面向胶囊内窥镜的20纳秒快速启动16-QAM调制器：符号级占空比技术实现75皮焦/比特能效突破

《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》：A 75-pJ/Bit 435-MHz 16-QAM Modulator With 20-ns Startup Time and Symbol-Level Duty Cycling for Capsule Endoscopy

本刊推荐一项针对无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy)超低功耗通信的创新研究。为解决传统功率放大器(PA)因输入RC网络导致的启动延迟问题，研究团队开发了具有瞬态直流误差校正功能的自动校准技术，实现了20纳秒的快速启动能力。通过符号级占空比(SLDC)与16-QAM调制技术的结合，在435 MHz频段实现了75 pJ/bit的能效和20 Mbps数据传输速率，显著提升了医疗植入设备的续航能力与通信可靠性。

　　

在医疗诊断技术飞速发展的今天，无线胶囊内窥镜作为胃肠道无创检查的革命性工具，正面临着严峻的技术挑战。这种如药丸般大小的电子设备需要在有限的电池容量下，同时实现长达数小时的连续工作和高清图像传输功能。然而传统无线通信模块的功耗瓶颈，特别是功率放大器的启动延迟问题，严重制约了设备的工作时长和图像传输质量。

现有研究表明，晶体振荡器(XO)和锁相环(PLL)等组件通常需要较高的启动能量，而功率放大器(PA)在满足链路预算要求时更是成为最耗能的部件。特别是当PA输入端采用RC网络进行偏置时，其时间常数会限制启动速度至微秒级别，这对于需要频繁开关的 duty cycling（占空比）操作极为不利。

韩国科学技术院(KAIST)的研究团队在《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》上发表了一项创新研究，提出了一种针对16-QAM（正交幅度调制）调制器的快速启动技术。该技术通过片上自动校准电路，有效解决了PA输入端的瞬态直流误差问题，实现了20纳秒的极速启动，为无线医疗胶囊内窥镜(WMCE)应用提供了同时满足超低功耗和高速数据传输的解决方案。

关键技术方法包括：1）基于6位数模转换器(R-DAC)的瞬态直流误差校正系统，通过相位相干采样检测误差极性；2）符号级占空比(SLDC)控制技术，结合启动相位控制器实现50%占空比操作；3）16-QAM直接调制架构，采用四路正交信号路径实现频谱高效传输；4）自适应辅助分支设计，用于补偿外围星座点的非线性失真。

快速启动技术原理

研究团队发现，传统PA输入端的RC网络（由交流耦合电容C_i和直流偏置电阻R_i组成）会产生瞬态直流误差V_E,DC，这是限制启动速度的根本原因。该误差会以指数形式衰减，时间常数为R_i·C_i。通过将节点X预充电至最优电平V_P,X，可使V_E,DC在启动瞬间接近于零，从而消除输出包络的建立延迟。

自动校准系统操作

校准系统采用全数字方式实现，通过N位数模转换器(DAC)逐步调整预充电电平。校准过程分为粗调(M=4)和细调(M=1)两种模式，根据检测到的误差极性更新数字代码D(k)。当D(k)在目标值D_T,X附近振荡时，系统自动判断校准完成，确保了在不同工艺、电压和温度(PVT)条件下的鲁棒性。

调制器核心架构

该435MHz 16-QAM调制器包含输入缓冲器、RC滤波器、16-QAM解码器和PA核心。输入缓冲器采用相位相干启动技术，确保四个正交路径的误差特性一致，只需单一校准过程即可优化所有路径。RC滤波器中的6位R-DAC不仅设定预充电电平，还决定了偏置电压V_B和高低通截止频率ω_p1、ω_p2。

相位相干采样技术

校准系统通过相位相干采样方法检测直流误差极性，而非传统的包络检测器。该方法在相同的载波相位点对节点Y进行两次采样，通过比较采样值的差异判断误差方向。这种设计不仅功耗低，还能有效应对PVT变化。

实验结果表明，经过校准后的调制器实现了20纳秒的启动时间，比传统方案快两个数量级。在50%符号级占空比下，数据传输速率达到20Mbps，平均输出功率为-8dBm，总功耗为1.6mW，能效为75pJ/bit。误差向量幅度(EVM)在40Mbps和20Mbps速率下分别为4.68%和4.49%，满足胶囊内窥镜的图像传输要求。

该研究的创新性在于成功解决了PA输入RC网络导致的启动延迟这一长期存在的技术难题。通过数字友好的校准架构和符号级占空比技术的结合，为医疗植入设备和其他物联网应用提供了同时满足低功耗、高数据速率和低延迟的通信解决方案。MINKYU JE团队的工作不仅推动了胶囊内窥镜技术的发展，也为未来低功耗无线通信系统设计提供了新的技术路径。