精準同步射頻合成技術：支援高要求應用的關鍵突破

浩茲沃 (Holzworth) 儀器公司專注於提供高性能的多通道射頻訊號產生器（RF Synthesizers），以其超低相位雜訊（phase noise）性能而聞名，與傳統的鎖相迴路（PLL，Phase-Locked Loop）技術不同，浩茲沃的合成器採用非鎖相迴路（non-PLL）架構，具備獨特的相位特性，能夠為特定應用帶來顯著優勢，此白皮書將解答有關多通道訊號合成的常見問題，並深入探討合成器設計中涉及的工程權衡與技術考量。

射頻訊號合成架構比較

實現寬頻射頻合成架構有多種方式，根據不同的應用需求，需要考量不同的技術權衡；表 1 比較了三種常見架構的主要合成器參數，包括 直接數位/直接類比（DDS/Direct Analog, Holzworth 採用的方法）、鎖相迴路（PLL-based）、以及類比（Analog）。
 

定義

相位連續（Phase Continuous）、相位同步（Phase Coherence）與相位記憶（Phase Memory） 是射頻合成器（RF Synthesizers）中經常使用但不總是被正確理解的術語；此外，這些術語在不同文獻中常被互換使用，為了釐清概念，以下提供浩茲沃 (Holzworth) 儀器公司的標準定義，並在此白皮書中透過範例波形來說明這些基本概念。
 

相位連續（Phase Continuous）

當訊號的相位隨時間變化時保持連續，且即使頻率變化，也不會出現相位突變（phase jumps），則該訊號被稱為相位連續；浩茲沃的合成器在窄頻（narrow band）頻率變化時具有相位連續性。
 

相位同步（Phase Coherence）

在此白皮書範疇內，同步性指的是多個共享相同參考頻率的訊號之間的關係，若觀測者在某一時間點測得其中一個訊號的狀態，則能夠準確預測任意時間點上其他訊號的狀態；浩茲沃的多通道合成器具備相位同步性。
 

相位記憶（Phase Memory）

具備相位記憶功能的合成器能夠在頻率切換時，記錄並回復至原始相位狀態，例如，當合成器從某一頻率切換至另一頻率，然後再回到原始頻率時，其相位狀態將與從未離開該頻率時的狀態相同；目前，浩茲沃的單通道與多通道合成架構計畫在未來整合此功能。
 

相位連續

圖 1 為 相位連續（Phase Continuous） 與 相位不連續（Phase Discontinuous） 之間的基本差異，在第一個範例中，訊號為相位連續，因為沒有突然的振幅跳變（amplitude jumps），且當頻率變更時，新頻率的相位能夠與舊頻率的相位無縫銜接。
 

相對而言，在第二個範例中，訊號在 t = 2 和 t = 4 時出現訊號幅度的突變，這表示頻率切換時發生了相位不連續。
 

相位同步

如果詢問三位不同的科學家或工程師何謂 同步性（Coherence），很可能會得到三種不同的答案，在此白皮書的範疇內，我們將同步性定義為：
 

若能根據某一訊號的狀態，準確預測所有其他訊號的狀態，則這些訊號彼此同步（coherent）。
 

從射頻（RF）訊號的應用角度來看，當我們透過量測確立兩個、或多個訊號之間的相位關係後，只要系統持續運行，這種相位關係將始終保持不變；在 浩茲沃 (Holzworth) 多通道合成器的應用中，透過量測各通道之間的相位關係，使用者可以準確計算並預測其在任意過去或未來時間點上的相位狀態。
 

範例說明

假設有一台雙通道合成器，其中：

• 第一通道輸出 1GHz 訊號
• 第二通道輸出 2GHz 訊號

當系統啟動時，使用示波器量測這兩個訊號的波形，並調整合成器的相位控制，使得 2GHz 訊號 與 1GHz 訊號的訊號上升邊緣（rising edge）延遲分別為 -75ps（提前）和 425ps（延後）。
 

如果系統保持運行，無論我們在 1 分鐘、1 小時、1 週或 1 年後再次量測 1GHz 訊號的訊號上升邊緣，根據相位同步性（Phase Coherence），我們可以確定 2GHz 訊號的訊號上升邊緣 仍會發生在 1GHz 訊號的零點穿越（zero-crossing）前 75ps 和後 425ps，確保了訊號的可預測性與穩定性。
 

相位記憶

在射頻（RF）合成器的頻率切換應用中，相位記憶（Phase Memory） 是一個核心議題，圖 2 示範了三種不同的相位記憶與相位連續性行為。
 

相位連續且具相位記憶（第一個範例）

• 此範例疊加了兩條曲線，以展示具有相位連續與相位記憶的合成器訊號。
• 當頻率切換後再回到原始頻率時，合成器的相位（藍色曲線）與原始訊號的相位（綠色曲線）完全匹配，表示該訊號保持了相位進程的一致性。

具相位記憶但無相位連續（第二個範例）

• 在此範例中，合成器訊號（藍色曲線）經過頻率切換後，雖然回到原始頻率時仍保有相位記憶，但未能保持相位連續性，即頻率變化過程中發生了相位突變（phase jumps）。

相位連續但無完整相位記憶（第三個範例）

• 這種行為最接近市面上常見的直接數位合成（DDS, Direct Digital Synthesis）電路。
• 合成器在頻率切換後回到原始頻率時，雖然保持了相位連續性（即沒有相位突變），但新頻率的輸出與原始訊號的時間進程之間產生了相位偏移（Phase Shift），導致相位無法完全回復至原始狀態。

透過這些比較，我們可以更清楚地理解相位記憶與相位連續性如何影響頻率切換後的訊號行為，並為特定應用選擇最適合的合成器架構。
 

浩茲沃 (Holzworth) DDS/直接類比架構

浩茲沃 (Holzworth) 採用直接數位合成（DDS）與直接類比升頻（Direct Analog Up-Conversion）架構相結合的技術，並搭配專有的參考訊號分配（proprietary reference distribution design），實現同步多通道訊號合成。
 

DDS 提供低雜訊、快速切換的訊號合成，並具備極精細的頻率調諧解析度（frequency tuning resolution），然而，其直接輸出頻率範圍有限；因此浩茲沃透過直接類比倍頻與升頻架構擴展 DDS 可達的頻率範圍。
 

圖 3 展示了混合 DDS-直接類比合成器架構的運作方式，在每個時脈週期，系統會將可程式化頻率設定值（FTW）輸入數位相位累加器，用來計算當前的相位值；接著，透過相位對應振幅轉換，將這個相位值轉換成對應的數位振幅值，並傳送到數位類比轉換器（DAC），產生對應的類比波形。
 

所產生的訊號會經過抗混疊濾波器（Anti-Aliasing Filter） 過濾掉不必要的高頻雜訊，然後進入類比頻率倍頻與升頻電路，將頻率提升到 DDS 本身無法直接產生的更高頻段，這使得合成器能夠應用於高精度通訊、雷達與電子戰、量測與測試設備、國防航太、以及量子運算與感測等對頻率穩定性、相位同步性與低雜訊性能要求極高的應用環境。
 

傳統直接類比架構

圖 4 為一種傳統類比合成器架構，其運作方式是透過頻率倍頻（Multiplication）、頻率分頻（Division）、選擇性濾波器、頻率混頻器、以及影像濾波器，來產生所需的類比頻率。
 

當系統的頻寬、或頻率調諧解析度（Tuning Resolution）增加時，為了滿足雜散訊號抑制規範，混頻後的影像抑制濾波器（Image Rejection Filters）需要具備更高的精度與選擇性，導致濾波電路變得更加複雜，這不僅增加了系統設計的難度，也會提升開發與製造成本。
 

浩茲沃 (Holzworth) 多通道架構

當兩個直接數位合成（DDS）通道由同步時脈（Coherent Clocks）驅動，且它們的類比輸出之間建立了固定的相位關係時，只要掌握其中一個通道的狀態，就能準確預測另一個通道的類比輸出狀態，這種特性確保了多通道 DDS 系統的高精度相位同步能力。
 

DDS 的輸出頻率由數位時脈頻率與頻率調諧設定值（FTW）決定，其關係可由下面方程式計算。
 

在方程式 1 中，N 代表數位相位累加器的位元數，若將 FTW 設為 1，則可計算出 DDS 的頻率調諧解析度；舉例來說，若時脈頻率為 100MHz，且相位累加器為 32 位元，則頻率調諧解析度約為 23mHz，代表 DDS 可以進行極為細緻的頻率調整；然而，在實際應用中，當 DDS 訊號經過類比頻率倍頻電路（Analog Frequency Multiplication Circuitry）後，可能會影響整體合成器系統的頻率解析度，使其略微降低。
 

DDS 合成器的頻率準確度挑戰

DDS 合成器在設計上的一大挑戰是絕對頻率準確度，假設一台 DDS 合成器使用來自實驗室的標準 10MHz 外部參考時脈（"Golden" Standard 10MHz External Reference），而使用者希望產生100kHz 訊號。
 

在 16 位元相位累加器與10MHz 時脈的條件下，理論上計算出的理想頻率調諧設定值（FTW）應為 655.36，但實際上，商用 DDS 晶片的 FTW 必須是整數，因此只能設定為 655 或 656，導致實際輸出頻率變為：

• FTW = 655 時，輸出頻率 ≈ 99.945068 kHz
• FTW = 656 時，輸出頻率 ≈ 100.097656 kHz

這表示 DDS 無法精確產生 100kHz，因為 FTW 的數值限制造成了頻率誤差。
 

若提高相位累加器的位元數（增加 N 的值），FTW 的解析度會更細緻，頻率誤差也會大幅降低，使輸出頻率更接近目標值；這個範例說明了 DDS 訊號難以完全對齊參考時脈，或讓輸出頻率恰好為參考時脈的整數倍，這也是 DDS 設計中需要克服的關鍵挑戰之一。
 

DDS 架構的相位連續性與相位記憶問題

DDS 架構在頻率切換時，面臨的主要挑戰之一是相位連續性與相位記憶，這可以透過圖 1 的範例進一步理解。
 

在 DDS 合成器中，當頻率調諧設定值（FTW）變更時，類比輸出通常是相位連續的，也就是說，訊號的相位會平順地延續，而不會產生突變。
 

然而，若在變更 FTW 的同時，數位相位累加器也被清除或重設為預設值，則 DDS 輸出的相位將發生不連續，也就是說，訊號的相位會突然跳變，可能影響系統的穩定性與同步性。
 

為了避免這種情況，DDS 設計中必須確保FTW 更新與相位累加器的變更同步至特定的類比輸出相位，這樣才能維持頻率切換時的相位連續性與記憶性，確保訊號在變更後仍能與之前的相位進程一致，這對於需要高精度相位同步的應用，如雷達、通訊和測試儀器等，尤其重要。
 

浩茲沃 (Holzworth) 知識產權

浩茲沃 (Holzworth) 提供專屬架構選項（OPT-INTGR），這項技術專為修正頻率調諧設定值（FTW）因捨入（Rounding）產生的誤差而設計。
 

透過類比與數位回授（Feedback）的結合，浩茲沃的合成器能夠產生彼此之間具備精確整數頻率關係的輸出訊號，確保不同頻率間的精準對應；此外，與外部參考頻率相比，該技術能夠維持零相位漂移誤差，確保訊號在長時間運行下仍能保持穩定的相位同步性。
 

窄頻頻率切換

圖 5 顯示了浩茲沃 (Holzworth) 合成器在10MHz 切換至 110MHz時的示波器截圖，在這個過程中，相位保持連續，與圖 1 中的第一個範例波形相似，沒有發生相位突變（Phase Jumps）。
 

在 DDS 架構的合成器中，頻率變更是透過重新設定頻率調諧設定值（FTW）來完成的，因此，儘管系統中仍存在數位延遲和類比電路的訊號傳播延遲，但 DDS 的類比輸出頻率仍能夠幾乎瞬間變更，確保切換過程快速且精準。
 

然而，當頻率變更時，射頻（RF）訊號的振幅可能會出現小幅度的紋波（Ripple），這主要是因為 DDS 類比輸出與合成器通道輸出之間的類比濾波器與自動增益控制電路（ALC）在不同頻率下的響應特性不同，導致振幅短暫波動，這種現象在高精度應用中可能需要額外補償來確保穩定性。
 

寬頻頻率切換

圖 6 顯示了浩茲沃 (Holzworth) 合成器在不同類比頻段之間切換時的示波器截圖，在頻段切換的過程中，射頻（RF）輸出會短暫中斷，因為系統需要重新鎖定新的頻段。
 

浩茲沃合成器的頻率切換速度規格為50μSec 以內，根據實際測量，從第一個頻段的振幅外形（Envelope）結束到第二個頻段的振幅外形（Envelope）開始，這段切換延遲大約為20μSec，顯示系統具備高速切換能力。
 

當進入新頻段後，自動增益控制（ALC）的影響會比同頻段內的頻率變更更加明顯，由於 ALC 回授迴路（Feedback Loop）可能需要長達 1mSec 才能完全穩定，因此雖然 RF 訊號一開啟後輸出頻率即為有效，但訊號振幅可能需要更長的時間才能完全穩定，這在高精度應用中可能需要額外補償或調整來確保一致性。
 

Holzworth 射頻訊號產生器

浩茲沃的多通道架構是一項成功的技術突破，以 1U 高、19 英寸機架式機箱小型化設計，可容納最多 8 個獨立可調頻的通道，且所有內建通道均具備 100% 相位同步特性。
 

浩茲沃的多通道平台專為整合HSM 系列單通道合成器而設計，並透過導熱冷卻的無風扇機箱，最大化通道間的穩定性；此外，內建的參考訊號分配子系統可確保所有已配置的通道（內部合成器模組）之間的相位同步性；除了自由運行模式（Free Running）外，該多通道合成器還可透過10MHz 或 100MHz 外部參考時脈運行，並同時提供專用的 10MHz 和 100MHz 固定參考輸出訊號，以支援高精度同步應用。
 

	HSY 系列 HSY 系列是寬頻頻率源，具備業界領先的相位雜訊性能與最高通道密度，其YIG 架構（YIG-Based Architecture）提升頻譜純度，並提供+20dBm 至 -110dBm 的高精度動態範圍；1U 高機箱提供 1 或 2 通道機型，確保極致的頻率準確性，同時相位同步 RF 輸出確保通道間的最高穩定性。 了解更多 >
	HSX 系列 HSX 系列為寬頻鎖相迴路（PLL-Based）頻率源，具備優異的雜訊與頻譜純度表現，並提供 +20dBm 至 -110dBm 的高精度動態範圍；1U 高機箱支援 1、2、3 或 4 通道機型，確保穩定的頻率準確性，且相位同步 RF 輸出提供高端通道間穩定性，適用於精密應用。 了解更多 >
	HS9000 系列 HS9000 系列多通道合成器，每個 1U 機箱內可配置 1 至 8 個獨立通道，且可選擇 250kHz 至 6.7GHz 任意頻率組合；此客製化平台提供高度靈活性，能根據應用需求量身打造多通道頻率源，並確保交期快速與最佳價格優勢。 了解更多 >

結論

在相位連續性、相位同步性、與相位記憶至關重要的應用中，DDS/直接類比架構是最佳的射頻合成（RF Synthesis）解決方案，它不僅能確保絕對與相對頻率的準確性，還能有效消除頻率誤差，確保訊號穩定與相位一致。
 

此外，浩茲沃 (Holzworth) DDS/直接類比架構支援極高速頻率切換，可在 <1μSec 內，從數位頻率更新指令轉換為有效的類比輸出，大幅提升系統的動態響應能力，滿足高性能應用的需求。
浩茲沃的工程團隊不斷創新，突破高性能射頻合成技術的極限，並提供多樣化的解決方案，包括商用現貨（COTS, Commercial Off-The-Shelf）與客製化應用（Application-Specific Solutions），確保能滿足最嚴苛的應用場景，如精密通訊、雷達、電子戰、測試與量測設備、以及科學研究領域。