從 X Band 雷達到 5G - 即時自動化殘餘相位雜訊量測技術
相位雜訊分析過去一直是電子測試與量測市場中的一個較為冷門的領域，主要應用於國防雷達（RADAR）系統供應商的驗證測試；然而，隨著高速通訊市場的蓬勃發展，這項技術的重要性日益提升，從晶片組製造商到完整系統供應商，皆開始將相位雜訊視為評估射頻（RF）訊號穩定性的關鍵指標；相位雜訊不僅影響訊號的品質，也能夠快速轉換為抖動（Jitter），從而在時域應用中提供一種可靠且高效的抖動分析方法，有助於提升通訊與訊號處理的整體性能。
浩茲沃（Holzworth）儀器公司於2004年成立，致力於讓相位雜訊量測變得更加透明、直觀，擺脫過去繁瑣且難以掌握的測試過程，基於這一理念，浩茲沃專注於開發兼具易用性、可靠性和可重複性的相位雜訊分析產品，並確保量測資料具備可追溯性，同時提供快速量測能力，使工程師和技術人員能夠在合理的預算範圍內，獲得精確且高效的測試結果。
相位雜訊分析主要可分為兩種類型：
絕對量測（Absolute Measurements）與殘餘量測（Residual Measurements），其中殘餘量測也被稱為附加量測（Additive Measurements）。
絕對相位雜訊
用於評估訊號源（如時脈、振盪器、訊號產生器等）的相位穩定性，適用於單一裝置或整體系統的量測，圖1中的方塊圖展示了一個簡化的異頻升頻（Heterodyne Upconversion）系統，絕對相位雜訊可以在系統內的任何節點進行量測；然而，在某個節點取得的絕對相位雜訊資料，除了反映該點的性能，還會包含來自系統內所有經過的元件與子系統所造成的額外影響，例如，來自最左側本地振盪器（LO）的訊號在傳輸至特定量測節點的過程中，可能因通過多個元件與子系統而導致相位雜訊劣化，這些影響都會反映在絕對量測資料中。
當比較系統內不同節點的絕對量測結果時，通常可以發現隨著訊號傳遞，某些子系統元件可能會降低系統的整體相位穩定性，若要進一步量化多埠元件對絕對相位雜訊的影響，就需要使用不同的量測方法來剖析每個元件的貢獻。
圖1：異頻升頻轉換器（Heterodyne Upconverter）顯示量測節點
殘餘相位雜訊
現今更常被稱為附加相位雜訊，則是一種專門用來評估多埠裝置（如放大器、鎖相迴路 PLL、頻率轉換器、混頻器等）對整體系統相位雜訊影響的量測方法，這種量測能夠揭示單個元件對系統相位穩定性的額外影響，因此在射頻與通訊系統的開發與驗證中具有重要價值，例如，許多放大器製造商現在需要在產品製造過程中進行殘餘相位雜訊量測，以確保其設備在系統中不會造成超出規範的相位雜訊劣化，使系統整合商能夠維持其整體性能水準。
浩茲沃（Holzworth）HA7062 即時相位雜訊分析儀 專為完全自動化的 絕對相位雜訊與殘餘相位雜訊量測而設計，該分析儀提供 6GHz、26GHz 和 40GHz 的絕對量測選項，但其殘餘量測能力最高僅支援 6GHz；與其他相位雜訊分析解決方案類似，使用者可透過外部異頻向下變頻（Heterodyne Downconversion）系統來擴展量測至更高頻率，然而，外部異頻設置較為繁瑣且耗時，需要極高的精確度與細緻的配置，以確保獲得有效的量測資料。
HA7063A 50GHz 降頻轉換器（Downconverter） 將這類繁瑣的異頻測試配置簡化，並與 HA7062 即時相位雜訊分析儀 整合為單一裝置，HA7063A 採用浩茲沃最新的 HSY 系列射頻合成器（RF Synthesizers） 作為測試系統的本地振盪器（LO），並結合 類比異頻向下變頻架構（Analog Heterodyne Downconversion Architecture），有效提升絕對與殘餘量測的雜訊底限，使其可支援高達 50GHz 的應用。
為了執行殘餘相位雜訊量測，系統必須透過調整交叉關聯相位雜訊測試系統的相位（延遲）來達成系統正交（Quadrature），傳統上，設置系統正交需要手動調整機械式相位移相器（Mechanical Phase Shifters，Delay Lines），或是透過更換不同長度的射頻（RF）電纜來進行微調，這樣的方式不僅繁瑣，也容易出錯；為了簡化這一過程並實現全自動化的殘餘量測，浩茲沃特別開發了 HX5100 系列電子相位移相器（Electronic Phase Shifters），該裝置可直接連接至相位雜訊測試系統，並由系統自動調整，以確保測試精度與一致性。
圖2 所示為 HA7063A 50GHz 降頻轉換器 的殘餘量測測試配置，展示了如何透過高度整合的解決方案來提升相位雜訊量測的效率與準確性。
圖2：HA7063A 50GHz 降頻轉換器的殘餘量測測試配置
如圖2所示，殘餘相位雜訊測試配置需要2 個外部相位移相器（Phase Shifters）、1 個三路功率分配器（3-Way Power Divider），以及1 個訊號源（內建於 HA7063A，並設定為所需測試頻率）；HA7063A 的前面板提供內建 HSY 系列本地振盪器（LO）輸出，可透過虛擬前面板 GUI 獨立控制，這些 LO 可運行至 24GHz，其中任一個都可作為殘餘測試系統的訊號源，進一步簡化測試系統設備清單。
在量測設置完成後，使用者僅需透過免驅動 GUI 進行幾個選擇即可操作，值得注意的是，對於 ATE（自動測試設備）製造測試，相位雜訊分析系統可完全透過 指令列（Command Line） 自動化執行，以省去 GUI 介面操作。
在 GUI 中，量測類型（Measurement Type） 下拉選單需設為 “Additive”（附加量測），相位移相器（Phase Shifters） 下拉選單需設為 “HX5100”；此時，系統已自動完成內部頻率與功率等級調整，以匹配來自待測裝置（DUT）的 RF 訊號，當使用者選擇的交叉關聯數量（Cross Correlations）範圍從 1 次到無限次後，點選 “Acquire”（獲取資料），即時交叉關聯測試系統便會透過HX5100 電子相位移相器（Electronic Phase Shifters） 設定正交（Quadrature），隨後進行殘餘量測。
該系統可滿足從 10MHz 頻率範圍、關鍵 X-band 雷達應用，到毫米波（mmWave）頻段（涵蓋 5G、軍用通訊等） 的需求。
HA7063A 50GHz 降頻轉換器與 HA7062 即時相位雜訊分析儀 搭配使用，能夠簡化殘餘相位雜訊量測流程，幫助使用者節省配置時間、減少潛在配置錯誤，並快速提供準確且可追溯至 NIST（美國國家標準技術研究院） 的資料，所有浩茲沃相位雜訊分析產品均通過 ISO 17025:2017 及 ANSI Z540.1 認證。