突破相位雜訊瓶頸：精準掌握絕對與增量量測技術

作者：Daniel Monforte，應用工程師，Maury Microwave

許多電子設備都會受到短期內隨機的相位波動影響，這種現象稱為相位雜訊（Phase Noise），相位雜訊會直接影響通訊系統的訊號品質，導致符號誤碼率（Symbol Error Rate, SER）上升，並在雷達系統中降低接收靈敏度，使低功率回波訊號難以被準確偵測；為了精確評估並改善這些影響，工程師可以使用相位雜訊分析儀（Phase Noise Analyzer）來量測整個系統或單一元件的相位雜訊性能。

本文將深入探討高性能相位雜訊分析儀的應用，並說明如何透過絕對量測（Absolute Measurement）與附加相位雜訊量測（Additive Phase Noise Measurement）來量化並解析相位雜訊的影響，協助工程師有效診斷與最佳化系統的訊號品質與穩定性。

關鍵應用與挑戰

相位雜訊影響眾多應用領域，以下範例說明了高相位雜訊對雷達與數位通訊系統的影響。

雷達系統

圖 1 為一個簡化的雷達系統架構圖，在這類系統中，本地振盪器（Local Oscillator，LO）與放大器（Amplifiers）往往是主要的相位雜訊（Phase Noise）來源；LO 負責產生中頻（Intermediate Frequency，IF）訊號，該訊號可經過調變後向上轉換至最終發射頻率，此外，LO 也用於將接收到的訊號向下轉換為 IF，以便進行數位化（Digitization）與後續訊號處理。
 

在理想狀況下，LO 應產生一個單一頻率的連續波（Continuous Wave，CW）訊號，然而，在實際應用中，LO 訊號會受到相位雜訊影響，導致頻譜產生額外的雜訊成分，如圖 1 所示，紅色頻譜元素即為 LO 受到相位雜訊影響的結果，這可能會降低雷達系統的效能並影響訊號解析能力。
 

相位雜訊對雷達系統的影響極為顯著，過高的相位雜訊會降低接收器靈敏度（Desensitization），導致雷達回波訊號被掩蓋，使系統難以偵測微弱的回波目標，圖 2 直觀地展示了這一影響：
 

• 深藍色邊帶：代表使用低相位雜訊（Low Phase Noise）本地振盪器（LO）時所產生的訊號頻譜。
• 紅色邊帶：代表使用高相位雜訊（High Phase Noise） LO 時所產生的額外頻譜成分。
• 淺藍色箭頭：代表向下轉換（Downconverted）後的雷達回波訊號。

當 LO 的相位雜訊較高時，額外產生的頻譜邊帶會遮蔽較小的雷達回波訊號，使其難以區分或被完全淹沒，進而影響雷達系統的探測精度與目標識別能力。

圖 2：雷達回波訊號（淺藍色箭頭）在高本地振盪器（LO）相位雜訊環境下（紅色邊帶）被遮蔽，而在低LO 相位雜訊環境下（深藍色邊帶）則能清晰呈現，提升回波訊號的可辨識度。

數位通訊系統

相位雜訊同樣會對數位通訊系統產生顯著影響，當通訊系統的調變方式越複雜，系統對元件相位雜訊的敏感度就越高，進而影響整體性能。
 

圖 3 顯示了一個接收器子系統（Receiver Subsystem）的簡化示意圖，說明相位雜訊如何影響系統運作；本地振盪器（Local Oscillator，LO）負責將接收到的訊號向下轉換（Downconversion）至中頻（IF），使其能夠進行數位化（Digitization）與後續訊號處理。
 

與雷達系統類似，理想狀況下，LO 應產生一個單一頻率的連續波（CW）訊號，以確保系統穩定運作並降低相位雜訊對通訊品質的影響。

圖 3：接收器子系統方塊圖

圖 4a 顯示了一個受到相位雜訊（Phase Noise）影響的正交相移鍵控（QPSK）訊號，由於相位雜訊的存在，星座點發生相位旋轉，然而，由於星座點仍然位於符號邊界內，因此可以準確解碼，且符號誤碼率（SER）未受到顯著影響。
 

然而，當相同程度的相位雜訊影響 16-QAM 調變訊號時（圖 4b），接收設備可能會誤判傳輸的符號，導致 SER 顯著上升，影響通訊品質，為了降低 16-QAM 訊號的 SER，提高系統效能，應使用低相位雜訊的本地振盪器（LO），如圖 4c 所示。

圖 4：QPSK 訊號（a）對高相位雜訊的耐受度較高，而 16-QAM 訊號（b）則更易受影響，導致 SER 上升。為了確保理想的通訊品質，應使用低相位雜訊 LO（c）

絕對相位雜訊量測

當系統產生過高的相位雜訊時，工程師可透過診斷方法量測整個系統及其各個子系統或元件的相位雜訊，以找出主要貢獻來源，進而改善系統性能，接下來將介紹如何使用Maury Microwave HA7062D 即時相位雜訊分析儀（Holzworth 產品線）進行絕對量測，以評估單埠設備（例如：訊號產生器或振盪器）的相位雜訊特性。
 

儀器配置

進行絕對相位雜訊量測時，需先完成儀器的硬體設置，其中包含將硬性同軸跳線正確連接至相位雜訊分析儀的前面板，如圖 5 所示。

圖 5：絕對相位雜訊量測設置，四條硬性同軸跳線（紅色箭頭）連接至相位雜訊分析儀前面板。

GUI（軟體）設定

• 開啟 GUI 右側的設備選單，確保相位雜訊分析儀正確連接。
• 按下「Locate Devices」按鈕，若設備已透過 USB 或 LAN 連接至電腦，則軟體將偵測設備，並顯示於選單中（圖 6）。

圖 6：透過裝置選單確保連接正確
 

• 選擇設備的序列號，若有多台 Holzworth 產品線設備連接，則它們也會顯示。
• 選擇設備後，其序列號將以藍色顯示於設備選單上方（圖 7）。

圖7：完成與相位雜訊分析儀的連接

絕對量測配置

• 選擇 GUI 右側的量測選單。  
• 確認量測類型設為「絕對值」。
• 設定頻率跨度為 1 Hz 至 10 MHz。  
• 按下 GUI 右側的量測選單按鈕，最大化顯示器的工作區域。  
• 點擊擷取按鈕，開始訊號量測。 

圖 8：設定絕對相位雜訊量測，包含量測類型、頻率跨度與顯示區域調整

絕對量測資料分析

為了理解絕對量測結果，我們首先檢視相位雜訊圖下方的資料區域，該部分提供與量測直接相關的關鍵資訊，包括：
 

• 量測類型（圖 9a）
• 量測時間（圖 9b）
• DUT（載波）頻率（圖 9c）
• DUT（載波）功率（圖 9d）

圖 9：HSX9001B 射頻產生器的絕對相位雜訊量測結果，底部顯示關鍵參數（a 至 d）

相位雜訊圖解析

確認載波頻率與量測類型後，可進一步分析圖 9 的相位雜訊圖；相位雜訊分析儀不會顯示 CW 訊號的載波部分，而是專注於顯示單旁波帶 (SSB) 相位雜訊及其頻率偏移資料；透過去除載波訊號，儀器能夠充分利用動態範圍，從而更精準地量測訊號的相位雜訊分布。
 

附加相位雜訊量測

附加相位雜訊量測可進一步分析子系統或單一元件對系統總體相位雜訊的影響，接下來將介紹如何使用 HA7062D 進行附加相位雜訊量測。
 

儀器配置

與絕對量測相比，進行附加相位雜訊量測時，相位雜訊分析儀的配置有所不同，如圖 10 所示。額外的元件包括1 至 3 功率分配器（Power Splitter）、兩個相位調整器（Phase Shifters）以及外部訊號源（External Signal Source）；該外部訊號源可為 DUT 提供操作訊號，並作為本地振盪器（LO）供應至儀器；HA7062C 和 HA7062D 可搭配 Maury Microwave HX5100 系列電子相位調整器（Holzworth 產品線）或機械相位調整器進行量測。
 

圖 10：附加相位雜訊量測設置

在附加量測中，相位雜訊分析儀僅需要兩條硬性跳線，並搭配相位調整器、功率分配器和外部訊號源，子系統或元件將與 DUT 一起放置於測試系統內。
 

請注意，HX5100 電子相位調整器的輸出需連接至 LO 輸入端，並確保調整電壓（Tune Voltage）也已連接至儀器；此外，若 DUT 需要供電，相位雜訊分析儀的可程式電源輸出 可供使用。
 

HA7062C 和 HA7062D 支援 10 MHz 至 6 GHz 的附加量測，若需進行高頻（最高 50 GHz）的附加量測，可搭配 Maury Microwave HA7063A 降頻轉換器，直接與 HA7062C 或 HA7062D 相位雜訊分析儀 配合使用。
 

GUI（軟體）配置

• 開啟 GUI 右側的設備選單，連接到相位雜訊分析儀。
• 按下「定位設備」按鈕（Locate Devices），此按鈕位於儀器顯示工作區域下方；若儀器已透過 USB 或 LAN 連接至電腦，軟體將自動偵測並在「裝置」選單中顯示可用設備（圖 6）。

• 您需要選擇儀器的序號，若有多台 Holzworth 儀器連接至電腦，它們的序列號都會出現在選單中。
• 成功選擇後，儀器的序列號將以藍色顯示在設備選單按鈕上方（圖 7）。  

附加相位量測配置

• 開啟 GUI 右側的「量測」選單。
• 將量測類型變更為「附加相位（Additive Phase）」。  
• 設定頻率跨度為 1 Hz 至 10 MHz（圖 11）。 

圖 11：在 GUI 的量測選單中設定附加相位量測的參數
 

• 開啟 GUI 右側的「輸入」選單。
• 確認 DUT 輸入選單中的「附加相位」設定為 HX5100。 
• 按下 GUI 右側的輸入選單按鈕，最大化顯示器的工作區域。  
• 按下「擷取」按鈕，開始訊號測量。

圖 12：配置輸入選單並執行附加相位雜訊量測
 

功率補償與測量結果

由於功率分配器和電纜可能導致訊號損耗，使用者可能需要提高發射功率 以補償這些損失，在 圖 13 的範例中，HSX9001B 透過放大器（DUT）提供 100 MHz、15 dBm 的訊號 進行附加相位量測，而作為參考，絕對量測提供的是 10 dBm 訊號。

圖 13：HSX9001B 射頻產生器的附加相位雜訊量測結果，底部顯示關鍵參數（a 至 d）
 

量測資料解析

相位雜訊圖下方的資料選單 顯示與量測直接相關的資訊，包括：
 

• 量測類型（圖 13a）
• 量測時間（圖 13b）
• DUT（載波）頻率（圖 13c）
• DUT（載波）功率（圖 13d）

在 圖 13 的測試結果中，相位雜訊分析儀顯示放大器新增的單旁波帶（SSB）相位雜訊，幫助工程師進一步分析子系統或元件對整體相位雜訊的影響。

絕對量測和附加量測的優點

絕對量測與附加量測能夠大幅提升工程師的診斷與除錯能力，幫助深入分析 DUT（待測裝置）、子系統或單一組件的相位雜訊性能。

Maury Microwave HA7062C 和 HA7062D 具備高度靈活性，可輕鬆執行這兩種量測方式，確保高準確度的相位雜訊分析，適用於最先進的系統與設備，滿足高精度測試需求。

HA7062C 相位雜訊分析儀

HA7062D 相位雜訊分析儀