《Biosensors》：A Low-Power PLL-Less Wideband OOK Wireless Neural-Signal Transmitter for Miniaturized Neural Interfaces with In Vivo Validation in Freely Moving Mice
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高通道数神经记录需要具有高吞吐量、低功耗和紧凑实现的无线链路，但商业协议和基于锁相环（PLL）的发射器通常会在数据速率与功耗和复杂度之间进行权衡。研究人员提出了一种低功耗、无锁相环（PLL）的宽带开关键控（OOK）神经信号发射器，采用180 nm CMOS工艺
高通道数神经记录需要具有高吞吐量、低功耗和紧凑实现的无线链路，但商业协议和基于锁相环（PLL）的发射器通常会在数据速率与功耗和复杂度之间进行权衡。研究人员提出了一种低功耗、无锁相环（PLL）的宽带开关键控（OOK）神经信号发射器，采用180 nm CMOS工艺制造。该发射器使用一个自由振荡的电感-电容压控振荡器（LC-VCO）、一个用于OOK调制和反向隔离的吉尔伯特混频器，以及一个电流复用堆叠功率放大器。它在3.3 V电源下消耗8 mA（26.4 mW），在最大原始输入速率90 Mbps（对应180 Mbps曼彻斯特编码线路速率）下演示调制和接收机帧捕获，并可在3.266至3.445 GHz范围内调谐。端到端误码率（BER）在原始速率15和31.2 Mbps（对应编码速率30和62.4 Mbps）下进行了测量；后者与体内数据流匹配。该发射器与一个128通道记录芯片集成，并在自由活动的成年C57小鼠中进行了评估。无线海马体尖峰和局部场电位（LFP）记录、有线系统比较以及事件锁定LFP分析支持其用于无束缚神经记录的可行性。
**论文解读：低功耗无锁相环宽带OOK无线神经信号发射器**
**1. 研究背景与问题**
高通道数神经记录系统正快速扩展至数百通道以上，以支持复杂脑功能与行为相关神经活动的分析。随着记录通道数和采样分辨率的增加，无线遥测链路必须维持更高的数据吞吐量。例如，一个128通道、16位分辨率、30 kS/s每通道的神经记录前端，产生约61.44 Mbps的原始神经数据速率，经曼彻斯特编码后线路速率翻倍至约122.88 Mbps。因此，能够支持百兆级曼彻斯特编码线路速率的低功耗发射器对于高通道数无线神经记录至关重要。同时，植入式或微型化神经接口的无线系统受限于严格的功耗、体积和热安全要求，而发射器通常是无线链路中功耗最大的模块之一。在有限功率预算内实现高吞吐量神经数据传输仍是无线神经接口系统的关键挑战。
商业无线协议不适合该应用。蓝牙低功耗（BLE）功耗低但数据速率仅约2 Mbps，不足以传输高通道数原始神经数据；Wi-Fi和5G虽支持50 Mbps以上速率，但其复杂调制方案（如OFDM、QAM）和高功耗射频前端导致系统功耗达数百毫瓦至瓦级，可能超过植入式神经接口的热约束。定制专用集成电路（ASIC）被开发用于满足无线神经遥测的速率与功耗需求。基于载波的发射器常采用锁相环（PLL）进行载波合成，但PLL的除法器、鉴频鉴相器和电荷泵增加功耗与面积。脉冲无线电超宽带（IR-UWB）通过发射短脉冲或载波突发提供另一种高速率途径，但在脉冲生成、频谱整形和接收机带宽方面存在权衡。
**2. 研究工作与结论**
研究人员提出了一种无锁相环（PLL）的宽带开关键控（OOK）神经信号发射器，采用180 nm CMOS工艺制造，用于微型化无线神经记录系统。该发射器利用自由振荡的电感-电容压控振荡器（LC-VCO）和宽带OOK调制对载波频率偏移的容忍性，避免了传统PLL载波合成环路。吉尔伯特混频器执行OOK调制并提供反向隔离，电流复用堆叠功率放大器（PA）改善阻抗匹配。发射器最大原始输入数据速率为90 Mbps（对应180 Mbps曼彻斯特编码线路速率），功耗为26.4 mW，载波频率可在3.266–3.445 GHz范围内调谐。端到端误码率（BER）在原始速率15和31.2 Mbps下测量，后者匹配体内记录系统的聚合数据流。发射器与128通道记录芯片集成，并在自由活动的成年C57小鼠中进行T迷宫探索实验，成功获取海马体尖峰和局部场电位（LFP）信号。有线与无线比较以及事件锁定LFP分析支持其用于无束缚神经记录的可行性。该论文发表在《Biosensors》。
**3. 关键技术方法**（不超过250字）
研究人员采用以下关键方法：（1）自由振荡LC-VCO：连续运行而非占空比循环，避免频率啁啾引起的频谱展宽，并通过片上变容管调谐载波频率；（2）吉尔伯特混频器：双平衡结构实现OOK调制，提供反向隔离以衰减PA负载变化对VCO的牵引效应；（3）电流复用堆叠PA：两放大器级直流堆叠、交流并联，降低有效输出阻抗以接近50 Ω天线匹配；（4）端到端BER测试平台：基于FPGA的误码率测量，使用可变衰减器和接收机，在原始数据速率15和31.2 Mbps下评估BER。芯片采用180 nm CMOS工艺制造，占用硅面积2 mm2。动物实验使用成年C57小鼠（来源：商业供应商），植入32通道微电极阵列于背侧海马体，术后恢复后连接无线记录装置进行T迷宫自由探索。
**4. 研究结果**
**4.1 发射器实现、射频表征与BER测量**
通过电路级仿真，LC-VCO在-15至50°C温度范围内基频输出保持在约3.38 GHz，振幅变化轻微；电源电压从3.15 V扫描至3.45 V产生50 MHz频率偏移，相对于179 MHz调谐范围较小；负载电阻从1.4 kΩ降低至10 kΩ时频率偏移约50 MHz，高于10 kΩ时频率几乎不变。在标称工作点，仿真相位噪声在1 MHz和10 MHz偏移处分别为-112.6和-136.6 dBc/Hz。芯片实测显示，在3.3 V电源下消耗8 mA（26.4 mW）。以90 Mbps原始PRBS输入（经片上曼彻斯特编码为180 Mbps线路速率）调制，产生中心频率3.354 GHz的宽带OOK频谱。载波频率可通过片上变容管从3.266 GHz调谐至3.445 GHz（调谐范围179 MHz）。端到端BER测试表明，在接收机输入功率-45 dBm时，原始数据速率15和31.2 Mbps下的BER分别为10??和10??。31.2 Mbps原始速率匹配体内记录系统的聚合数据流。90 Mbps原始速率下接收机保持帧捕获，但受限于回传路径带宽，未进行逐比特BER测量。
**4.2 性能比较**
与代表性基于载波的OOK、ASK、FSK发射器以及近期IR-UWB实现相比，该发射器在成熟180 nm CMOS工艺中实现了90 Mbps最大原始调制速率、3.266–3.445 GHz可调载波频率和26.4 mW功耗。端到端BER在31.2 Mbps原始速率下表征，覆盖体内记录数据速率。不同设计的工作点不同，因此不应视为单一性能排名。
**4.3 与128通道神经记录系统集成**
发射器与128通道记录芯片集成，构建背包式无线采集设备，尺寸17.08 mm × 16 mm，包含发射器SoC、记录前端、时钟源、电源管理电路和PCB印刷天线。设备由3.7 V、40 mAh锂聚合物电池供电，通过3.3 V LDO稳压。发射器功耗26.4 mW，完整设备总功耗约70 mW，电池标称能量148 mWh，理论工作时间约2.1小时，考虑实际因素后约1.5小时。天线增益约6 dBi。在T迷宫记录中，三根接收天线置于迷宫臂末端上方约17 cm高度，发射器-接收器距离20–30 cm。每帧包含128个16位神经通道字和两个16位帧头字，15 kS/s采样率下聚合原始数据速率31.2 Mbps，曼彻斯特编码线路速率62.4 Mbps。
**4.4 自由活动小鼠体内无线神经记录**
通过有线与无线海马体记录比较，无线记录中包含可识别的原始波形、高频尖峰成分和低频LFP成分。基于300–3000 Hz带通滤波的阈值检测支持尖峰事件检测、波形可视化、尖峰间隔计算和主成分分析投影。该比较作为系统级信号可用性的定性评估，而非定量等效性测试。检测到的尖峰事件未分配给单个神经元。
**4.5 T迷宫探索期间的事件锁定LFP分析**
对三只小鼠连续三天的数据进行分析，将小鼠进入和离开中心区域定义为中心进入和中心离开事件，通过TTL脉冲同步。对delta（1–4 Hz）、theta（4–12 Hz）、beta（13–30 Hz）和gamma（30–80 Hz）频带进行log10转换和基线z评分后的事件锁定分析显示，中心进入事件后beta和gamma频带功率呈下降趋势，中心离开事件附近出现较弱且短暂的功率正移。这些结果支持无线系统获取的LFP信号可用于事件锁定频带分析，但行为相关变化应视为探索性功能验证。
**5. 讨论与结论**
**讨论总结**：研究人员评估了无PLL宽带OOK发射器用于高吞吐量神经遥测及其集成微型化记录系统。该架构去除传统PLL载波合成环路，采用自由振荡LC-VCO、吉尔伯特混频器隔离级和电流复用堆叠PA。VCO仿真显示在温度与电源变化下频率变化有限，低阻负载产生较大频率偏移。仿真相位噪声性能良好。发射器支持90 Mbps原始输入（180 Mbps曼彻斯特编码线路速率），在31.2 Mbps原始速率下BER可量化并匹配体内数据流。与WINeRS-8等先前工作相比，该设计聚焦于更高原始输入速率和128通道集成。体内实验实现了31.2 Mbps原始数据流传输，总功耗约70 mW，电池续航约1.5小时。有线-无线比较表明无线数据保留适合尖峰事件检测和事件锁定LFP分析的信号成分，但未建立定量等效性。研究局限性包括：VCO表征限于电路级仿真，缺少发射器级PVT分析、封装和天线负载效应、实验相位噪声特性；90 Mbps下的BER未量化；接收机带宽和灵敏度表征不全；系统辐射范围未测量。动物实验中仅电极植入体内，无线设备置于小鼠背部，未评估完全植入系统的密封、组织加热或长期可靠性。未来需进行热表征、慢性封装验证、长期稳定性测试和生物相容性评估。多节点扩展需考虑通道间隔、接收机带宽、干扰管理、同步和数据聚合。
**结论翻译**：研究人员提出了一种低功耗、无锁相环（PLL）的宽带开关键控（OOK）神经信号发射器，采用180 nm CMOS工艺实现。该发射器包含一个自由振荡的电感-电容压控振荡器（LC-VCO）、一个吉尔伯特混频器隔离级和一个电流复用堆叠功率放大器，在3.3 V电源下消耗26.4 mW。它支持高达90 Mbps的原始输入数据速率（对应180 Mbps曼彻斯特编码线路速率），并提供3.266–3.445 GHz的可调载波频率范围。端到端误码率（BER）在原始输入数据速率15和31.2 Mbps下进行了表征，分别对应编码线路速率30和62.4 Mbps；后者覆盖了体内记录期间使用的聚合数据流。LC-VCO的电路级仿真量化了其在温度、电源电压和负载变化下的频率行为以及相位噪声性能。该发射器与一个128通道神经记录芯片集成，用于从自由活动小鼠在T迷宫探索期间获取海马体尖峰和局部场电位（LFP）信号。这些结果证明了所提出的发射器用于无束缚神经记录的功能可行性。未来工作将侧重于最大数据速率下的BER表征、发射器频率稳定性和相位噪声的实验表征、辐射链路表征、慢性封装和热安全评估以及同步多节点操作。
