零中頻架構在無線電設計中的優(yōu)勢

零中頻(ZIF) 架構自無線電初期即已出現(xiàn)。如今，ZIF架構可以在幾乎所有消費無線電應用中找到，無論是電視、手機，還是藍牙? 技術。之所以得到如此廣泛的普及，主要是因為經(jīng)驗一再地證明了，在任何無線電技術中，該架構具有最低的成本、最低的功耗和最小的尺寸等優(yōu)勢。從歷史上來看，該架構在要求高性能的應用中運用較少。然而，在無線連接需求不斷增長、頻譜變得日益擁擠的情況下，就需要改變現(xiàn)狀，以便在基礎設施中繼續(xù)經(jīng)濟地部署無線電技術，為我們的無線需求提供支撐。當代的零中頻架構可以滿足這些需求，因為這些架構面臨的諸多普遍性缺陷已通過工藝、設計、分區(qū)和算法的組合得到克服。ZIF技術取得的最新進步對現(xiàn)有高性能無線電架構形成了挑戰(zhàn)，其帶來的新產(chǎn)品取得了性能上的突破，能夠實現(xiàn)ZIF技術以前望塵莫及的新型應用。本文將探討ZIF架構的諸多優(yōu)勢，介紹這些優(yōu)勢可使無線電設計性能達到的新高度

無線電工程師面臨的挑戰(zhàn)

不斷增多的需求給當今的收發(fā)器架構師帶來了挑戰(zhàn)，因為我們對無線設備和應用的需求呈持續(xù)增長之勢。結果，消費者需要持續(xù)訪問更多的帶寬

數(shù)年以來，設計師已經(jīng)從單載波無線電走向多載波無線電技術。當一個頻段的頻譜被全部占用時，就分配新的頻段；目前，必須為40多個無線頻段提供服務。由于運營商在多個頻段都有頻譜，并且這些資源必須協(xié)調起來，所以，如今的趨勢是走向載波聚合，而載波聚合則會導致多頻段無線電。這又會帶來更多的無線電，其性能更高，需要更優(yōu)秀的帶外抑制性能，更出色的輻射性能，以及更低的功耗水平。

雖然無線需求在快速增長，但功耗和空間預算并未增長。事實上，在功耗和空間節(jié)省需求不斷增強的條件下，同時降低碳排放和物理尺寸非常重要。為了實現(xiàn)這些目標，需要從新的視角去認識無線電架構和分區(qū)。

集成

為了增加特定設計中的無線電數(shù)目，必須減小每件無線電器件的尺寸。傳統(tǒng)方法是逐步把更多的設計集成到一片硅片當中。雖然從數(shù)字角度來看，這樣做可能是合理的，但是，為了集成而集成模擬功能的做法不見得有意義。其中一個原因是，無線電中的許多模擬功能是無法有效集成的。例如，在圖1所示的傳統(tǒng)中頻采樣接收器中，中頻采樣架構有四個基本級：低噪聲增益和射頻選擇級、頻率轉換級、中頻增益和選擇級以及檢測級。選擇級一般使用SAW濾波器這些器件都不能集成，因此，必須部署在片外。雖然射頻選擇級是由壓電或機械器件提供的，但有時中頻濾波器會使用LC濾波器。盡管LC濾波器有時可能會集成到單片結構中，但是，濾波器性能的犧牲（Q和插入損耗）以及數(shù)字化器（檢波器）采樣速率必要的增加會提高總功耗。

數(shù)字化器（模數(shù)轉換器）必須以低成本CMOS工 藝制成，以使 成 本和功耗保持于合理水平。當然可以用雙極性工藝制造，但結果會導致器件尺寸和功耗的增加，有悖于優(yōu)化尺寸的初衷。所以，標準CMOS工藝是這種功能的最佳制造工藝。這就為集成高性能放大器，尤其是中頻級，造成了極大的挑戰(zhàn)。雖然CMOS工藝可以集成放大器，但是很難從針對低功耗和低電壓而優(yōu)化過的工藝中取得需要的性能。另外，在片上集成混頻器和中頻放大器要求把級間信號路由到片外，以便訪問中頻和抗混疊濾波器，然后再數(shù)字化，因而失去了集成的諸多優(yōu)勢。這樣做就達不到集成的目的，因為結果會增加引腳數(shù)和封裝尺寸。另外，關鍵的模擬信號每次通過一個封裝引腳時，就會犧牲一些性能。

圖1. 傳統(tǒng)型中頻采樣接收器

最佳集成方式是對系統(tǒng)分區(qū)，消除不能集成的元件。由于不能有效地集成SAW和LC濾波器，所以，最佳選擇是確定如何通過重新設計架構來消除它們。圖2展示了一個典型的零中頻信號鏈，它把射頻信號直接轉換為一個復合基帶，完全消除了中頻濾波器和中頻放大器的必要性，結果實現(xiàn)了這些目標。選擇級則通過在I/Q基帶信號鏈里引入一對低通濾波器的方式予以實現(xiàn)，這對濾波器可以作為有源低通濾波器而非功耗較高的片外固定中頻器件集成。傳統(tǒng)型中頻SAW濾波器或LC濾波器天生就是固定型器件，而這些有源濾波器則可以電子方式，在數(shù)百kHz至數(shù)百mHz的范圍內調諧。改變基帶帶寬就能使同一器件覆蓋范圍更寬的帶寬，無需改變物料清單，也不用在不同的固定中頻濾波器之間來回切換。

圖2. 典型的零中頻采樣接收器