供接收機到LNB週邊的單向通訊，但OEM廠商仍希望LNB解決方案支援最新的DiSEqC 2.x雙向通訊協定。另外為顧及舊型週邊的相容性，這些解決方案除了DiSEqC相容訊息外，還應支援早期產品所需的單頻/波串（tone/burst）以及單頻/電壓（tone/voltage）等訊號傳送方式。

除了解調器應同時支援單向和雙向LNB控制訊號外，LNB電源供應穩壓器也需要一顆專屬元件。LNB電源穩壓器不但要提供普通穩壓器功能，還會包含可靠的故障保護機制以應付接收機啟動或為增加交流LNB控制訊號而安裝額外電路時可能出現的電流過載或短路現象。

電源效率的重要性不斷增加，這在包含多組LNB和多組調諧器的個人錄影機等機上盒產品中尤其明顯。OEM廠商因此傾向於使用由升壓轉換器構成的高效率、交換式電源供應解決方案，而不是傳統的線性穩壓架構。

解調器供應商通常不會提供採用高電壓製程的LNB電源供應元件，但它們卻又需要與電源元件互動，這使得OEM廠商並須承受更大的系統整合風險，尤其是LNB電源供應電路和射頻輸入訊號會使用同樣線路，因此可能造成接收機效能下降。

面對這些問題，最理想的做法是由一家廠商提供包含LNB電源穩壓器和訊號控制器等完整功能的射頻前端解決方案。

環境因素

接收機應將外部因素的影響減至最小。衛星接收機特別容易受到GSM或無線DECT電話的電磁訊號干擾，因為這些裝置使用的頻帶與衛星接收機非常接近；另外，麥克風等裝置產生的機械振動也可能造成影響。OEM廠商評估不同解決方案時應注意壓控振盪器儲能電路和鎖相迴路濾波器是否整合至調諧器元件，若解決方案仍需在設計中增加LC（壓控振盪器儲能元件）或RC（迴路濾波器）電路，就表示這些解決方案僅整合壓控振盪器，而不是完整的鎖相迴路。元件若未整合這些週邊電路就比較容易受到外界影響，電磁干擾測試通常也表現不佳。

為將LNB所受的影響減至最少，調諧器廠商應明白列出接收機輸入端的阻抗匹配電路規格，同時指定最惡劣條件下的傳回損耗（return loss）或等效的VSWR規格。半導體廠商應在所建議的電路板佈局中提供輸入電路範例。

晶片整合度不斷增加已讓元件散熱成為潛在問題。這類元件最好採用含有外露散熱墊的散熱加強型封裝，因為焊接到接地面的外露散熱墊可做為額外的電路連線。

最後，隨著消費商品的環保標準日益嚴苛，元件應採用符合禁用物質防制法 （RoHS） 的無鉛封裝。

加值功能

有人可能認為消費者並不關心本文提到的許多要求，但至少有兩項功能會直接影響客戶對於產品的使用感受。

首先，機上盒製造商為讓消費者瞭解接收機天線安裝效果以及接收訊號強度，通常會根據通道解碼器的錯誤更正數目來評估訊號品質並將結果顯示給使用者。由於DVB-S採用不同的內部（Viterbi）和外部（Reed-Solomon）FEC錯誤更正演算法，系統若想提供最精確的訊號品質顯示就必須從通道解碼器的這兩個組件讀取已更正和未更正的錯誤數目。元件甚至還能提供PRBS等更多種測試模式協助OEM廠商利用實驗室測試設備進行特性測試。

其次，通道設定過程應該越快越好。這對專門接收免付費頻道的機上盒並不簡單，因為這類產品出廠時並未包含許多DVB-S廣播定義參數和通道參數；相形之下，普通機上盒則是為特定的付費電視服務所設計，因此所有必要參數都已儲存其中。

完整的通道掃描必須涵蓋超過1GHz的頻寬和兩種偏極性射頻訊號。接收機在掃描通道和尋找DVB-S通道時必須處理各種符碼率（1～45MBaud）、旋積編碼率（1/2、2/3、3/4、…）、頻譜轉換（spectral inversion）可能性以及LNB混波器偏移可能造成的數個MHz射頻訊號偏移。

特別是東南亞和中東地區的廣播業者會利用一種稱為「單載波多通道」（Multiple Channels Per Carrier；MCPC）的分頻多工技術各自上行鏈結到同一個衛星轉頻器的不同通道（共享式轉頻器）。此時所有上傳MPEG-2傳輸流的位元速率都會減少，使得調變後的通道符碼率下降。除非解調器配備硬體式盲目掃描（blindscan）加速器，否則接收器在面對這類符碼率很低的通道時經常需要一小時以上的時間才能掃描頻帶範圍內所有通道。晶片內建盲目掃描功能則可將這個過程縮短為數分鐘。有些專門為免付費頻道應用生產機上盒的廠商甚至認為解調器的盲目掃描功能比射頻效能更重要！

結語

在成熟的DVB-S市場上，許多廠商都已提供包含上述部份射頻前端功能的元件。本文還特別介紹了最終設備製造商應列入考慮的許多系統層級問題、重要效能要求以及衛星廣播應用獨有的問題。這對工程資源有限或射頻經驗不足的套裝射頻模組OEM廠商是極為艱巨的工作，降低系統成本和縮小產品體積的壓力更進一步迫使他們必須採用整合度更高的解決方案。

（作者任職於Silicon Labs.）

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