零中频的优势： PCB 尺寸减小 50% ， 成本降低三分之二

最小的尺寸

通过直接比较这些架构的PCB面积（图3和图4）可知，对于双接收路径，在合理实现方式下，中频采样和零中频采样的PCB面积分别为2880mm2 (18 mm × 160 mm)，和1434 mm2 (18 mm × 80 mm) 。如果不算可能消除的射频滤波器和其他简化设计，2零中频架构有可能比当前的中频采样技术减少最高达50%的无线电尺寸。未来的设计有可能通过额外的集成，使尺寸再减少一倍。


图3. 典型的中频采样布局


图4. 典型的零中频采样布局

最低成本

直接从物料清单来看，从中频采样系统转向零中频架构可节省33%的物料。成本分析始终都是非常困难的。然而，深入考察图1和图2可知，许多分立式元件均已消除，包括中频和抗混叠滤波元件，并且混频器和基带放大器均已集成。不明确的是，由于零中频接收器本身具有传统中频采样架构不具备的带外抑制功能，所以，整体外部滤波要求就大幅降低了。零中频架构中两个元件促成了这一结果。第一个元件是有源基带滤波器，该滤波器同时具备带内增益和带外抑制功能。第二个元件是高采样速率低通Σ-Δ转换器，用于对I/Q信号进行数字化。有源滤波器减少了带外元件，而ADC的高采样速率则使混叠点提高到足够高的频率，从而消除了外部抗混叠滤波元件的必要性（因为有源滤波器已经充分地抑制了信号）。


图5. 有源基带滤波器与ADC

通过把基带信号施加到有源滤波器上，如图5所示，可以滚降高频内容。然后，ADC对来自低通滤波器的任何残余输出信号进行数字化和最终滤波。级联结果如图6所示。此图所示为在有源滤波器和Σ-Δ ADC复合效应作用下的典型接收器性能。这里展示的是带内和带外功率灵敏度降低3 dB的典型情况。注意，在不使用任何外部滤波元件的情况下，带外性能有所改善。

为了获得类似的性能水平，中频采样接收器采用分立式中频滤波元件（如SAW技术）来实现选择性和带外信号保护功能，以防止宽带信号混叠和噪声混叠回频段等问题。中频采样架构还必须采取其他无用混频器项的保护措施，包括半中频项，该项会提高射频和中频滤波要求并限制采样速率和中频规划。零中频架构不存在这种频率规划限制。


图6. 典型的零中频带外抑制

根据设计和应用的不同，这种原生抑制功能可以降低或消除外部射频滤波要求。通过省去这些元件可以直接节省成本，因为根据类型的不同，外部射频滤波器可能比较昂贵。另外，移除这些损耗性的器件有助于消除射频增益级，结果不但能节省成本，同时还能降低功耗、提高线性度。所有这些都可进一步增强分区和智能集成的优势。

如前所述，成本的估算非常难，因为这在很大程度上取决于产量和与供应商签订的协议。然而，详细分析显示，通过集成、消除部分元件、降低要求，零中频架构最高可使系统总成本降低三分之一。需要记住的是，这是系统成本，不是器件成本。由于更少的器件要承载更多的功能，所以在系统总成本减少的情况下，有些器件成本可能会增加。

除了材料成本以外，集成式零中频接收器还有一些其他优势。由于集成式系统可以减少系统中的器件数量，所以其装配成本较低，工厂良品率较高。由于分立式器件数量变少，所以对齐时间也会变短。这些因素相加，可降低工厂成本。

由于零中频接收器是名符其实的宽带，所以，调整频段的工程成本也减少了。在中频采样系统中，必须慎重选择中频频率，但对于零中频系统，则无需进行谨慎的规划。基本上通过更改本振就可以添加新的频段。另外，由于在使用零中频时，许多应用并不要求外部射频滤波器，所以，结果可能实现进一步的简化。整体而言，对于零中频解决方案，如果考虑直接成本以及上面列出的制造成本和工程成本，其成本节省优势是非常可观的。

最低功耗

如果只是采用图1所示架构，并直接将其集成到片上系统中，结果并不会带来功耗和成本上的优势。要节省功耗，就要选择高效的架构，该架构能针对目标工艺进行优化。类似于图中所示中频采样接收器的架构涉及到大量的高频和中频频率，难以在低成本工艺的基础上进行扩展，因此，要消耗大量功率以支持所需频率。然而，如图2所示的零中频架构能立即降低至直流（基带）的目标频率，因而可以实现频率最低的电路。

类似地，通过带宽来解决这个问题也是非常低效的。类似于直接射频采样的架构可提供较宽的带宽，并且具有极大的灵活性。然而，据Walden3 和 Murmann.4在文中所述，增加系统带宽始终都会提高功耗。

除非需要原始带宽，否则，对多数接收器应用来说，仅仅通过带宽来解决这个问题并不是一种经济的解决方案。这些长期研究的数据表明，转换器的发展有两个方面值得关注。技术面取得了一些进步，能以动态范围和带宽的形式显著提高内核的交流性能。架构面在内核架构的整体效率方面有所进步。一般地，曲线先是向右移动，然后随着设计的优化，开始向上运动。对于通信应用，操作趋向沿技术面进行，其中，从线条斜率来看，转换器效率大约下降了10 dB/十倍频程，如图7所示。在此斜率下，使带宽增加一倍会导致功耗增加两倍。然而，在把这些内核集成到功能器件中之后，效率就有所改善，当其靠近架构面时，功率损失接近2。


图7. 内核ADC技术的品质因数4

对于关心功耗的应用来说，结论是，功耗最低的解决方案是带宽和采样速率均针对应用而优化过的解决方案。搭载Σ-Δ转换器的零中频采样设计就针对这类应用进行了优化。依据具体的应用，采用零中频接收器比中频采样架构可节省50%或以上的功耗，比直接射频采样可节省高达120%的功耗。

功耗还与成本直接相关。更高的功耗不但会提高封装成本和电源成本，而且对于电路消耗的每瓦特功率（设电费为12美分/千瓦时），每年每瓦特的运营成本会超过1美元。鉴于许多电子器件成本较低，其一年的运行成本就可能轻松超过其直接成本。因此，随着集成式无线电解决方案选项的推出，对成本和功耗敏感的应用必须选择谨慎地做出权衡。选择会不必要地增加功耗的架构，结果不但会增加功耗，还可能会影响解决方案的长期运行成本。