VSG with Two Phase Controlled ΣΔ Synthesizers

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1.1. Vector Signal Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Contribution of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. System Components and Improvement Techniques 8
2.1. Phase Locked Loop Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1. Phase Locked Loop Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2. Phase Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3. Loop Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Low Phase Noise VCO Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3. VCO Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1. Oscillation Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2. Oscillator Phase Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4. Oscillator Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1. Transistor Biasing and Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2. Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.3. Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.4. Component Losses and Parasitics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5. Dual Mode VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.1. Mode Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2. Mode Blockers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.3. Mono Mode Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.4. Dual Mode Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.5. Simulations and Measurements of a Dual Mode LC Oscillator . . . . . 38
2.6. Flicker Noise Reduction Techniques in Oscillator Designs . . . . . . . . . . . . 42
2.6.1. Theory and Architecture of the Flicker Noise Reduction Technique . . . 43
2.6.2. Oscillator Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.3. Oscillator Simulations and Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
viiiContents
3. Modulation Techniques with a PLL 50
3.1. Phase Modulation and Frequency Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2. RF PLL Synthesizers Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3. Constant Phase Synthesizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4. Pulse Phase
'-Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1. Direct VCO Phase Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2. Indirect VCO Phase Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.3. Indirect VCO Phase Modulation with PLL Divider Control . . . . . . . 55
3.5. Continuous Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1. 
-GSM Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6. Offset PLL modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.7. Classical PLL PM and 
-VSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4. Vector Signal Generators 62
4.1. Classical Vector Signal Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.1. Direct Up Conversion and Super Heterodyne Architectures . . . . . . . 62
4.1.2. Digital Quadrature Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2. Novel 
-VSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5. Novel Sigma Delta Vector Signal Generator 68
5.1. Vector Amplitude and Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1.1. Phases of the 
-VSG PLLs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1.2. PLL Output Phase Control Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2. Other Theories and Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.1. Digital 
-PLL Phase Shift Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.2. Phase Control by Composition of Control Data . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.3. Commercial PLL Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6. Classical and Novel VSG Simulations 88
6.1. System Evaluation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2. Classical IQ-Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.1. DC Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.2. Gain Imbalance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2.3. Phase Imbalance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2.4. Spectrum in Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.3. Novel 
-VSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3.1. 
-VSG Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
ixContents
6.3.2. Dead Zone and Jitter Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.3. Loop Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.4. Spectrum in Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4. LINC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5. Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7. Sigma Delta VSG Hardware and Measurements 117
7.1. VSG Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2. Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.2.1. 
-VSG and Vector Signal Analyzer Measurements . . . . . . . . . . . 124
7.2.2. 
-VSG and Time Domain Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.3. PLL Lock Time and Symbol Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2.4. Adaptive Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.2.5. Spectrum in Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.3. 
-VSG Performance Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8. Conclusion and Outlook 141

8.1. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

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