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如何使用零中频来降低PCB占用空间和成本?

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了解如何使用零中频架构为RF应用设计更高效的设计。

介绍

从收音机的早期开始,零中频(ZIF)架构就已存在。如今,ZIF架构几乎可以在所有消费类无线电中找到,无论是电视,手机还是蓝牙技术。这种广泛采用的关键原因是它已经一次又一次地证明在任何无线电技术中都能提供成本最低,功耗最低,占地面积最小的解决方案。从历史上看,这种架构已经被要求保留高性能的应用程序。然而,随着我们周围无线网络需求的增长以及快速拥挤的频谱,需要进行变革,以便继续在支持我们无线需求的基础设施中经济地部署无线电。当前的零中频架构可以满足这些需求,因为通常与这些架构相关的许多损伤都是通过过程,设计,分区和算法的组合来解决的。ZIF技术的新进展挑战了当前的高性能无线电架构,并推出了具有突破性性能的新产品,以实现以前ZIF无法实现的新应用。本文将探讨ZIF架构的诸多优势,并介绍它们为无线电设计带来的新级别性能。

 

无线电工程师面临的挑战

今天的收发器架构师受到我们对无线设备和应用不断增长的需求驱动的不断增长的需求列表的挑战。这导致不断需要访问更多带宽。

多年来,设计师从单载波无线电转向多载波。当频谱在一个频段中完全占用时,分配新的频段; 现在必须提供40多个无线频段。由于运营商拥有多个频段的频谱并且必须协调这些资源,因此趋势是向载波聚合,并且载波聚合导致多频带无线电。这一切都导致更多的无线电,具有更高的性能,需要更好的带外抑制,改善的发射和更低的功耗。

虽然对无线的需求正在迅速增加,但功率和空间预算却没有。事实上,随着对电力和空间节约的需求不断增加,减少碳足迹和物理足迹非常重要。为了实现这些目标,需要有关无线电架构和分区的新观点。

 

积分

为了增加特定设计中的无线电数量,必须使每个无线电设备的占地面积更小。传统的方法是逐步将越来越多的设计集成到单个硅片上。虽然从数字角度来看这可能是有意义的,但为了集成而集成模拟功能并不总是有意义的。一个原因是无线电中的许多模拟功能无法有效集成。例如,传统的IF采样接收器如图1所示.IF采样架构有四个基本阶段:低噪声增益和RF选择性,频率转换,IF增益和选择性以及检测。对于选择性,通常使用SAW滤波器。这些器件无法集成,因此必须在芯片外。虽然RF选择性由压电或机械设备提供,但偶尔LC滤波器用于IF滤波器。虽然LC滤波器有时可能集成在单片结构上,但滤波器性能(Q和插入损耗)以及数字转换器(探测器)的采样率所需的增加都会增加整体耗散。

数字化器(模数转换器)必须在低成本CMOS工艺上完成,以保持成本和功率合理。虽然它们当然可以在双极性工艺上制造,但这会导致更大和更耗电的器件,这与尺寸优化相反。因此,标准CMOS是此功能的理想过程。这成为高性能放大器集成的挑战,特别是IF级。虽然放大器可以集成在CMOS工艺上,但很难获得针对低功耗和低电压优化的工艺所需的性能。此外,将混频器和IF放大器集成在芯片上要求级间信号在芯片外部路由以在数字化之前访问IF和抗混叠滤波器,从而实现了集成的许多好处。这样做会对集成产生反作用,因为它会增加引脚数和封装尺寸。另外,每次关键模拟信号通过封装引脚时,都会降低性能。

 

图1.传统IF采样接收器

 

集成的最佳方式是重新分区系统以消除无法集成的项目。由于SAW和LC滤波器无法有效集成,因此最好的选择是确定如何通过重新架构来摆脱它们。图2显示了典型的零中频信号链,它通过将RF信号直接转换为复杂的基带来实现这些目标,完全不需要IF滤波器和IF放大器。通过在I / Q基带信号链中引入一对低通滤波器来实现选择性,该信号链可以集成为有源低通滤波器,而不是片外有损固定IF器件。传统的IF SAW滤波器或LC滤波器本质上是固定的,而这些有源滤波器通常可以从数百kHz范围到数百兆赫兹进行电子调谐。

 

图2.典型的零中频采样接收器。

 

虽然图中不直观,但零中频接收器也可以通过改变本地振荡器来覆盖非常广泛的RF频率范围。零中频收发器提供真正的宽带体验,典型覆盖范围从几百兆赫到大约6 GHz不等。没有固定滤波器,真正灵活的无线电是可能的,大大减少并可能消除开发无线电设计的频带变化所需的努力。由于具有灵活的数字转换器和可编程基带滤波器,零中频设计不仅可以提供高性能,而且在采用各种频率和带宽方面具有显着的灵活性,同时保持几乎平坦的性能,而无需优化模拟电路(如滤波器) ICfans)为每个配置 - 真正的软件定义无线电(SDR)技术。通过消除必须覆盖多个频带的应用的滤波器组,这也极大地减少了占用面积。在某些情况下,可以完全消除RF滤波器,引入完全宽带无线电,几乎不需要改变频带。通过消除某些器件和集成其他器件,零中频设计所需的PCB占位面积大大减少,不仅简化了再加工过程,而且还减少了在需要时更改外形尺寸的工作量。

 

最小的足迹

直接比较每种架构的PCB面积(图3和图4)表明,对于双接收路径,合理实现的相应PCB面积为IF采样提供2880 mm2(18 mm×160 mm)和1434 mm2(18 mm×80 mm),用于零中频采样。不计算RF滤波器的潜在消除和其他简化,2与现有的IF采样技术相比,零中频架构可以将无线电占用空间减少多达50%。下一代设计可以通过额外的集成来加倍节省这些成本。

 

图3.典型的IF采样布局

 

图4.典型的零中频采样布局

最低成本

从直接物料清单的角度来看,从IF采样系统转向零IF架构时的节省是33%。成本分析总是很困难。然而,对图1和图2的全面检查表明,许多离散项目已被消除,包括IF和抗混叠滤波,以及混频器和基带放大器的集成。不明显的是,由于零中频接收器固有地提供传统IF采样架构中未提供的带外抑制,因此大大降低了整体外部滤波要求。零中频架构中有两个贡献者可以推动这一点。第一种是有源基带滤波器,它提供带内增益和带外抑制。第二种是用于数字化I / Q信号的高采样率低通Σ-Δ转换器。

 

图5.有源基带滤波器和ADC

 

通过将基带信号应用于有源滤波器,如图5所示,滚降高频内容。然后,ADC将数字化并最终滤除低通滤波器的任何残余输出。级联结果如图6所示。该图显示了有源滤波器和Σ-ΔADC的复合效应对典型接收器性能的影响。这里显示的是带内和带外功率的典型3 dB灵敏度。注意在没有任何外部过滤的情况下改善带外性能。

对于类似的性能水平,IF采样接收器依靠离散IF滤波(如SAW技术)来提供选择性和保护带外信号,并防止宽带信号混叠,并防止频带混叠等噪声。IF采样架构还必须受到保护,以免受其他不需要的混频器条款的影响,包括半IF项,这会驱动额外的RF和IF滤波要求,并限制采样率和IF规划。零中频架构没有这样的频率规划限制。

 

图6.典型的零中频带外抑制

 

根据设计和应用,这种原生拒绝减少或消除了外部RF滤波要求。由于省略,因此可以直接节省,因为根据类型,外部RF滤波器可能相对昂贵。其次,去除这些有损耗器件可以消除RF增益级,不仅可以节省成本,还可以降低功耗并提高线性度。所有这些都增加了重新分区和智能集成带来的节省。

如上所述,很难评估成本,因为这在很大程度上取决于数量和供应商协议。但是,详细的分析表明,零中频架构通常可以通过集成,消除和减少需求的影响将整个系统成本降低⅓。重要的是要记住这是系统成本而不是设备成本。由于更多功能被放置在更少的设备中,因此一些设备成本可能会增加,同时整体系统成本会降低。

除了材料成本之外,集成的零中频接收器还涉及其他一些领域。由于集成系统减少了系统中的设备数量,因此装配成本较低且工厂产量较高。由于分立器件较少,因此对准时间较短。这些项目共同降低了工厂成本。

由于零中频接收器是真正的宽带,因此工程成本降低到了再生。在IF采样系统中必须仔细选择IF频率,但对于零IF系统,不需要仔细规划。可以通过改变本地振荡器来增加新的频带。另外,因为当使用零IF时许多应用不需要外部RF滤波器,所以可能导致进一步的简化。总体而言,在考虑零中频解决方案时,如果考虑直接成本以及上述制造和工程成本,则可以节省大量成本。

 

功率最低

简单地采用如图1所示的架构并将其直接集成到片上系统中将不会节省功耗或成本。通过选择可针对其目标进程进行优化的高效架构来节省功耗。像所示的IF采样接收器这样的架构涉及许多高和中频率,这些频率难以在低成本过程中扩展,因此需要耗散大量功率来支持所需的频率。但是,如图2所示的零中频架构可以立即降低对直流(基带)感兴趣的频率,从而可以实现最低频率的电路。

类似地,在问题上抛出带宽也是低效的。直接RF采样等架构可提供宽带宽,并具有很大的灵活性。但是,如Walden3和Murmann所记录的那样,为系统增加带宽总能为问题增加额外的功能

除非需要原始带宽,否则单独解决带宽问题并不能为大多数接收器应用提供经济的解决方案。来自这些长期研究的数据显示了转换器开发的两个区域。技术前沿文件在技术上取得进步,以动态范围和带宽的形式提供核心交流性能的显着提高。架构前端文档在整体核心架构效率方面取得了进步。通常,曲线首先向右移动,然后在设计优化时向上移动。对于通信应用,操作趋向于沿着技术前沿,其中线路的斜率在转换器效率每十倍降低约10dB,如图7所示。在该斜率处,带宽加倍导致耗散约三倍的功率。然而,

 

图7.核心ADC技术的品质因数图

 

关注功率的应用的结论是,最低功率解决方案是针对应用优化带宽和采样率的解决方案。采用Σ-Δ转换器的零中频采样针对此类应用进行了优化。根据具体实现,与IF采样架构相比,实现零中频接收器的功率节省可降低50%或更多,与直接RF采样相比可降低120%。

权力也与成本直接相关。不仅更高的功率驱动更昂贵的封装和电源产生,而且每瓦特耗电,每千瓦每小时12美分,每年每瓦特的运行成本超过1美元。鉴于许多电子设备的低成本,运行它们一年的能力很容易超过它们的直接成本。因此,随着集成无线电解决方案的选择变得可用,对成本和功率敏感的应用必须谨慎选择权衡。选择不必要地增加功耗的架构不仅可以增加功率,还可以影响解决方案的长期运营成本。

 

性能增强

对于无线电设计,有许多关键指标被认为是重要的。这些包括噪声系数(NF),线性度(IP3,IM3),脱敏和选择性等规格。除了正常的无线电规范外,还有其他一些重要的规范,但这些规范通常对大多数用户都是隐藏的。这些包括规格分布和漂移随时间,供应,温度和过程的变化。零中频架构满足无线电设计的这些和其他关键要求。

 

按温度,供应和过程进行跟踪

完全集成的收发器架构的一个好处是,设备匹配对于正确设计的无线电可以更好,而不仅仅是最初,但设备可以在正确设计时有效地跟踪过程,温度,电源和频率。利用通常嵌入在这些集成解决方案中的信号处理技术,可以容易地消除任何残余的不匹配。虽然这是IC设计的典型特征,但无线电集成的不同之处在于,由于所有频率相关项都采用零中频设计,因此也可以跟踪它们。如图1所示的典型无线电包括芯片外的IF滤波器。IF滤波器的特性将随时间,温度或器件与器件的变化而变化,这与芯片上的任何事物都不相关,无法遵循。然而,集成滤波器的主要优点之一是,由于它是由片上器件构成的,因此器件可以按比例缩放或制造成相互跟踪以保持性能稳定。那些无法通过设计稳定的物品可以很容易地进行校准。最终结果是,在预算设备变化时,与所有设备不相关的分立设计相比,所需的余量要小得多。

例如,为混频器,IF滤波器,IF放大器和ADC分配1 dB的NF变化并不罕见。在制定预算时,必须对这些变化进行级联。但是,在集成设计中,所有关键规范要么相互跟踪,要么进行校准,结果是1 dB的单个器件变化大大简化了信号链的变化。与具有不相关项的设计相比,这可能对设计产生重大影响,否则这些设计需要额外的系统增益来抵消最终产品的噪声影响成本,功率和线性度的潜在增加。在如图2所示的集成设计中,性能的总变化远小于不相关的设计,因此需要较小的系统增益。

 

高级校正技术

零中频接收器通常有两个在过去引起关注的区域。因为生成复杂数据并用表示实部和虚部的一对实际级联网络表示,所以生成表示各个信号链的增益,相位和偏移的误差,如图8所示。

 

图8.显示增益,相位和偏移项的正交误差。

 

这些错误表现为频谱中的图像,并且通常阻止这些架构被更广泛地采用。然而,作为集成解决方案,这些伪像可以通过模拟优化和数字校正轻松控制。图9显示了复杂数据的典型未校正表示。这里可以看到LO泄漏(和直流偏移)和图像抑制(正交误差)。

 

图10.典型LO泄漏控制

 

QEC

为防止图像破坏性能,通常会实现正交误差校正(QEC)。图11显示了此功能可以产生的影响。在此示例中,图像改善至优于-105 dBc,这对于大多数无线应用来说已足够。对于LO泄漏和QEC,采用跟踪来确保随着时间的推移性能变化,校正保持最新状态,确保始终实现最佳性能。

 

图11.具有LO泄漏控制的典型正交校正

正交误差和LO馈通在无线电系统中很重要。如果误差足够大,大阻塞的图像可能会掩盖较小的所需信号。在图12中,大阻塞器的图像下降到15MHz,而期望的信号中心为20MHz。如果图像部分或全部落在所需信号上,则会降低所需信号的SNR,从而可能导致解调误差。通常,诸如LTE和W-CDMA之类的系统对这些类型的图像具有合理的容限但不完全免疫。通常,这些系统需要75 dBc或更高的镜像抑制,如图11所示,很容易满足并使用零中频架构进行维护。

 

图12.阻塞所需信号的图像示例

 

AD9371

AD9371 IC是零中频发送和接收的典型示例  。如图13所示,AD9371提供高水平的集成功能,包括双发射,双接收以及附加功能,包括观察和嗅探器接收器以及集成AGC,直流偏移校正(LO泄漏控制)和QEC。该产品提供300 MHz至6 GHz的宽RF覆盖范围。每个发射机可以覆盖20 MHz至100 MHz的合成带宽,而每个接收机能够在5 MHz至100 MHz之间。虽然该器件针对3G和4G应用,但它是许多其他通用无线电和高达6 GHz的软件定义应用的理想解决方案。

 

图13. AD9371集成的零中频收发器

 

AD9371提供完整的系统集成,包括前面讨论的所有频率相关器件以及12 mm×12 mm BGA封装中的所有校准和对准功能。添加到图4中的接收功能,图14包括占位面积所需的传输功能,以产生非常紧凑的双收发器设计。功耗取决于具体配置,包括带宽和功能,但AD9371的典型功耗仅为4.86 W,包括保持LO泄漏和镜像抑制的数字功能。

 

图14.典型的零中频收发器布局。

 

关键AD9371性能

噪音图

图15和图16显示了AD9371的典型NF特性。第一个图显示了RF频率的广泛扫描,并且NF在该频谱中相对平坦。该器件的输入结构采用衰减器的形式,因此NF增加dB为dB。假设最坏情况的NF为16 dB,零衰减,对外部增益变化允许大约4 dB衰减,可以假设总NF为20 dB。提供至少24 dB增益的外部LNA(0.8 dB)将提供2 dB的系统NF。

 

图15. AD9371 NF具有0 dB衰减和40 MHz BW

 

图16显示了NF作为带外阻塞相对于AD9371输入的函数。假设24 dB的外部增益,相对于该设备的输入,0 dBm将发生在相对于天线连接器的-24 dBm处。仅考虑AD9371的影响,对于集成接收器的3 dB降级,整体NF降级约为1 dB。

 

图16. AD9371 NF与带外信号功率

图像拒绝

与LO泄漏类似,接收图像抑制可以通过图17中的信息进行估算。天线的典型输入电平为-40 dBm,相对于天线,图像估计优于80 dB或-120 dBm。天线端口。

 

图17.接收器镜像拒绝

 

结论

虽然历史上零中频架构仅限于低性能应用,但AD9371等新产品将零中频架构扩展到高性能应用。这些设备不仅提供符合IF采样接收器的性能,而且还通过重新分配无线电而更进一步,从而创建更强大的架构,不仅降低了制造成本,而且降低了部署后的运营成本。低解决方案成本设计不再需要牺牲无线电性能,使用户能够将时间和资源集中在开发应用而不是无线电实施上。