零中頻架構(gòu)在無(wú)線電設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

零中頻(ZIF) 架構(gòu)自無(wú)線電初期即已出現(xiàn)。如今，ZIF架構(gòu)可以在幾乎所有消費(fèi)無(wú)線電應(yīng)用中找到，無(wú)論是電視、手機(jī)，還是藍(lán)牙? 技術(shù)。之所以得到如此廣泛的普及，主要是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)一再地證明了，在任何無(wú)線電技術(shù)中，該架構(gòu)具有最低的成本、最低的功耗和最小的尺寸等優(yōu)勢(shì)。從歷史上來(lái)看，該架構(gòu)在要求高性能的應(yīng)用中運(yùn)用較少。然而，在無(wú)線連接需求不斷增長(zhǎng)、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(chǔ)設(shè)施中繼續(xù)經(jīng)濟(jì)地部署無(wú)線電技術(shù)，為我們的無(wú)線需求提供支撐。當(dāng)代的零中頻架構(gòu)可以滿足這些需求，因?yàn)檫@些架構(gòu)面臨的諸多普遍性缺陷已通過(guò)工藝、設(shè)計(jì)、分區(qū)和算法的組合得到克服。ZIF技術(shù)取得的最新進(jìn)步對(duì)現(xiàn)有高性能無(wú)線電架構(gòu)形成了挑戰(zhàn)，其帶來(lái)的新產(chǎn)品取得了性能上的突破，能夠?qū)崿F(xiàn)ZIF技術(shù)以前望塵莫及的新型應(yīng)用。本文將探討ZIF架構(gòu)的諸多優(yōu)勢(shì)，介紹這些優(yōu)勢(shì)可使無(wú)線電設(shè)計(jì)性能達(dá)到的新高度

無(wú)線電工程師面臨的挑戰(zhàn)

不斷增多的需求給當(dāng)今的收發(fā)器架構(gòu)師帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀儗?duì)無(wú)線設(shè)備和應(yīng)用的需求呈持續(xù)增長(zhǎng)之勢(shì)。結(jié)果，消費(fèi)者需要持續(xù)訪問(wèn)更多的帶寬

數(shù)年以來(lái)，設(shè)計(jì)師已經(jīng)從單載波無(wú)線電走向多載波無(wú)線電技術(shù)。當(dāng)一個(gè)頻段的頻譜被全部占用時(shí)，就分配新的頻段；目前，必須為40多個(gè)無(wú)線頻段提供服務(wù)。由于運(yùn)營(yíng)商在多個(gè)頻段都有頻譜，并且這些資源必須協(xié)調(diào)起來(lái)，所以，如今的趨勢(shì)是走向載波聚合，而載波聚合則會(huì)導(dǎo)致多頻段無(wú)線電。這又會(huì)帶來(lái)更多的無(wú)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(wú)線需求在快速增長(zhǎng)，但功耗和空間預(yù)算并未增長(zhǎng)。事實(shí)上，在功耗和空間節(jié)省需求不斷增強(qiáng)的條件下，同時(shí)降低碳排放和物理尺寸非常重要。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要從新的視角去認(rèn)識(shí)無(wú)線電架構(gòu)和分區(qū)。

集成

為了增加特定設(shè)計(jì)中的無(wú)線電數(shù)目，必須減小每件無(wú)線電器件的尺寸。傳統(tǒng)方法是逐步把更多的設(shè)計(jì)集成到一片硅片當(dāng)中。雖然從數(shù)字角度來(lái)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(jiàn)得有意義。其中一個(gè)原因是，無(wú)線電中的許多模擬功能是無(wú)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(gòu)有四個(gè)基本級(jí)：低噪聲增益和射頻選擇級(jí)、頻率轉(zhuǎn)換級(jí)、中頻增益和選擇級(jí)以及檢測(cè)級(jí)。選擇級(jí)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(jí)是由壓電或機(jī)械器件提供的，但有時(shí)中頻濾波器會(huì)使用LC濾波器。盡管LC濾波器有時(shí)可能會(huì)集成到單片結(jié)構(gòu)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(huì)提高總功耗。

數(shù)字化器（模數(shù)轉(zhuǎn)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(dāng)然可以用雙極性工藝制造，但結(jié)果會(huì)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(jí)，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(duì)低功耗和低電壓而優(yōu)化過(guò)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(jí)間信號(hào)路由到片外，以便訪問(wèn)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(shì)。這樣做就達(dá)不到集成的目的，因?yàn)榻Y(jié)果會(huì)增加引腳數(shù)和封裝尺寸。另外，關(guān)鍵的模擬信號(hào)每次通過(guò)一個(gè)封裝引腳時(shí)，就會(huì)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(duì)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(guò)重新設(shè)計(jì)架構(gòu)來(lái)消除它們。圖2展示了一個(gè)典型的零中頻信號(hào)鏈，它把射頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為一個(gè)復(fù)合基帶，完全消除了中頻濾波器和中頻放大器的必要性，結(jié)果實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)。選擇級(jí)則通過(guò)在I/Q基帶信號(hào)鏈里引入一對(duì)低通濾波器的方式予以實(shí)現(xiàn)，這對(duì)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(nèi)調(diào)諧。改變基帶帶寬就能使同一器件覆蓋范圍更寬的帶寬，無(wú)需改變物料清單，也不用在不同的固定中頻濾波器之間來(lái)回切換。

圖2. 典型的零中頻采樣接收器