觸動振盪器的敏感神經: 注入鎖定與注入牽引

最近實在有夠忙,有點崩潰啊!!
趁著周五晚上,有點時間.... 來小小聊一下振盪器~

什麼是振盪器

振盪器就是一種能產生週期性波形的電路元件,最常見的振盪波形為正弦波與方波。它在一般電路系統中,經常扮演「訊號源」的角色。當我們在通訊系統裡面談到「調制(modulation)」的時候,那一堆數學式裡經常出現的 cosωc、sinωc這類東西,在實際的情況下便是由振盪器來負責提供的。又或者微處理器、單晶片所需要的時脈源(clock),也是由振盪器所提供的。

  振盪器的設計有很多種,依據用途、頻段以及材料而有所不同。但不管是什麼樣的設計,它總是需要電源,有電源才有辦法提供持續而穩定的週期性訊號輸出,否則電路中的自然損失沒有人彌補,那麼振盪的波形就會隨時間衰減而逝,無法持續輸出了。

  通常它還需要諧振器(就是濾波器啦!),可能是由表面聲波元件、石英晶體、特殊介質還是由LC元件所兜製而成,它的用途即是在「選擇」振盪起來的訊號,它的頻率為何。有些時候,我們還需要一個主動元件,通常就是一顆放大器,它將直流電源的電能轉換為交流形式,用於跟諧振上的交流訊號諧調出一種「剛剛好」的工作狀態,以讓振盪能持續發生。我們在電子學中談到的「巴克豪森準則」便是在講這一回授條件,我就不多談啦!如果是使用數位元件(切換式操作)來兜製振盪器,就不一定會看到很明顯的諧振器(寄生的負載電容), 如果很明顯有看到諧振器,那麼絕對跟振盪頻率會直接相關。總之,只要能讓電路進入無穩態操作即可。

振盪源

通常實際的系統中,振盪源很可能不是單純一顆振盪器或振盪電路,它可能是一個 clock generator 電路或是鎖相迴路。在多數比較低頻的系統中,大部分都是使用石英振盪器之類的元件當時脈源(精準度較高),不過有時也可以用RC式振盪器(精準度較差,經常見於晶片進睡眠模式之後才使用)。

  在通訊系統中,負責產生弦波源的振盪電路,又稱為 Local,大多都直接簡寫為 LO。LO的用途可以用來升、降頻,又或者直接作為載波(carrier)。LO的訊號品質,在數位通訊中尤其重要,因為數據資訊可能是埋在載波的「頻率」或「相位」之中,一旦LO所提供的振盪訊號品質不佳(例如每周期的相位或頻率,都有些隨機的偏差。要描述此偏差,在時域上描述的參數稱為 jitter,在頻率上則稱為 phase noise),會直接影響到數據解調後的品質。

  在RF的領域中,對於振盪源的設計,特別是在振盪器的頻率是可以調整的情況,經常稱為頻率合成器(Frequency Synthesizer)。頻率合成技術又分很多種類型,有鎖相迴路式(PLL)、直接類比合成(DAS)或直接數位合成(DDS),它們各自有優缺點,也可以搭配混用。例如PLL+PLL搭出dual-loop的LO,或是DDS+PLL所搭出來的hybrid synthesizer。

振盪器全身都是敏感帶

振盪器有一種很奇特的現象,稱之為注入鎖定(injection-locking)。假如我有一顆free-running中的振盪器,振盪頻率在 1 GHz,如果在這頻率旁邊,例如 1.05 GHz 好了,剛好有另一個訊號存在(我們姑且稱它為干擾好了),只要干擾的功率(強度)夠大,那麼你那顆 1 GHz 的振盪器,頻率就會被拉走,進而鎖定在 1.05 GHz 頻率上。

  簡單來說,就是在滿足特定條件的情況下,你注入了 X 訊號進去振盪器,那麼振盪器就不再輸出原本應該的樣子,而是會「模仿」 X 訊號的樣子,或者說,就好像被 X 訊號給鎖定住了 。

  如果 1.05 GHz 的干擾,強度要大不大,不足以將振盪器給鎖住。這時候,振盪器輸出頻率就會一下子被拉到 1.05 GHz,一下子又想折返自己應該要振盪的 1 GHz 頻率。來來回回,在頻譜上,你就會觀察到頻譜被離散地展開的現象(有點像頻率調制)。如果你將振盪器的輸出做FM解調,你就能在示波器上看到高高低低的電壓波形,代表振盪器的輸出頻率一直處在快快慢慢的變化當中。這種現象,稱之為注入牽引(injection-pulling)現象。

  在發射機中,如果功率放大器的訊號洩漏回LO,所產生的訊號品質惡化現象,則稱之為LO pulling。

實際案例:干擾太強,不晃,會被撞到地上~

既然振盪器會被"別人"鎖定,那麼如果振盪訊號打出去之後,又折返回自己身上,振盪器會不會被自己的折返訊號給鎖定?答案是:「會!」 (如果條件滿足的話)

  做RF的人通常都會有一種奇特的經驗,就是手在振盪器旁邊揮舞時,你就能在頻譜上觀察到振盪器的輸出隨著左右亂晃。雖然這其中可能牽涉到很複雜的機制,但是其中的一種就是注入鎖定現象所造成的。

  當你的手在揮動時,振盪器打出的訊號碰到你的手掌,會再反彈回去,而影響到振盪器自身。因為手掌在揮動,振盪器所看到的折返訊號會帶有都卜勒相移,因此振盪器所看到的折返訊號,它的頻率是隨著手掌遠離振盪器而變低,隨著手掌靠近而上升。頻率上升與下降的多寡,取決於手掌揮動的速度。當然,你的手在振盪器附近亂揮,效果會越明顯,因為折返回到振盪器的訊號強度相對較強。

註:都卜勒效應就是那個什麼救護車接近時,鳴笛聲調變尖銳(頻率變高),救護車遠離時,鳴笛聲調變悶屁聲(頻率變低)那回事~  或是天上看到暗紅色的星星,就知道那顆星星正在遠離地球中.... (紅色光頻率低)

  為了將振盪器好好地與外界的干擾隔絕,通常最直接的做法就是加馬桶蓋 (shielding),讓外部的干擾源不要來觸動振盪器敏感的神經。

註:其實這種很容易被干擾的效果也不見的不好~ 其實它有很多種蠻正面的應用的。例如高增益的PM放大器、天線陣列調相器或者是近幾年很流行的非接觸式生理訊號雷達等等~

後記

振盪器的 injection locking 與 pulling 乃是高度非線性的現象,若又要跟鎖相迴路本身的效果交雜在一起分析,那又更複雜了!我在幾年前於MTT期刊發表了一篇論文,專門討論此現象若發生於鎖想迴路中的效果。其實這效果在更早幾年之前,Razavi 已經有一篇論文討論過了,只不過他用的是時域的方法。我當初的嘗試是將此非線性現象,先做了線性化之後,轉進 Laplace domain 討論之。也使用頻域方法找出了注入鎖定的轉移函式,而能將振盪器轉換為「block diagram」(轉換後就是像控制系統那種閉迴路方塊圖),跟 PLL 結合在一起分析。該篇論文即提供了一種雙迴路模型,來討論真正的LO遇到干擾的時候,會有什麼樣的表現。

  根據剛剛提到的「手在揮動」的現象,我後來其實有想到使用注入鎖定理論去推導出相位雜訊的模型,它其實是 Leeson's model 的延伸。Leeson's model 是小訊號的、線性的、基於superposition的,如果能再施加一點非線性的魔法,應該是可以讓相位雜訊模型更準確。正當我有這個想法時,正好發現 Abidi 在同年(還是前一年的樣子),恰恰就是用這種觀念來詮釋了相位雜訊!由於發現了有人如此分析了,我就沒有再對這件事繼續探究下去了。不過當初心理面確實有小小暗爽,呵呵,畢竟心裡面想的事情竟然可以跟大師雷同.... 科科~~~

  因為硬是要寫一篇文章,沒有靈感!只好拿過去的研究出來說說嘴~ 不過呢!大家只要知道,手亂揮,振盪器亂晃,這跟振盪器的敏感現象有關,那就夠啦!以後遇到這種情況,其實也不用太奇怪!因為振盪器就是那麼.... 敏感呀!!!!
 
 
 

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