由于新型組件的出現，我們需要對接收器架構進(jìn)行硬件比較

蜂窩網(wǎng)絡(luò )上傳送的數據像海嘯一樣洶涌奔騰，這是由利用這類(lèi)頻段訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的智能手機、平板電腦以及其他設備取得的巨大進(jìn)步引起的。這種情況已經(jīng)導致了技術(shù)要求的提高，同時(shí)還迫使供應商要降低成本。新式基站有很多形式，從傳統的機架式設備到僅需幾瓦功率就能運行的更小單元都有。在纖巧的基站中支持多個(gè)通道所需的電路采用了多種集成方法?？紤]到最近的發(fā)展，超外差式硬件和直接轉換硬件之間的差別究竟有多大?

按照大多數人的說(shuō)法，Edwin Armstrong 在 1918 年發(fā)明了超外差式接收器架構。在這類(lèi)常見(jiàn)的接收器中，射頻 (RF) 信號與本機振蕩器 (LO) 信號混合，產(chǎn)生一個(gè)中頻 (IF) 信號，然后對中頻信號解調。LO 頻率相對于 RF 載波頻率有一定的偏移，從而產(chǎn)生了該信號的鏡像信號。IF 信號通過(guò)濾波器，而其他所有鏡像信號都被濾波器抑制掉了。在新式接收器中，利用模數轉換器 (ADC) 將 IF 信號轉換為數字信號，然后在數字域解調 (參見(jiàn)圖 1)。

在過(guò)去幾十年中，無(wú)論哪一種架構都取得了持續改善。所有集成電路 (IC) 組件的性能都在不斷改進(jìn)，同時(shí)消耗的功率越來(lái)越低，需要的印刷電路板 (PCB) 面積越來(lái)越小。ADC 的分辨率和采樣率也已經(jīng)改進(jìn)，以允許帶寬更寬的信號和更高的輸入頻率。

直接轉換接收器早期的吸引力是單頻率轉換至基帶。在過(guò)去幾十年中，超外差式接收器一直使用多個(gè)降頻轉換級。隨著(zhù)混頻器和濾波器技術(shù)的改進(jìn)，多個(gè)級逐步合并，現在一個(gè)典型的超外差式接收器在模擬部分僅有一個(gè)頻率轉換級，同時(shí)在數字信號處理器中僅采用一個(gè)數字降頻轉換級。

直接轉換架構的另一個(gè)吸引人的地方是低通濾波。超外差式架構在 IF 需要一個(gè)帶通濾波器。在很多情況下，帶通濾波器采用高階或表面聲波 (SAW) 型。SAW 濾波器需要密封封裝，常常相當大而且很昂貴。盡管在 SAW 濾波器技術(shù)及封裝領(lǐng)域已經(jīng)有了很大改進(jìn)，但是低通濾波器仍然被認為更有吸引力。

要想對成本、功率和電路板空間進(jìn)行合理的比較，有必要匯總一下小型基站所用并適合 20MHz 信號帶寬的 4 個(gè)接收器通道所必需的組件。每個(gè)超外差式接收器使用一個(gè)混頻器、一個(gè)可變增益放大器、一個(gè) SAW 濾波器、一個(gè)二級 IF 放大器和一個(gè)高速 ADC。每個(gè)直接轉換接收器使用一個(gè) I/Q 解調器、兩個(gè)基帶放大器和兩個(gè)高速 ADC。用一個(gè)具體的電路板布局例子來(lái)比較這些組件估計所需的電路板空間，標稱(chēng)功耗則直接用數據表中的參數計算。預計直接轉換架構在這兩個(gè)方面的表現會(huì )好得多。

就超外差式接收器的 4 個(gè)通道而言，通常在 5mm x 5mm QFN 封裝中提供兩個(gè)混頻器，因此需要兩個(gè)這樣的雙通道混頻器器件。由于集成了用于 RF 及 LO 輸入的平衡-不平衡變換器和內部匹配組件，所以無(wú)源組件的數量是最少的，而且尺寸大多數是 0201 和 0402 型，這些因素在比較中都將忽略，因為直接轉換架構也需要這些部分。類(lèi)似地，在適合的頻率范圍內，有雙數字 VGA 可用。這樣的雙 VGA 也采用 5mm x 5mm QFN 封裝，因此也需要兩個(gè)這樣的器件來(lái)實(shí)現 4 個(gè)通道。在混頻器級之后，也許需要一點(diǎn)濾波，因此用幾個(gè) 0402 型電感器和 0201 型電容器是適宜的。為了實(shí)現所需要的選擇性，超外差式接收器需要一個(gè) SAW 帶通濾波器。4 個(gè)通道中每個(gè)都需要一個(gè)單獨的 SAW 濾波器。在 RF 頻率上，SAW 濾波器可能相當小。在 70MHz 至 192MHz 的常見(jiàn) IF 范圍內，可以見(jiàn)到采用 5mm x 7mm 封裝的 SAW 濾波器。即使之前的 VGA 輸出和之后的放大器輸入都是 50Ω，SAW 濾波器也將需要幾個(gè)匹配組件。通常情況下，還需要另一個(gè)增益級，以補償濾波器的插入損耗。不過(guò)，一種集成了放大器的新型 4 通道 ADC，即凌力爾特公司的 LTM9012-AB 微型模塊 (µModule^®) ADC 采用系統級封裝 (SiP)。該微型模塊采用 15mm x 11.25mm 封裝，與相應采用 4 個(gè)差分放大器以及有關(guān)旁路電容器和抗混疊濾波器組件的 4 通道 ADC 相比，這種微型模塊更小。LTM9012 具 20dB 增益，實(shí)現了 68.5dB 信噪比 (SNR) 和 79dB 無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)。LTM9012-AB 內部的放大器和濾波電路將輸入頻率限制到大約 90MHz。因此，70MHz IF 是適合的，而不是在基站應用中常常用超外差式接收器實(shí)現的更高的 IF。然而，這提供了最緊湊的解決方案。

LTM9012 意味著(zhù)不同的集成方式。微型模塊或 SiP 封裝允許單獨的芯片與各種不同的無(wú)源組件一起組裝在層壓襯底上，而且模制成看起來(lái)像普通球柵陣列 (BGA) 集成電路 (IC) 一樣。在這種情況下，利用幾何尺寸很小的 CMOS 工藝來(lái)優(yōu)化該 ADC，以實(shí)現低功率和良好的 AC 性能。放大器運用硅-鍺 (SiGe) 工藝制造，以最大限度地提高其性能。這些放大器是傳統的差分放大器，因此用電阻器將增益設定為 10V/V 或 20dB。真正的運算放大器輸入通過(guò)隔離高頻采樣干擾和信號通路來(lái)簡(jiǎn)化匹配，并允許單端信號與差分 ADC 輸入在內部配對。大多數具緩沖前端的單片 ADC 根本不提供增益，仍然是差分的，而且僅提供對干擾的隔離。同樣有益的是抗混疊濾波，這種濾波限制了寬帶放大器的噪聲。就電路板總體空間而言，既然所有基準和電源旁路電容器都在封裝內部，那么總體系統設計就可以排列非常緊密，而且不會(huì )損害性能。當基準和電源旁路電容器距數字信號太遠或靠近時(shí)，常常發(fā)生這類(lèi)性能損害，而性能損害又可能破壞數據轉換過(guò)程。最后，襯底允許引腳分配自然流暢：模擬輸入在封裝的一側，數字輸出在另一側。

在這個(gè)例子中，有源組件的數量是 5 個(gè)，還有 4 個(gè) SAW 濾波器和 80 個(gè)其他小型無(wú)源組件 (參見(jiàn)圖 3)?？傮w面積大約為 43mm x 21mm = 903 mm²，不過(guò)不是所有面積都利用上，所以有效面積大約是 700mm² 左右。當然，這是電路板的一側，特定公司的設計規則可能允許更緊湊的布局。就功率計算而言，這個(gè)例子用 LTC5569 作為雙通道混頻器，AD8376 作為雙 VGA，LTM9012-AB 兼作第二級放大器和 4 通道 ADC?；祛l器是有源組件，在 300MHz 至 4GHz 的寬頻率范圍內工作，因此單個(gè)器件可以配置為在 700MHz 至 2.7GHz 蜂窩頻帶的任何一個(gè)頻帶上工作。該器件具有同類(lèi)最佳功耗，還具有堅固的輸入，能承受強大的帶內阻塞干擾信號，而不會(huì )使噪聲指數顯著(zhù)劣化。4 通道系統的總體功耗為 4.9W，其中不包括電阻性分壓器中可能消耗的功率。

就 4 個(gè)直接轉換通道而言，我們僅有的選擇是獨立 I/Q 解調器，因此需要 4 個(gè)這種采用 5mm x 5mm QFN 封裝的器件。有些器件 (例如 LT5575) 有集成的 RF 和 LO 平衡-不平衡變換器，以最大限度地減少外部組件數。有一點(diǎn)濾波是有益的，當然還有一些小型旁路電容器。就低通濾波器而言，多節 L-C 和 R-C 電路就可完成任務(wù)。就增益級而言，LTM9012-AB 也是適用的。作為 4 通道器件，它僅支持兩個(gè)直接轉換通道，因此還需要第二個(gè)這樣的器件。

在這個(gè)例子中，有源組件的數量是 6 個(gè)，還有 84 個(gè)小型無(wú)源組件，參見(jiàn)圖 4?？傮w面積大約為 27mm x 24mm = 648mm²。就功率計算而言，這個(gè)例子使用 LT5575 I/Q 解調器和兩個(gè) LTM9012-AB。4 個(gè)通道的總體功耗是 5.1W，其中不包括電阻性分壓器中可能消耗的功率。不過(guò)，ADC 以 125Msps 速率采樣，該采樣率是常見(jiàn)的，但是有可能超出了 10MHz 所需。在 65Msps 采樣率時(shí)，可以在 ADC 功耗低得多的情況下實(shí)現同樣的功能。重新計算功耗，得出新的總體功耗是 4.6W。

并不算很多年以前，超外差式接收器每通道要運用多個(gè)混頻器和多個(gè) SAW 濾波器。那時(shí) SAW 濾波器的尺寸可能是 25mm x 9mm。無(wú)源核心混頻器需要額外的增益級，以抵消插入損耗。這不算久遠的歷史給人們留下的感覺(jué)是，超外差式接收器和直接轉換接收器硬件復雜性之間的差距很大。以百分數計算，用于超外差式接收器的電路板面積比直接轉換接收器的大 39%，按照這個(gè)百分數看，差別是很顯著(zhù)的，但是考慮真實(shí)的 PCB 面積時(shí)，差別就沒(méi)有這么大了。903 mm² 的 39% 是 352 mm²，大約有拇指印那么大?；诎俜謹悼?，功耗差別根本不明顯。

當然，超外差式接收器的尺寸和功率有極大弊端這種感覺(jué)是相對于基站接收器本身的總體尺寸而言的。就一個(gè)傳統的機架式系統而言，拇指大小的 PCB 面積可能不算什么。而就一個(gè)纖巧和能放入手掌中的基站而言，拇指大小的 PCB 面積就非常大了。

現實(shí)情況是，集成在繼續，有時(shí)緩慢，有時(shí)是飛躍式的。電路板空間和功耗的減少也許在更大程度上適用于一種而不是另一種架構。最近，適用于超外差式架構的例子是 LTC5569 雙通道有源混頻器等產(chǎn)品。本文作者尚不知道，有任何雙通道 I/Q 解調器可用于蜂窩基站應用，盡管適用于頻率范圍較低的其他應用之這類(lèi)解調器確實(shí)存在。最近適用于兩種架構的集成例子是集成了放大器的 LTM9012 四通道 ADC。該器件的 LVDS 串行接口不僅允許 ADC 更小，而且可允許現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 或數字信號處理器 (DSP) 也比具并行接口的 4 通道 ADC 所用的小。不過(guò)，直接轉換架構仍然需要兩倍數量的 ADC。

以上探討的例子假設，蜂窩基站的性能要求是整個(gè)鏈路都需要高性能組件。例子中所用產(chǎn)品運用了優(yōu)化的半導體工藝，例如硅鍺 (SiGe) 或互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 工藝，如果不優(yōu)化，那么使用這些工藝不可能實(shí)現相互集成，或者至少不會(huì )沒(méi)有性能惡化。某些尺寸基站的性能要求也許是，允許使用高度集成的單芯片收發(fā)器，例如毫微微蜂窩。這類(lèi)芯片中集成模塊的改進(jìn)將允許該類(lèi)芯片應用于較大型的基站。在這里，這兩種架構遇到了一個(gè)障礙：信號濾波器。直接轉換接收器使用的低通濾波器能在芯片中實(shí)現。迄今為止，超外差式架構中使用的帶通濾波器已經(jīng)證明極難在芯片中實(shí)現。這是當下的現實(shí)情況，但未必是永久性的障礙。也許有一天，技術(shù)突破會(huì )發(fā)生，內置的高度選擇性帶通濾波器變得可行了。直到這時(shí)，直接轉換接收器架構有一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢，因為有可在性能允許的情況下集成整個(gè)接收器鏈路。

面向基站的直接轉換接收器架構比超外差式接收器架構簡(jiǎn)單，至少就硬件而言是這樣。最近出現的產(chǎn)品允許實(shí)現比以前小得多的多通道超外差式接收器。盡管基于百分比的比較來(lái)看尺寸仍然較大，但是差別也許并不顯著(zhù)。因此，超外差式架構有望繼續成為蜂窩基站首選接收器架構。