快速評估高性能振盪器：OCXO、CRO、DRO、TCXO、SAW 測試方法解析
當今高性能 OCXO（恒溫晶體振盪器）、CRO（晶體諧振振盪器）、DRO（介電諧振振盪器）、TCXO（溫度補償晶體振盪器）、SAW（表面聲波）振盪器等的設計者與製造商，正不斷將相位雜訊測量能力推向理論極限，甚至在某些情況下突破歷史上被認為無法實現的技術門檻；為了準確評估這些超低相位雜訊振盪器的性能，振盪器製造商和測試工程師迫切需要一套能夠提供高精度量測的相位雜訊測試系統，該系統不僅必須具備卓越的量測靈敏度，還需擁有最快的資料擷取速度，以確保測試過程高效且可靠。
2010年，浩茲沃 (Holzworth) 儀器公司首次推出 HA7402A 分析儀，乃專為快速量測高性能振盪器的相位雜訊而設計，適用於研發和生產測試環境，HA7402A 是業界首款採用交叉對比（Cross Correlation）技術的測試儀器，並且創新地利用 2 組非同步（Non-Coherent）外部頻率源（電壓可調振盪器，Voltage Tunable Oscillators） 作為系統測試本地振盪器（LO），這項優雅且簡單的設計理念催生了極為高效的外部 LO 模式，此功能後來也被其他相位雜訊分析系統的製造商所採用。
交叉相關技術使測試系統能夠量測比本地振盪器（LO）相位雜訊更低的待測裝置（DUT），然而，雖然交叉相關技術能夠降低測試底限，但若未妥善配置，不僅會延長量測時間，還可能導致資料不準確；理想的相位雜訊測試系統應具備與 DUT 相當或更優的本地振盪器相位雜訊性能，以確保測試速度與準確性兼具。
HA7402A 採用簡潔高效的 交叉對比引擎（Cross Correlation Engine） 設計，使其在業界領先的測試速度下，仍能保持卓越的量測準確性，並提供極具競爭力的整體擁有成本（Cost of Ownership），成為高效測試應用的理想選擇。
浩茲沃 (Holzworth) 不斷改進設計，提升量測能力，包括更大的量測偏移範圍、符合 ANSI Z540 標準的校準（可追溯至美國國家標準技術研究院 NIST），以及即時量測功能；目前的 HA7402C 和 HA7062C 即時相位雜訊分析儀 結合了浩茲沃多年來的高精度量測技術，成為業界速度最快、準確度最高的相位雜訊分析儀，並已證實能夠測量到極低的雜訊水準。
HA7402C 和 HA7062C 均支援外部 LO 模式，允許使用者自定義本地振盪器（LO），此功能結合浩茲沃的即時交叉對比引擎（Real-Time Cross Correlation Engine），提供市場上最快速的量測速度，專為高性能振盪器測試需求而設計。
此白皮書將詳細說明設備設置程序及量測範例，如果您目前尚未擁有浩茲沃的即時相位雜訊分析儀，歡迎與奧創系統聯繫，以安排比較測試，浩茲沃的產品能夠達到其規格標稱的性能表現。
動機
所有類比式（Analog）、可調式（Tunable）相位雜訊分析儀本質上都受到相同的限制：內部合成器（Internal Synthesizers）；作為可調式本地振盪器（LO）來源的內部合成器，其相位雜訊性能通常無法與固定頻率 LO 相比，在相同的相對頻率條件下，固定頻率 LO 具有更優異的相位雜訊表現；射頻（RF）合成器本質上是相位雜訊性能與寬頻率調諧能力之間的折衷方案。
舉例來說，在一台交叉對比（Cross Correlation）分析儀中，如果僅進行一次相關運算，那麼其相位雜訊量測底限將與內部 LO 合成器的相位雜訊性能基本相同；當測試待測裝置（DUT）的相位雜訊性能優於內部合成器時，交叉對比引擎（Cross Correlation Engine） 必須補償這一差距，然而，這個過程可能會耗費大量時間，特別是在量測雜訊底限低於 -170dBc/Hz 的情況下，例如，現代高階的 100MHz OCXO（恒溫晶體振盪器） 在 >10kHz 的偏移頻率條件下可達到 -190dBc/Hz 以下的性能，而在 100Hz 偏移頻率時，其接近載波的相位雜訊已被證實低於 -140dBc/Hz。
量測所需的時間取決於測試系統的合成雜訊底限需要降低多少，以確保量測結果有效。在某些情況下，即使使用交叉相關技術，系統硬體仍無法達到所需的雜訊水平，導致測試資料無效。
目前，透過使用專門設計的外部 LO（External LO），已能夠在相對短的時間內完成低於 -190dBc/Hz 的超低相位雜訊量測。在研發環境中，測試目標是達到最低的雜訊底限；而在生產環境中，核心需求則是提高測試速度，以確保高效產能，不論是研發還是生產，量測準確性都是不可妥協的關鍵因素。
HA7062C 採用最先進的硬體與韌體設計，並搭配直覺化的應用軟體（GUI），支援全自動 LO 校準與DUT 鎖定（Locking），無需額外測試設備，即可完成穩定且可重複的量測，確保最高的測試效率與資料準確性。
配置範例
交叉對比（Cross Correlation）引擎的核心功能在於識別待測裝置（DUT）與測試系統之間的共同雜訊，並僅顯示實際量測結果。
在外部 LO 模式下，使用 HA7062C 測試振盪器時，需要 兩個相似的振盪器作為本地振盪器（LO），再加上 DUT，共計 三個振盪器。
下圖為 HA7062C 前端 的簡化架構，其中配置了一個 DUT 以及兩個由使用者提供的外部 LO，每個 LO 都會被獨立監測與校準，並透過各自的鎖相迴路（PLL Tune Port）相位鎖定至 DUT，以確保測試系統的穩定性與量測精度。
在此範例中，外部 LO 模式 的測試配置使用了 兩個 Wenzel 100MHz OCXO（恒溫晶體振盪器） 作為外部 LO，DUT（待測裝置）同樣為 100MHz OCXO，且其性能規格與外部 LO 相同。
連接與校準外部 LO
在外部 LO 模式下運行時，理想的 LO1/LO2 射頻輸出功率範圍應介於 +7dBm 至 +12dBm，並透過 LO1/LO2 輸入埠連接至分析儀，若需要調整功率等級，建議使用同軸衰減器（Coaxial Attenuators） 來實現最佳功率匹配。
注意事項（NOTE 1）：
測試時必須使用兩個獨立的 LO（本地振盪器）。如果只使用一個 LO，並將其訊號分配給 LO1 和 LO2（相位同步訊號），交叉對比（Cross Correlation）引擎就無法有效降低測試系統的雜訊底限，導致測試結果不準確。
在 GUI 右側，選擇 "Outputs"（輸出） 按鈕，該操作將顯示繪圖區域下方的輸出選擇選單：
在 Outputs 選單中，使用者可調整以下項目：
- DUT Supply Output（DUT 供電輸出）
- DUT Tune Output（DUT 調諧輸出）
- LO Source Outputs（LO 來源輸出）（用於手動控制內部合成 LO，此範例可忽略）
- LO Tune Outputs（LO 調諧輸出）
在本量測配置中，參數設定如下：
- DUT Supply Output 設定為 12.000V
- LO Tune Outputs 初始值（Start）設為 0.000V，終止值（Stop）設為 +10.000V
HA7000 系列 目前僅提供低雜訊電源供 DUT（待測裝置）使用，因此，外部 LO 需要額外的電源供應。
浩茲沃 (Holzworth) 的測試結果顯示，使用電池供電時可獲得最純淨的量測結果，許多使用者也證實，即使使用高品質的重度電容濾波（Heavy Capacitive Filtered）實驗室電源，仍可能導致測試資料響應曲線中出現額外的雜散訊號（Spurious Artifacts），並可能降低相位雜訊性能。
當 DUT 供電電壓和 LO 調諧電壓範圍（LO Tune Voltage Ranges） 設定完畢後，下一步是選擇 "Inputs"（輸入） 按鈕，該操作將顯示繪圖區域下方的 Inputs 選單。
在 Inputs 選單中，使用者可以進行以下操作：
- 選擇 DUT 輸入（DUT Inputs）
- 選擇/調整 LO 輸入（LO Inputs）
- 透過 DUT Test 驗證 DUT 頻率與功率水準
- 透過 LO Test 驗證每個 LO 的頻率與功率水準
LO 調諧電壓範圍的設定
為了適應不同外部 LO 的調諧電壓範圍，HA7062C 允許使用者獨立設定每個外部 LO 的上下調諧電壓限制，無論 LO 調諧電壓呈現正斜率或負斜率，分析儀都能在校準（Calibration） 過程中自動判定適當的調整方式。
注意事項（NOTE 2）：
請確保外部 LO 具有足夠的預熱時間，以確保頻率輸出完全穩定；一旦 LO 穩定後，使用者即可進行 LO 校準和 DUT 測試。
若需確認 DUT 和 LO 的穩定性，可透過 Measure Input Frequency and Power（量測輸入頻率與功率） 按鈕進行驗證，該按鈕位於 DUT Test 和 LO Test 選項下方，此步驟並非必須，但可用於額外驗證測試環境的穩定性。
設定 LO Inputs
- 在 LO Inputs 選單中，選擇 "External" 作為 LO 來源。
- 選擇 "Calibrate LOs"，按鈕將顯示校準狀態。
- 校準完成後，使用者可選擇 "View Calibration Report"。
校準報告（Calibration Report）
校準報告可儲存以供日後參考，並用於驗證每個外部 LO 的校準對應表（Lookup Table）是否已成功掃描，且電壓範圍是否符合預期。
注意事項（NOTE 3）：
LO1 和 LO2 的校準頻率範圍必須與 DUT 的頻率範圍重疊，以確保系統能夠相位鎖定（Phase Lock），從而進行相位雜訊量測。
外部 LO 模式 的校準過程通常僅需 30 秒以內（假設頻率計數器間隔設為 1 秒），且一組外部 LO 只需進行一次校準；當 LO 的調諧電壓範圍確定後，相位鎖定頻寬（Phase Locking Bandwidth）將自動設定，分析儀即可開始量測 DUT。
注意事項（NOTE 4）：
頻率計數器（Frequency Counter，Cnt） 的間隔可根據 LO 來源的穩定性 進行調整，預設頻率計數器間隔為 1 秒，對於大多數高性能 100MHz 及以上的外部 LO 來源 來說，該設定已足夠應用。
待測裝置（DUT）
HA7062C 可接受的 DUT RF 輸出功率範圍 為 -5dBm 至 +20dBm。
最佳測試準則
對於量測高性能訊號源的相位雜訊，功率越高，測試效果越佳，這是一個實用的經驗法則，在 50 歐姆（Ω）系統 中，雜訊底限受 DUT 輸出功率影響，例如：
- 當 DUT 輸出功率為 +10dBm，雜訊底限無法低於 -187dBc/Hz。
- 當 DUT 輸出功率為 +20dBm，雜訊底限無法低於 -197dBc/Hz。
適當提升 DUT 輸出功率可確保量測達到最佳性能。
如前所述，DUT 供電電壓 已設置為 12V（請參閱上方設定），並且功率水準已驗證為「符合範圍」（請參閱下方驗證結果）。
注意事項（NOTE 5）：
在 DUT Test 選單中，系統會顯示 兩個 DUT 讀數（DUT Input 1 和 DUT Input 2），此功能適用於使用前面板分接器（Splitter Bypass Function） 的應用場景，但本測試不涉及該功能。
每個交叉對比（Cross Correlation）通道的混頻器（Phase Detector） 內部均設有獨立的頻率計數器與功率計，通常，兩個讀數之間的誤差應在 1% 內。
若讀數差異過大，可能表示：
- 使用者設定錯誤
- 潛在的硬體故障
建議在測試前確認所有設置，以確保量測準確性。
資料擷取
至此，系統已完成所有必要的設置，準備開始資料擷取。
選擇 GUI 介面右上方的 "Acquire"（擷取） 按鈕，即可啟動量測過程，分析儀將在相位鎖定（Phase Locking） DUT 並進行資料相關運算（Correlating Data）之前，執行最後一次內部校準步驟。
在本範例中，外部 LO 與 DUT 具有相同的性能，因為它們來自同一系列且具有相同零件號碼。
接下來將展示透過 Measurement 窗口捕捉的測試資料，其中包括 1 次相關 與 5 次相關 的測試結果。
速度檢測
時間就是金錢！HA7062C 能以最短的時間內，準確量測相位雜訊、抖動（Jitter）及 AM 雜訊。
本範例中，HA7062C 之所以能夠快速完成測試，部分原因是使用了外部 LO 模式；此外，浩茲沃 (Holzworth) 最新一代的即時 FFT 處理硬體經過深度優化，大幅提升量測速度，使其成為業界最快的相位雜訊分析儀之一。
對於標準型 100MHz OCXO，1 次相關測試僅需不到 1.1 秒，即使未移除環境雜散訊號，仍能快速獲得有效的相位雜訊測試結果。
對於標準型 100MHz OCXO，5 次相關測試僅需不到 5.4 秒，雖未移除環境雜散訊號，但多次相關運算可降低測試系統內部雜訊影響，提升量測準確性。
請注意，兩次量測結果之間沒有顯著差異，這表明當測試系統的 LO 與 DUT 具有相似的性能時，所需的相關運算次數（Correlations）可以減少，從而提高測試效率。
速度檢測 —— DUT 性能優於 LO
當 DUT 的相位雜訊性能優於外部 LO，但仍在外部 LO 已校準的調諧範圍內，可直接測試，無需重新校準。只需點擊 "Acquire"（擷取） 按鈕，即可開始量測。
在本範例中，測試的 100MHz OCXO 具有比外部 LO 更好的相位雜訊性能；由於測試系統的 LO 雜訊較高，因此需要增加相關運算次數（Correlations），以確保在較低頻率偏移時仍能獲得準確的量測結果。以下測試結果驗證了此方法的有效性。
對於高性能 100MHz OCXO，1 次相關測試僅需不到 1.1 秒，即使未移除環境雜散訊號，仍能快速獲得基本的相位雜訊測試結果。
對於高性能 100MHz OCXO，10 次相關測試僅需不到 10.8 秒，雖未移除環境雜散訊號，但增加相關運算次數可有效降低測試系統內部雜訊影響，提升量測準確性，特別是在較低頻率偏移範圍內的相位雜訊測試。
報告產生
測試資料可儲存為專有格式 .htf 文件，此格式將保留所有量測與顯示設定，以便日後重新匯入 GUI 進行分析；此外，測試資料也可儲存為 .csv 文件 以提供原始資料（Raw Data） 進一步處理與分析。
測試結果的資料曲線圖（Data Plot Image） 可儲存為 .png 圖片文件，並提供以下自訂選項：
- 反轉背景顏色（Invert Background Color）
- 調整個別曲線顏色（Change Individual Trace Colors）
- 其他視覺化設定
近期新增的 "Generate Report"（產生報告） 功能，允許使用者自訂完整測試報告，並可針對任意數量的測試曲線（Traces） 設定特定的輸出參數，確保測試結果可讀性與靈活性。
Generate Report"（產生報告） 工具提供完全可自訂的功能，使用者可根據需求調整以下內容：
- 報告佈局（Layout）
- 報告參數（Reported Parameters）
- 圖表與曲線顏色（Colors）
- 公司標誌（Company Logo）
- 報告標題（Title）
此工具支援快速載入預設模板，適用於研發報告、生產測試報告、客戶資料分析等不同應用，確保報告格式一致且易於管理。
始終確保測試資料的有效性
所獲得的測試資料應當完整且準確地反映 DUT（待測裝置）的量測結果，確保量測結果不受分析儀本身產生的雜散訊號或誤差影響；儘管 GUI 經過精心設計，使 LO 校準和 DUT 測試簡化為單鍵操作，但內部硬體架構亦經過優化，以防止相位雜訊測試中常見的量測問題，確保資料的真實性和一致性。
AM 雜訊對相位雜訊測試的影響（Cross Spectral Collapse）
近期研究顯示，許多交叉對比（Cross Correlation）相位雜訊分析儀的設計存在一個潛在問題，即 AM 雜訊（振幅調變雜訊） 可能會對測得的 PM 雜訊（相位雜訊） 產生負面影響，導致量測資料失真，這種現象被稱為 「交叉頻譜崩潰（Cross Spectral Collapse）」。
與大多數傳統的相位雜訊分析儀不同，浩茲沃（Holzworth） 的相位雜訊分析儀在硬體層面即採取專門設計，使其對 AM 雜訊免疫（AM Immune），避免 AM 雜訊影響測試結果；若需了解更多關於「交叉頻譜崩潰」的資訊，可參考 美國國家標準技術研究院（NIST） 網站上的技術文件：Collapse of the Cross Spectral Function。
相位雜訊量測中的注入鎖定問題（Injection Locking）
另一個在相位雜訊量測中常被忽略的問題是 注入鎖定，這種現象通常由於內部相位偵測器（Phase Detector，或稱混頻器，Mixer）之間的通道隔離度不足所導致，當 DUT 受到注入鎖定影響時，若使用者對 DUT 本身的相位雜訊特性不夠了解，則很難察覺量測結果已經受到扭曲。
注入鎖定可能會導致量測資料產生 ±3dB 至 ±30dB 或更大的偏差，而且影響的範圍不固定，可能僅影響部分頻率偏移範圍，亦可能影響所有量測頻段，若資料是在注入鎖定條件下獲得，則該資料為無效資料。
HA7000C 系列 透過 優化相位偵測器的通道隔離度與匹配性，有效降低注入鎖定現象，使其幾乎不會發生，確保量測結果的準確性與可重複性。
消除非 DUT 雜散訊號（Spurious Artifacts）
HA7000C 系列 的機殼與電源供應皆經過特殊設計，以確保量測環境的純淨度，從而避免非 DUT 來源的雜散訊號影響測試結果。
- 機殼設計：
採用金屬接觸導電連接（Conductive Metal-to-Metal） 硬式安裝的模組化結構，並且雙層屏蔽（Double Shielding），有效抑制接地回路雜訊（Ground Loops）及外部干擾訊號影響。 - 低功耗設計：
分析儀的功耗被優化至 低於 50W，因此無需使用冷卻風扇，這一設計可防止風扇產生的微音效應（Microphonics）及雜散訊號（Spurious Noise），同時避免測試系統內部因溫度快速變化而影響測試結果的穩定性。 - 專用電源供應：
採用專有電源設計，進一步減少因電源品質不佳而導致的雜散訊號，浩茲沃的測試顯示，當量測低於 -175dBc/Hz 的相位雜訊時，即使是市面上的高端電源供應器，仍可能對 DUT 資料產生干擾；因此，專有電源供應確保測試環境的純淨性，提供最準確的測試資料。
測試資料的透明度與可靠性
使用浩茲沃（Holzworth）相位雜訊分析測試系統，量測結果即為真實資料；若測試資料中出現雜訊或雜散訊號，這些問題通常來自於外部環境，可能是 電氣性干擾（Electrical Noise）或機械性干擾（Mechanical Noise） 所導致。
浩茲沃堅信，測試資料的透明度對使用者至關重要，因此，透過使用最純淨的硬體設計，確保測試結果不受設備本身影響，使使用者能夠獲得真正代表 DUT 性能的量測資料，確保測試的準確性與可重複性。