全球数字广播DRM接收机射频芯片研究

摘要：研究并设计了一种应用于全球数字广播(Digital Radio Mondiale， DRM/DRM )接收机射频芯片系统结构，设计了相关模块和电路，包括一种高灵敏度有限空间内中短波宽带接收天线、基于噪声抵消和跨导线性技术的DRM第一中频下变频模块、带输出分频器的吞除脉冲式的频率综合器、DRM双正交镜像抑制混频器、中频可变增益放大器以及中频计数器模块等。芯片模块采用中芯国际(SMIC)0.18μm RF CMOS工艺实现，测试结果表明能够满足DRM接收机系统要求。

　　1、引论

　　传统的模拟调幅广播自身存在着传输质量差、业务单一和易受干扰等固有缺陷。随着数字电视、数字卫星广播、多媒体广播及因特网等新型传输手段的出现，模拟调幅广播面临着越来越严峻的挑战，其处境日益艰难。

　　然而，在频率资源越来越紧张的今天，模拟广播所占用的频段应该得到有效利用。尤其，30 MHz以下频段的电波具有优越的传播特性，在该频段内的调幅广播可以非常简单、经济而又高效地实现远距离和大范围的覆盖，是实现地区性、全国性及国际性广播覆盖的最佳手段之一。它既适合于固定和便携接收，也适合于高速移动接收。上述该频段下的接收特性是其它传媒方式所不可比拟的。全世界现有3000多座短波发射台，12000多座中波发射台，已有电台基础设施投资巨大，且绝大部分设备目前都完好可用。

　　因此，寻找模拟广播的出路以适应时代的需求已经迫在眉睫，而数字技术的迅速发展为提高广播质量提供了一条全新的途径。模拟广播数字化是克服模拟广播缺点的最佳选择，也是科技发展的必然趋势。模拟广播数字化还会带来显著的社会效益和经济效益。世界各国也相继出台模拟广播停播的时间表，如日本将在2011年完成模拟向数字化的转换，中国将于2015年全面停播模拟广播电视。

　　全球数字广播联盟所提出的DRM标准[1]是针对108 MHz以下频段广播数字化最为成熟并且得到广泛支持的非专利性标准，该系统能够提供更优质的声音质量和数据、视频和图像等附加业务，允许模拟AM和FM向数字广播过渡，支持单频网(SFN)，频谱利用率高，在同一覆盖范围内降低辐射功率，具有环境保护优势。DRM是能够实现全球覆盖的真正的全球数字广播，可以应用于一般的台式收音机、车载收音机、PDA和手机等终端。

　　因此，我们东南大学射频与光电集成电路研究所自2004年以来，开展了DRM收音机射频芯片的研究。我们在对系统进行设计的基础上、对各个功能电路进行了设计、制造和测试分析，取得了一系列的研究结果。下面首先给出DRM接收机研究现状，然后给出系统设计方案，接下去对相关功能芯片逐一加以介绍。

　　2、DRM接收机研究现状

　　根据DRM组织统计，全球数字接收机用量为25亿台，而由于DRM标准发展较晚，目前在手持移动终端方面还没有产品。

　　对DRM系统，原有的发射机只须增加数字编码器和调制器和进行部分改动，即可适应DRM广播，但必须采用全新的DRM接收机才能接收DRM广播。制约数字广播发展的瓶颈在于接收机的性能与价格，只有开发出廉价DRM接收机专用芯片并批量生产应用，DRM广播才能普及。

　　目前常用的DRM解决方案有[2]：通用双芯片(射频前端芯片 DSP芯片)、专用双芯片(射频前端芯片 ASIC芯片)、SOC单芯片(射频与基带单芯片集成)等，其中射频前端必不可少，且广播接收机的性能很大程度上取决于射频前端的性能。国内外设计的所谓一体机中，常用的射频前端芯片型号主要有：某公司的TDA7512、TDA7519、TEF6701、TEF6721和TEF6730等。这些芯片均是原来用于接收模拟广播信号时推出的产品，并不是根据数字广播标准定制出来的，且大多采用超外差结构和BiCMOS工艺制造，其外围电路复杂、电源电压高、功耗大、成本高，无法与基带处理芯片进行单片集成。国内外适用于接收DRM信号的专用射频前端尚处在研发阶段，技术方案尚不成熟，暂时无法实行产业化。

　　因此，研究基于CMOS工艺的DRM无线接收射频前端专用芯片具有重要意义，最大程度的降低接收机的成本，易于实现和和基带处理电路及A/D，D/A转换器等的单芯片集成，将对广播数字化的推动具有重大的意义。我们在此方面的研究是基于中芯国际提供的0.18μm RF CMOS工艺。

　　3、DRM接收机系统结构研究及设计

　　DRM接收机射频前端的设计目标是单片集成、低电压、低功耗、高可靠性和低成本等。如同一般无线接收机设计，需依据相关标准和各种接收机结构的特点，选择出适合的接收机结构。

　　长期以来，人们探索采用软件无线电技术来实现DRM接收机。但是，由于直接对射频信号采样能耗过大，同时受限于A/D、D/A的速率、带宽及动态范围等方面的限制，在目前的工艺水平和技术条件下，还较难实现软件无线电，尤其是工作在GHz以上的接收机是不太可行的[4]。

　　传统超外差结构的接收机需要众多片外元件，从而增加了系统的制造成本、复杂度、尺寸及功耗等，与DRM接收机的低功耗单片集成等设计理念不相符合。

　　零中频结构[5]易于实现低功耗单片集成，且支持多标准通信，但由于DRM广播采用OFDM M-QAM调制方式，且其信道带宽仅为4.5～20 kHz，由零中频结构固有的本振泄漏、偶次失真、I/Q失配、1/f噪声、直流漂移等所引起的寄生低频噪声对信道极窄的DRM接收机性能的影响是无法消除的。

　　而镜频抑制结构[6]采用信号抵消的方法来消除镜像干扰，但接收机的镜像抑制性能对两正交通道间的相位误差和增益误差较敏感，而在实际电路中，两正交通道间保持匹配是相当困难的。

　　低中频结构结合了外差式结构与零中频结构的优点，既便于低功耗单片集成，又支持多通信标准，且可避免1/f噪声和直流漂移等寄生低频噪声的影响，成为现代无线接收机设计中最具潜力的结构之一。因此，我们的研究采用低中频结构作为DRM接收机的基本结构。

　　DRM接收机的射频频段覆盖较宽，若一次下变频到很低的中频，则其本振(LO)的工作频率可调范围过大，其实现是非常困难的。为此，需提高第一中频频率，并通过第二次变频将较高的第一中频信号转换为约几百kHz的低中频信号。而且，随着接收机灵敏度的提高，镜频干扰显得越发严重。DRM接收机的灵敏度要求较高，为提高镜像抑制比，普遍采用二次变频技术。DRM接收机的动态范围要求很大，为确保接收机稳定工作，也需采用二次变频结构将接收机总增益分配到高频、中频和基带3个频段上。

　　设计DRM接收机时，为避免在变频过程中出现频率倒置现象，二次变频结构的两个本振频率必须同时高于或低于各自的输入信号频率。同时，由于DRM 接收机的射频频段超宽，为了降低系统LO 与压控振荡器(VCO)的设计难度，需选用上边注入方式，即两个本振均高于各自的输入信号频率。

　　第一、第二中频均采用固定中频，降低了相邻信道的干扰，且此结构对载波适应性强、频率灵活性好。

　　综上所述，DRM 接收机宜采用上边注入、固定中频的二次变频低中频结构。

　　我们所设计的DRM射频接收机实现了射频前端的单芯片集成。芯片模块包括：低噪声放大器(LNA)、正交混频器(Mixe[FS:Page]r)、中频放大器、镜像抑制混频器、信道选择滤波器(BPF)、频率综合器(PLL)、中频计数器、数字控制逻辑和电源管理等模块。接收机将DRM天线模块接收到的148 kHz～240 MHz的射频信号变频到173 kHz中频信号，提供给基带模块处理。整个接收机仅采用一个信号通道实现多个频段的无缝接收，具有优良的抑制镜像、互调、低频本振谐波和寄生低频噪声等干扰的性能。芯片能够兼容传统调幅(AM)和调频(FM)广播，同时能够兼容DAB等数字音频广播标准。

4、DRM天线及射频芯片研究与设计

　　4.1 DRM天线研究与设计

　　DRM接收机在朝着小尺寸、轻重量和宽频带的方向发展，但是DRM标准工作频率较低，工作频带却又很宽，加上接收机与发射台的距离可能达上千千米，因此天线的尺寸和性能是制约DRM接收机小型化和袖珍化的主要因素，研究DRM袖珍信息终端的小型化天线设计与实现具有重要的意义。

　　传统的中短波接收机接收天线往往采用鞭状天线和磁棒天线，鞭状天线通常体积较大，不易与接收机的机体实现集成，磁棒有很强的方向性，不利于全方向接收，本身要占用一定的体积，不利于接收机的小型化，同时由于磁棒属于脆性材料，容易破碎。而要实现有限空间内天线的尺寸缩减通常导致灵敏度的降低。

　　通过计算和大量实验，我们研制出一系列适用于DRM系统移动终端的高灵敏度中短波接收天线，如图2-5所示。测试结果表明:与专业公司提供的DRM接收机天线相比较，该中短波宽带接收天线在1～20 MHz频率范围内，以缩小的尺寸获得了高的接收灵敏度， 能够集成于接收机机壳表面。

　　4.2 第一中频下变频模块设计

　　第一中频下变频模块设计包括了低噪声放大器、宽带正交混频器、可变增益放大器和恒定跨导偏置电路。低噪声放大器和混频器分别采用了噪声抵消技术和跨导线性化技术，解决了传统CMOS工艺中难以实现低噪声和高线性度的困难。该模块面积为0.9×0.7 mm2，可以实现包括传统AM、FM以及数字广播标准DRM和DAB等多波段、多标准的宽带接收。

　　4.3 DRM频率综合器芯片

　　该频率综合器实现了宽带VCO，PFD/CP，32/33双模分频器，伪吞除脉冲计数器以及11位可编程分频器，占用芯片面积仅0.8×0.5 mm2。与传统的锁相频率综合器比较，该结构的频率综合器具有最小的步进频率、改善了的相位噪声10log(X)和输出杂散20log(X)，并具有快速锁定功能。

　　4.4 DRM镜像抑制混频器

　　该镜像抑制混频器模块包括射频无源多相滤波器，双正交混频器，中频无源多相滤波器，LO正交产生器，占用芯片面积仅为1.3×1.4 mm2。

　　4.5 其他DRM芯片

　　中频可变增益放大器实现了0～30 dB的线性增益范围，功耗5.6 mW，面积0.7×0.4 mm2。中频计数器实现的最小检测电平峰峰值为8 mW，功耗0.65 mW，面积0.7×0.5 mm2。

　　总结

　　本文介绍了东南大学射频与光电研究所在DRM接收天线及无线接收RF前端方面的工作。研究了一种适用于DRM标准的射频芯片体系结构，具有高性能、低功耗、极少片外元件等特点，设计了一种高灵敏度有限空间内中短波宽带接收天线及多款射频芯片组，测试结果表明能够满足DRM接收机系统要求。