《正交振荡器的分析与设计（Analysis And Design Of Quadrature Oscillators）》中的研究内容介绍
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日期：2021-10-21
《正交振荡器的分析与设计（Analysis And Design Of Quadrature Oscillators）》的研究内容介绍
本书的研究背景和动机
对无线通信的巨大需求导致了对无线发射机和接收器的新要求。需要具有最小面积的紧凑型电路，以减少设备的尺寸和成本。因此，我们需要一个非常高度的集成，如果可能的话，在单个芯片上集成收发信机，要么没有或有较少数量的外部组件。除面积和成本外，降低供电电压和功耗[也非常重要。数字信号处理技术对无线应用有很大的影响。数字信号处理与数字数据传输一起允许使用高度复杂的调制技术、复杂的解调算法、错误检测和校正以及数据加密，从而导致通信质量的要求大大提高。由于数字信号比模拟信号更容易处理，人们努力通过尽可能多地移动到数字域来最小化收发信机的模拟部分。
现代无线通信系统的模拟前端负责天线与数字部分之间的接口。接收机的模拟前端是至关重要的，它的功能模块的规格比发射机的更严格。有两种基本的接收机前端结构：超外差，具有一个或一个以上的中频(IF)；零中频，即无中频。到目前为止，超外差方法占主导地位，但零中频方法在研究领域停留了很长一段时间后，现在已经成为一种可行的替代。
超外差接收器的主要缺点是，所需的信号和镜像频带中的扰动都被降频转换为中频。当高质量射频时，超外差接收机比零中频接收机具有更好的性能，因为在超外差接收机的射频部分可以使用镜像抑制和中频信道滤波器。然而，这种滤波器只能在芯片外实现（到目前为止），而且它们很昂贵，并且需要较高的中频频率，因为当镜像频段接近期望频率时，镜像抑制射频滤波器的实现是不可行的。
零中频接收器不存在镜像问题，因为射频信号被直接转换到基带(BB)，没有任何IF。因此，克服了超外差方法的主要缺点（镜像干扰和使用外部滤波器），允许实现一个高度集成、低面积、低功耗和低成本的接收机。然而，零中频接收器对寄生基带扰动和1/f噪声非常敏感。正交误差引入了接收信号的I（同相）和Q（正交）分量之间的串扰，再结合加性噪声从而增加了误码率(BER)。
一种非常有趣的接收器方法，它结合了零差和外差接收机的最佳特征，是低中频接收器。这基本上是一个外差接收器，使用特殊的混合电路来抵消镜像频率。由于不需要镜像抑制滤波器，因此有可能使用低IF，允许将整个系统集成到单个芯片上。低中频接收机中集成了一个中频信道选择滤波器，因为它工作在一个相对较低的频率上，因此可以集成在芯片上，有时甚至可以是数字滤波器。镜像抑制依赖于镜像混频的质量，这依赖于I（同相）和Q（正交）分量之间的正交匹配和LO（局部振荡器）的正交精度要求。因此，非常精确的正交振荡器对于低中频接收器是必不可少的。
传统的外差结构，具有高IF，使合理功耗规格的模拟数字转换器(A/D)规格非常难以满足；因此，必须在模拟领域进行向基带的转换。在低IF体系结构中，对两个下转换的信号进行数字化和数字化频率转换，得到基带，如下图所示。
图1、低中频接收机（简化方框图）
获得两个求交信号的最常用的电路具有开环结构，其中误差直接传播到输出。实现这种结构的例子包括：
1.无源电路产生相移(RC-CR网络)，其中相位差和增益是与频率相关的。
2.振荡器在所需频率的两倍频下工作，然后是一个分频器；这种方法导致了高功耗，并降低了最大可实现的频率。
3.在输入处具有内相位信号的积分器，然后用比较器获得求交信号（与积分器输出的零交叉对齐）；这有两个信号路径不同从而会导致IQ分量正交失配的缺点。
近年来，在具有精确正交输出的振荡器的研究上投入了大量的努力。弛豫（Relaxation）和LC振荡器，当交叉耦合（使用反馈结构）时，能够提供正交输出。在这本书中，对这些振荡器的深入研究，以了解它们的关键参数，如相位噪声和正积误差。
弛豫（Relaxation）振荡器相对于LC振荡器已经被忽略了，因为它被广泛认为在相位噪声方面是一个性能较低的振荡器。虽然这是正确的单个振荡器，它不是交叉耦合振荡器。
在这项工作中，我们考虑了LC振荡器的替代方案，并研究了它们的优点和局限性。我们对弛豫（Relaxation）振荡器的关键参数进行了详细的研究，表明由于交叉耦合，可以降低振荡器的相位噪声，使不匹配效应成为二阶效应，从而提高了正交关系的精度。我们表明，虽然独立的LC振荡器具有很好的相位噪声性能，但当有交叉耦合时，这种性能会下降。
除了这两种类型的正交振荡器外，我们还研究了第三种类型的振荡器：双积分振荡器。虽然在之前的情况下，我们有两个具有耦合的振荡器来提供正交输出，但这个振荡器能够提供固有的正交输出，其相位噪声与弛豫振荡器相当。这种振荡器的主要优点是它广泛的调谐范围，在实际实现(在GHz范围内)可以实现10倍频程。
混频器负责频移、上转换和下转换，直接影响收发器的全局性能。无论是在外差或零差结构中，它们已经被实现为来自振荡器的独立电路。到目前为止，混频器电路的发展本质上是由于半导体行业的技术进步。在这里，我们证明了将混频功能集成在正交混频器中是可能的。这种方法具有节省芯片面积和功耗的优势，导致了更多的比用单独的正交振荡器和混频器得到的更精确的正交输出信号。我们研究了混频功能对振器性能的影响，并通过测量证实了振荡器-混频器的概念。然而，这本书的主要重点是在振荡器：包含混频功能仍需要进一步的研究。
在本工作中，我们详细研究了上述三种正交振荡器，并评估了它们的相对优缺点。提供了仿真结果和实验结果，验证了理论分析。
本书的组织框架
这本书分8章组成。在此之后，我们在第二章中介绍了射频前端及其主要功能模块：我们描述了基本的接收机和发射机结构，然后我们关注振荡器和混频器的基本知识，最后，我们回顾了生成正交信号的传统技术。在第三章中，我们研究了正交弛豫振荡器，其中我们考虑了它们的关键参数：振荡频率、信号振幅、正交关系和相位噪声。我们使用一种结构化的方法，从考虑一个高水平的振荡器开始，使用理想的功能模块，然后我们继续在电路水平上进行分析。我们给出了仿真结果来证实其理论分析。
第四章分析了正交弛豫振荡器-混频器。我们首先在高水平（结构化方法）上评估电路，推导出振荡混频器的振荡频率和正交误差之间的关系方程。我们证明了我们可以在电路反馈回路中注入调制信号，并解释了射频信号应该在哪里以及如何注入，以保持正交关系。仿真结果验证了理论结果的有效性。
第五章从振荡频率、信号振幅、IQ正交性和相位噪声等方面研究了正交LC振荡器。我们研究了注入信号来执行混频功能的可能性。
在第六章中，我们研究了双积分器振荡器。我们从一个高级的描述进行到电路的实现，并给出了仿真结果。我们还展示了在这个振荡器中执行混频功能的可能性。
在第七章中，我们提出了几种电路实现，以提供理论结果的实验确认：
–一个2.4GHz正交弛豫振荡器和一个1GHz正交LC振荡器；
–两个5GHz正交振荡器，一个是基于RC架构和另一个基于LC架构，设计适合于比较研究；
–一个5GHz的RC振荡混频器（第4章的研究说明）。
在第八章中，我们提出了这些结论，并提出了未来的研究方向。
在附录中，我们描述了上述原型的测量设置。
本书的主要贡献
我们在这本书中提出的工作已经导致了在国际会议和期刊上的几篇论文。人们认为，本书的主要原创贡献是：(i)采用结构化设计方法的交叉耦合松弛振子的研究（见第3章）：首先使用理想块，然后在电路水平。推导出了振荡频率、振幅、相位噪声和正交关系的方程[12-15]。设计了一个2.4GHz的原型，验证了主要的理论结果（正交关系和相位噪声）。
(ii)研究高层交叉耦合弛豫（Relaxation）振荡器混频器（第4章），研究混频功能对振荡器性能的影响。设计了一个5GHz的原型来验证振荡器-混频器的概念。
(iii)关于IQ正交性和相位噪声的交叉耦合LC振荡器的研究（见第5章）。对交叉耦合振荡器的相位噪声的比较研究表明，耦合弛豫（Relaxation）振荡器可以作为一种很好的替代方法。一个1GHz原型证实了由于耦合而导致的LC振荡器中相位噪声的增加，并且在5GHz(RC和LC)的两个电路原型证实了正交RC振荡器可能是正交LC振荡器的一个很好的替代振荡器。
一个小的贡献是在高水平和电路水平的研究（第6章），我们表明与之前的实现相比，该电路具有较大的调谐范围的优势。
本书中报道的工作导致了正交振荡器与其他耦合技术的进一步结果。最近有学者提出了一种基于弛豫振荡器的UWB-IR脉冲发生器。然而，这些结果超出了这本书的范围。
现代射频接收机和发射机需要具有精确正交和低相位噪声的正交振荡器。现有的文献主要用于单个振荡器，并且强烈倾向于LC振荡器。这本书致力于正交振荡器，并提出了在结构和电路层面上一个详细的比较研究的LC和RC振荡器。结果表明，在交叉耦合的RC振荡器中，可以同时减少了正交误差和相位噪声，而在LC振荡器中，耦合减小了正交误差，但增加了相位噪声。因此，正交RC振荡器可以作为LC振荡器的实际替代方案，特别是在面积和成本最小的情况下。
这本书的主要主题是：交叉耦合的LC准正弦振荡器，交叉耦合的RC弛豫振荡器，一个正交的RC振荡器-混频器，和双积分器振荡器。详细研究了不匹配对相位误差和相位烯化的影响。这本书包括了许多实验结果，包括在GHz范围内不同的集成电路原型。
采用结构化设计方法：首先进行具有理想功能模块的技术独立研究，然后讨论电路级设计。
这本书可用于射频电路设计的高级课程。除了研究生和讲师，这本书将是该领域的设计工程师和研究人员的兴趣。
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