【導(dǎo)讀】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)1
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
雖然圖示并不直觀，但通過(guò)更改本振，零中頻接收器也可覆蓋范圍非常寬的射頻頻率。零中頻收發(fā)器可提供真正的寬帶體驗(yàn)，典型連續(xù)覆蓋范圍從數(shù)百M(fèi)Hz到約6 GHz。不使用固定濾波器，可以實(shí)現(xiàn)真正靈活的無(wú)線電，結(jié)果可以極大地減少，甚至可能消除在開(kāi)發(fā)無(wú)線電設(shè)計(jì)頻段變體方面的投入。得益于靈活的數(shù)字化器和可編程的基帶濾波器，零中頻設(shè)計(jì)不但能實(shí)現(xiàn)高性能，還具有極大的靈活性，既能支持范圍超寬的頻率和帶寬，也能維持近乎平坦的性能，而且無(wú)需針對(duì)每種配置優(yōu)化模擬電路（如濾波器）—可謂名符其實(shí)的軟件定義無(wú)線電 (SDR) 技術(shù)。與此同時(shí)，這種方法也會(huì)大幅減小尺寸，因?yàn)樗鼮楸仨毟采w多個(gè)頻段的應(yīng)用消除了原本需要的濾波器組。在一些情況下，可以完全消除射頻濾波器，成就完全意義上的寬帶無(wú)線電，根據(jù)不需要更改頻段。通過(guò)消除部分器件、集成其他器件，可以大幅減小零中頻設(shè)計(jì)所需要的PCB尺寸，不但簡(jiǎn)化了頻段高速過(guò)程，還能減少有必要更改尺寸時(shí)投入的精力。
最小的尺寸
通過(guò)直接比較這些架構(gòu)的PCB面積（圖3和圖4）可知，對(duì)于雙接收路徑，在合理實(shí)現(xiàn)方式下，中頻采樣和零中頻采樣的PCB面積分別為2880mm2 (18 mm × 160 mm)，和1434 mm2 (18 mm × 80 mm) 。如果不算可能消除的射頻濾波器和其他簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，2零中頻架構(gòu)有可能比當(dāng)前的中頻采樣技術(shù)減少最高達(dá)50%的無(wú)線電尺寸。未來(lái)的設(shè)計(jì)有可能通過(guò)額外的集成，使尺寸再減少一倍。
圖3. 典型的中頻采樣布局
圖4. 典型的零中頻采樣布局
最低成本
直接從物料清單來(lái)看，從中頻采樣系統(tǒng)轉(zhuǎn)向零中頻架構(gòu)可節(jié)省33%的物料。成本分析始終都是非常困難的。然而，深入考察圖1和圖2可知，許多分立式元件均已消除，包括中頻和抗混疊濾波元件，并且混頻器和基帶放大器均已集成。不明確的是，由于零中頻接收器本身具有傳統(tǒng)中頻采樣架構(gòu)不具備的帶外抑制功能，所以，整體外部濾波要求就大幅降低了。零中頻架構(gòu)中兩個(gè)元件促成了這一結(jié)果。第一個(gè)元件是有源基帶濾波器，該濾波器同時(shí)具備帶內(nèi)增益和帶外抑制功能。第二個(gè)元件是高采樣速率低通Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。有源濾波器減少了帶外元件，而ADC的高采樣速率則使混疊點(diǎn)提高到足夠高的頻率，從而消除了外部抗混疊濾波元件的必要性（因?yàn)橛性礊V波器已經(jīng)充分地抑制了信號(hào)）。
圖5. 有源基帶濾波器與ADC
通過(guò)把基帶信號(hào)施加到有源濾波器上，如圖5所示，可以滾降高頻內(nèi)容。然后，ADC對(duì)來(lái)自低通濾波器的任何殘余輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和最終濾波。級(jí)聯(lián)結(jié)果如圖6所示。此圖所示為在有源濾波器和Σ-Δ ADC復(fù)合效應(yīng)作用下的典型接收器性能。這里展示的是帶內(nèi)和帶外功率靈敏度降低3 dB的典型情況。注意，在不使用任何外部濾波元件的情況下，帶外性能有所改善。
為了獲得類(lèi)似的性能水平，中頻采樣接收器采用分立式中頻濾波元件（如SAW技術(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性和帶外信號(hào)保護(hù)功能，以防止寬帶信號(hào)混疊和噪聲混疊回頻段等問(wèn)題。中頻采樣架構(gòu)還必須采取其他無(wú)用混頻器項(xiàng)的保護(hù)措施，包括半中頻項(xiàng)，該項(xiàng)會(huì)提高射頻和中頻濾波要求并限制采樣速率和中頻規(guī)劃。零中頻架構(gòu)不存在這種頻率規(guī)劃限制。
圖6. 典型的零中頻帶外抑制
根據(jù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的不同，這種原生抑制功能可以降低或消除外部射頻濾波要求。通過(guò)省去這些元件可以直接節(jié)省成本，因?yàn)楦鶕?jù)類(lèi)型的不同，外部射頻濾波器可能比較昂貴。另外，移除這些損耗性的器件有助于消除射頻增益級(jí)，結(jié)果不但能節(jié)省成本，同時(shí)還能降低功耗、提高線性度。所有這些都可進(jìn)一步增強(qiáng)分區(qū)和智能集成的優(yōu)勢(shì)。
如前所述，成本的估算非常難，因?yàn)檫@在很大程度上取決于產(chǎn)量和與供應(yīng)商簽訂的協(xié)議。然而，詳細(xì)分析顯示，通過(guò)集成、消除部分元件、降低要求，零中頻架構(gòu)最高可使系統(tǒng)總成本降低三分之一。需要記住的是，這是系統(tǒng)成本，不是器件成本。由于更少的器件要承載更多的功能，所以在系統(tǒng)總成本減少的情況下，有些器件成本可能會(huì)增加。
除了材料成本以外，集成式零中頻接收器還有一些其他優(yōu)勢(shì)。由于集成式系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)中的器件數(shù)量，所以其裝配成本較低，工廠良品率較高。由于分立式器件數(shù)量變少，所以對(duì)齊時(shí)間也會(huì)變短。這些因素相加，可降低工廠成本。
由于零中頻接收器是名符其實(shí)的寬帶，所以，調(diào)整頻段的工程成本也減少了。在中頻采樣系統(tǒng)中，必須慎重選擇中頻頻率，但對(duì)于零中頻系統(tǒng)，則無(wú)需進(jìn)行謹(jǐn)慎的規(guī)劃。基本上通過(guò)更改本振就可以添加新的頻段。另外，由于在使用零中頻時(shí)，許多應(yīng)用并不要求外部射頻濾波器，所以，結(jié)果可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。整體而言，對(duì)于零中頻解決方案，如果考慮直接成本以及上面列出的制造成本和工程成本，其成本節(jié)省優(yōu)勢(shì)是非常可觀的。
最低功耗
如果只是采用圖1所示架構(gòu)，并直接將其集成到片上系統(tǒng)中，結(jié)果并不會(huì)帶來(lái)功耗和成本上的優(yōu)勢(shì)。要節(jié)省功耗，就要選擇高效的架構(gòu)，該架構(gòu)能針對(duì)目標(biāo)工藝進(jìn)行優(yōu)化。類(lèi)似于圖中所示中頻采樣接收器的架構(gòu)涉及到大量的高頻和中頻頻率，難以在低成本工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，因此，要消耗大量功率以支持所需頻率。然而，如圖2所示的零中頻架構(gòu)能立即降低至直流（基帶）的目標(biāo)頻率，因而可以實(shí)現(xiàn)頻率最低的電路。
類(lèi)似地，通過(guò)帶寬來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題也是非常低效的。類(lèi)似于直接射頻采樣的架構(gòu)可提供較寬的帶寬，并且具有極大的靈活性。然而，據(jù)Walden3 和 Murmann.4在文中所述，增加系統(tǒng)帶寬始終都會(huì)提高功耗。
除非需要原始帶寬，否則，對(duì)多數(shù)接收器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，僅僅通過(guò)帶寬來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題并不是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。這些長(zhǎng)期研究的數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)換器的發(fā)展有兩個(gè)方面值得關(guān)注。技術(shù)面取得了一些進(jìn)步，能以動(dòng)態(tài)范圍和帶寬的形式顯著提高內(nèi)核的交流性能。架構(gòu)面在內(nèi)核架構(gòu)的整體效率方面有所進(jìn)步。一般地，曲線先是向右移動(dòng)，然后隨著設(shè)計(jì)的優(yōu)化，開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)。對(duì)于通信應(yīng)用，操作趨向沿技術(shù)面進(jìn)行，其中，從線條斜率來(lái)看，轉(zhuǎn)換器效率大約下降了10 dB/十倍頻程，如圖7所示。在此斜率下，使帶寬增加一倍會(huì)導(dǎo)致功耗增加兩倍。然而，在把這些內(nèi)核集成到功能器件中之后，效率就有所改善，當(dāng)其靠近架構(gòu)面時(shí)，功率損失接近2。
圖7. 內(nèi)核ADC技術(shù)的品質(zhì)因數(shù)4
對(duì)于關(guān)心功耗的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，結(jié)論是，功耗最低的解決方案是帶寬和采樣速率均針對(duì)應(yīng)用而優(yōu)化過(guò)的解決方案。搭載Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的零中頻采樣設(shè)計(jì)就針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。依據(jù)具體的應(yīng)用，采用零中頻接收器比中頻采樣架構(gòu)可節(jié)省50%或以上的功耗，比直接射頻采樣可節(jié)省高達(dá)120%的功耗。
功耗還與成本直接相關(guān)。更高的功耗不但會(huì)提高封裝成本和電源成本，而且對(duì)于電路消耗的每瓦特功率（設(shè)電費(fèi)為12美分/千瓦時(shí)），每年每瓦特的運(yùn)營(yíng)成本會(huì)超過(guò)1美元。鑒于許多電子器件成本較低，其一年的運(yùn)行成本就可能輕松超過(guò)其直接成本。因此，隨著集成式無(wú)線電解決方案選項(xiàng)的推出，對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用必須選擇謹(jǐn)慎地做出權(quán)衡。選擇會(huì)不必要地增加功耗的架構(gòu)，結(jié)果不但會(huì)增加功耗，還可能會(huì)影響解決方案的長(zhǎng)期運(yùn)行成本。
性能增強(qiáng)
無(wú)線電設(shè)計(jì)有若干重要的關(guān)鍵指標(biāo)需要注意。其中包括噪聲系數(shù)(NF)、線性度（IP3、IM3）、降敏、選擇性等。在正常的無(wú)線電規(guī)格以外，還有一些規(guī)格也很重要，但用戶往往看不到。其中包括規(guī)格分布和漂移與時(shí)間、電源、溫度和流程的關(guān)系。零中頻架構(gòu)符合關(guān)于無(wú)線電設(shè)計(jì)的這些和其他關(guān)鍵要求。
通過(guò)溫度、電源和流程跟蹤
全集成式收發(fā)器架構(gòu)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，對(duì)于設(shè)計(jì)合理的無(wú)線電，器件匹配可能要好得多，不僅在起初是這樣，而且如果設(shè)計(jì)合理，器件可以有效地進(jìn)行流程、溫度、電源和頻率跟蹤。運(yùn)用通常嵌入這些集成解決方案中的信號(hào)處理技術(shù)，可以較好地消除任何殘余的失配問(wèn)題。雖然對(duì)IC設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這是非常典型的情況，但是，無(wú)線電集成的不同之處在于，在零中頻設(shè)計(jì)中，由于依賴(lài)于頻率的所有項(xiàng)均部署于片上，所以，這些項(xiàng)也可以實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。如圖1所示的典型無(wú)線電包括一個(gè)片外中頻濾波器。該中頻濾波器的特性會(huì)隨時(shí)間、溫度或器件而變化，與片上的任何元素均無(wú)關(guān)，并且不能對(duì)其進(jìn)行跟蹤。然而，集成濾波器的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是，因?yàn)槠湟云掀骷?gòu)建，所以，器件是可以擴(kuò)展的，或者可以按比例相互跟蹤，以保持性能穩(wěn)定。對(duì)于那些不能通過(guò)設(shè)計(jì)穩(wěn)定的項(xiàng)，可以輕松進(jìn)行校準(zhǔn)。最終結(jié)果是，在預(yù)計(jì)器件差異時(shí)，所需要的裕量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所有器件均無(wú)關(guān)的分立式設(shè)計(jì)。
例如，為混頻器、中頻濾波器、中頻放大器和ADC各分配1 dB的噪聲系數(shù)，這種做法并不罕見(jiàn)。在制定性能預(yù)算時(shí)，必須把這些差異級(jí)聯(lián)起來(lái)。然而，在集成式設(shè)計(jì)中，所有關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格要么相互跟蹤，要么通過(guò)校準(zhǔn)予以排除，結(jié)果可實(shí)現(xiàn)1 dB的單一器件差異，極大地簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈差異。相比各項(xiàng)不相關(guān)的設(shè)計(jì)，這可能會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)造成重要的影響；在各項(xiàng)不相關(guān)的設(shè)計(jì)中，需要額外的系統(tǒng)增益來(lái)抵銷(xiāo)可能會(huì)增加的噪聲—會(huì)影響到最終產(chǎn)品的成本、功耗和線性度。在如圖2所示的集成式設(shè)計(jì)中，性能總差異要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不相關(guān)設(shè)計(jì)，因此，只需較小的系統(tǒng)增益。
高級(jí)校正技術(shù)
在過(guò)去，零中頻接收器通常有兩個(gè)領(lǐng)域會(huì)引起人們的擔(dān)憂。由于復(fù)合數(shù)據(jù)是用一對(duì)表示實(shí)部和虛部的實(shí)數(shù)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)生成和表示的，結(jié)果就產(chǎn)生了可能表示各信號(hào)鏈增益、相位和失調(diào)的誤差，如圖8所示。
圖8. 表示增益、相位和失調(diào)項(xiàng)的正交誤差
這些誤差在頻譜中表現(xiàn)為鏡像，也是妨礙這些架構(gòu)廣泛普及的主要原因。然而，作為一種集成式解決方案，通過(guò)模擬優(yōu)化和數(shù)字校正技術(shù)，可以輕松控制這些鏡像。圖9所示為典型的未經(jīng)校正的復(fù)合數(shù)據(jù)表示方式。在圖中可以看到LO泄漏（和直流失調(diào)）及鏡像抑制（正交誤差）。
圖9. 典型的未經(jīng)校正的LO泄漏和鏡像抑制
LO泄漏控制
LO泄漏在I或Q信號(hào)路徑中表現(xiàn)為增大的直流失調(diào)。其原因是LO直接耦合至射頻信號(hào)路徑中，并被以相干方式下變頻至輸出。結(jié)果產(chǎn)生混頻器積，表現(xiàn)為直流失調(diào)，加入信號(hào)鏈里存在的任何殘余直流失調(diào)中。優(yōu)秀的零中頻架構(gòu)不但會(huì)在初始時(shí)自動(dòng)跟蹤并校正這些誤差，還能隨時(shí)間、溫度、電源和流程自動(dòng)跟蹤和校正，結(jié)果可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于–90 dBFS的性能水平，如圖10所示。
圖10. 典型的LO泄漏控制
QEC
為了防止鏡像擾亂性能，一般會(huì)采用正交誤差校正 (QEC) 技術(shù)。圖11展示了這種功能可能產(chǎn)生的影響。在此例中，鏡像改善至優(yōu)于–105dBc的水平，超過(guò)了多數(shù)無(wú)線應(yīng)用的要求。對(duì)于LO泄漏和QEC，運(yùn)用跟蹤功能是為了確保在性能隨時(shí)間而變化時(shí)，校正能保持最新?tīng)顟B(tài)，從而保證能始終實(shí)現(xiàn)最佳性能。
圖11. LO泄漏控制條件下的典型正交校正
在無(wú)線電系統(tǒng)中，正交誤差和LO饋通非常重要。如果誤差足夠大，較大的阻波器鏡像有可能會(huì)屏蔽掉較小的目標(biāo)信號(hào)。在圖12中，一個(gè)大阻波器的鏡像出現(xiàn)在15 MHz處，同時(shí)，一個(gè)目標(biāo)信號(hào)的中心位于20 MHz。如果鏡像部分或全部落在目標(biāo)信號(hào)上，則會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)SNR下降，結(jié)果可能在解調(diào)功能里造成誤差。一般地，LTE、W-CDMA等系統(tǒng)都針對(duì)這類(lèi)鏡像設(shè)置了合理的容差，但并非完全不受影響。一般情況下，這些系統(tǒng)要求75 dBc或更好的鏡像抑制性能，如圖11所示，運(yùn)用零中頻架構(gòu)可以輕松達(dá)到并維持這一要求。
圖12. 鏡像阻礙目標(biāo)信號(hào)的示例
AD9371
零中頻發(fā)射和接收的一個(gè)典型示例是 AD9371。如圖13所示，AD9371具有極高的功能集成度，集成了雙發(fā)射、雙接收以及多種額外的功能，包括觀察和嗅探接收器、集成式AGC、直流失調(diào)校正（LO泄漏控制）、QEC等。該產(chǎn)品具有較寬的射頻覆蓋范圍，從300 MHz至6 GHz。每個(gè)發(fā)射器均可覆蓋20 MHz至100 MHz的合成帶寬，而每個(gè)接收器則能覆蓋5 MHz至100 MHz的帶寬。雖然此器件瞄準(zhǔn)的是3G和4G應(yīng)用，但也是不超過(guò)6 GHz的許多其他通用無(wú)線電和軟件定義應(yīng)用的理想解決方案。
圖13. AD9371集成式零中頻收發(fā)器
AD9371在12 mm × 12 mm的BGA封裝里集成了完整的系統(tǒng)功能，包括前面討論過(guò)的依賴(lài)于頻率的所有器件，以及所有校準(zhǔn)和對(duì)齊功能。在圖4所示接收功能的基礎(chǔ)上，圖14增加了必要的發(fā)射功能，造就了一種非常緊湊的雙收發(fā)器設(shè)計(jì)。功耗取決于確切的配置，包括帶寬和實(shí)現(xiàn)的功能，但是，AD9371的典型功耗僅為4.86 W，包括維持LO泄漏和鏡像抑制的數(shù)字功能。
圖14. 零中頻收發(fā)器的典型布局
AD9371的關(guān)鍵性能指標(biāo)
噪聲系數(shù)
圖15和圖16展示了AD9371的典型噪聲系數(shù)特性。第一張圖展示了較寬的射頻頻率，在該頻譜中，噪聲系數(shù)相對(duì)平坦。該器件的輸入結(jié)構(gòu)采用衰減器的形式，因此，對(duì)于每dB，噪聲系數(shù)增加1 dB。假設(shè)最差條件噪聲系數(shù)為16 dB，衰減為零，外部增益差異允許約4 dB的衰減，則可假設(shè)總噪聲系數(shù)為20 dB。對(duì)于一個(gè)提供至少24 dB增益的外部LNA (0.8 dB)，系統(tǒng)噪聲系數(shù)為2 dB。
圖15. AD9371噪聲系數(shù)（0 dB衰減和40 MHz帶寬）
在圖16中，噪聲系數(shù)為帶外阻塞相對(duì)于AD9371輸入的函數(shù)。設(shè)外部增益為24 dB，在相對(duì)于天線連接器–24 dBm處，會(huì)相對(duì)于該器件輸入出現(xiàn)0 dBm。如果只考慮AD9371的影響，若集成接收器下降3 dB，則噪聲系數(shù)的總體下降幅度約為1 dB。
圖16. AD9371 NF與帶外信號(hào)功率的關(guān)系
鏡像抑制
與LO泄漏類(lèi)似，接收鏡像抑制可基于圖17所示信息進(jìn)行估算。當(dāng)天線端的典型輸入電平為–40 dBm時(shí)，則可以估算出，鏡像要優(yōu)于比天線端口低80 dB或–120 dBm的水平。
圖17. 接收器鏡像抑制
結(jié)論
雖然從歷史上來(lái)看，零中頻架構(gòu)一直局限于低性能應(yīng)用，但是，AD9371一類(lèi)的新產(chǎn)品卻具有改變現(xiàn)狀的性能。這些器件不但能提供比肩中頻采樣接收器的性能，同時(shí)還要更進(jìn)一步，通過(guò)對(duì)無(wú)線電進(jìn)行分區(qū)，形成了更加強(qiáng)大的架構(gòu)，不但能降低制造成本，還能在部署后降低運(yùn)營(yíng)成本。低成本解決方案設(shè)計(jì)不再需要犧牲無(wú)線電性能，使得用戶可以集中時(shí)間和資源去開(kāi)發(fā)應(yīng)用，無(wú)需擔(dān)心無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。
參考電路
1雖然本文主要討論接收器，但對(duì)發(fā)射器同樣適用。對(duì)于發(fā)射器， 零中頻成為公認(rèn)的高性能架構(gòu)已經(jīng)超過(guò)十年。
2如本文所述，典型的零中頻接收器在同一封裝中還包括一條完整 的發(fā)射路徑 (AD9371)。
3R. H. Walden."模數(shù)轉(zhuǎn)換器調(diào)查與分析"。IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999年4月.
4Boris Murmann. "1997-2015年ADC性能調(diào)查."斯坦福大學(xué)，2015年。
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