零中频架构在无线电设计中的优势

零中频(ZIF) 架构自无线电初期即已出现。如今，ZIF架构可以在几乎所有消费无线电应用中找到，无论是电视、手机，还是蓝牙? 技术。之所以得到如此广泛的普及，主要是因为经验一再地证明了，在任何无线电技术中，该架构具有最低的成本、最低的功耗和最小的尺寸等优势。从历史上来看，该架构在要求高性能的应用中运用较少。然而，在无线连接需求不断增长、频谱变得日益拥挤的情况下，就需要改变现状，以便在基础设施中继续经济地部署无线电技术，为我们的无线需求提供支撑。当代的零中频架构可以满足这些需求，因为这些架构面临的诸多普遍性缺陷已通过工艺、设计、分区和算法的组合得到克服。ZIF技术取得的最新进步对现有高性能无线电架构形成了挑战，其带来的新产品取得了性能上的突破，能够实现ZIF技术以前望尘莫及的新型应用。本文将探讨ZIF架构的诸多优势，介绍这些优势可使无线电设计性能达到的新高度

不断增多的需求给当今的收发器架构师带来了挑战，因为我们对无线设备和应用的需求呈持续增长之势。结果，消费者需要持续访问更多的带宽

数年以来，设计师已经从单载波无线电走向多载波无线电技术。当一个频段的频谱被全部占用时，就分配新的频段；目前，必须为40多个无线频段提供服务。由于运营商在多个频段都有频谱，并且这些资源必须协调起来，所以，如今的趋势是走向载波聚合，而载波聚合则会导致多频段无线电。这又会带来更多的无线电，其性能更高，需要更优秀的带外抑制性能，更出色的辐射性能，以及更低的功耗水平。

虽然无线需求在快速增长，但功耗和空间预算并未增长。事实上，在功耗和空间节省需求不断增强的条件下，同时降低碳排放和物理尺寸非常重要。为了实现这些目标，需要从新的视角去认识无线电架构和分区。

为了增加特定设计中的无线电数目，必须减小每件无线电器件的尺寸。传统方法是逐步把更多的设计集成到一片硅片当中。虽然从数字角度来看，这样做可能是合理的，但是，为了集成而集成模拟功能的做法不见得有意义。其中一个原因是，无线电中的许多模拟功能是无法有效集成的。例如，在图1所示的传统中频采样接收器中，中频采样架构有四个基本级：低噪声增益和射频选择级、频率转换级、中频增益和选择级以及检测级。选择级一般使用SAW滤波器这些器件都不能集成，因此，必须部署在片外。虽然射频选择级是由压电或机械器件提供的，但有时中频滤波器会使用LC滤波器。尽管LC滤波器有时可能会集成到单片结构中，但是，滤波器性能的牺牲（Q和插入损耗）以及数字化器（检波器）采样速率必要的增加会提高总功耗。

数字化器（模数转换器）必须以低成本CMOS工 艺制成，以使 成 本和功耗保持于合理水平。当然可以用双极性工艺制造，但结果会导致器件尺寸和功耗的增加，有悖于优化尺寸的初衷。所以，标准CMOS工艺是这种功能的最佳制造工艺。这就为集成高性能放大器，尤其是中频级，造成了极大的挑战。虽然CMOS工艺可以集成放大器，但是很难从针对低功耗和低电压而优化过的工艺中取得需要的性能。另外，在片上集成混频器和中频放大器要求把级间信号路由到片外，以便访问中频和抗混叠滤波器，然后再数字化，因而失去了集成的诸多优势。这样做就达不到集成的目的，因为结果会增加引脚数和封装尺寸。另外，关键的模拟信号每次通过一个封装引脚时，就会牺牲一些性能。

图1. 传统型中频采样接收器

最佳集成方式是对系统分区，消除不能集成的元件。由于不能有效地集成SAW和LC滤波器，所以，最佳选择是确定如何通过重新设计架构来消除它们。图2展示了一个典型的零中频信号链，它把射频信号直接转换为一个复合基带，完全消除了中频滤波器和中频放大器的必要性，结果实现了这些目标。选择级则通过在I/Q基带信号链里引入一对低通滤波器的方式予以实现，这对滤波器可以作为有源低通滤波器而非功耗较高的片外固定中频器件集成。传统型中频SAW滤波器或LC滤波器天生就是固定型器件，而这些有源滤波器则可以电子方式，在数百kHz至数百mHz的范围内调谐。改变基带带宽就能使同一器件覆盖范围更宽的带宽，无需改变物料清单，也不用在不同的固定中频滤波器之间来回切换。

图2. 典型的零中频采样接收器