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~
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。
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。
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。
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～
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!!!!
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 cosωct 、sinωct 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!!!!