R&S FSWX 訊號與頻譜分析儀：雙路徑互相關技術突破射頻量測極限
- Sonya Chan
- 1月14日
- 讀畢需時 7 分鐘
當無線通訊進入「無雜訊」的渴求時代
隨著 5G Advanced 逐步商用化以及 6G 研究的如火如荼展開，無線通訊產業正面臨前所未有的技術挑戰，從毫米波（mmWave）到太赫茲（THz）頻段的探索，以及對於超高傳輸速率（Tbps級）的追求，使得訊號調變變得極度複雜，在這個高頻、高頻寬且高密度的訊號環境中，工程師們發現，傳統的量測儀器本身正在成為阻礙技術突破的瓶頸。
在過去，頻譜分析儀的主要任務是「看見」訊號；但在今日，特別是在航太國防（Aerospace & Defense）、無線通訊（Wireless Communications）以及高階元件測試（Component Test）領域，工程師不僅要看見訊號，更要穿透儀器本身的物理雜訊（Noise Floor），去捕捉那些以往被視為「不可能測量」的微弱細節 。
當訊號的誤差向量幅度（EVM）要求越來越嚴苛，相位雜訊（Phase Noise）成為影響系統性能的關鍵指標時，傳統單路徑的分析儀架構已顯得捉襟見肘，為了應對這些挑戰，全新的量測架構應運而生——這就是具備雙路徑架構（Two-path architecture）與互相關（Cross-correlation）技術的 FSWX 訊號與頻譜分析儀，這不僅是儀器的升級，更是一場關於「量測極限」的物理學革命。
突破熱雜訊的物理屏障：雙路徑架構解析
在射頻量測的世界裡，熱雜訊（Thermal Noise）是所有電子設備無法逃避的物理定律，任何具備電阻特性的元件，在絕對零度以上都會產生雜訊，對於頻譜分析儀而言，儀器內部的放大器、混頻器等元件產生的固有雜訊（Inherent Noise），往往會掩蓋掉待測物（DUT）極其微弱的雜訊或混附波（Spurs）。
傳統架構的侷限性
傳統的高階頻譜分析儀雖然極力降低雜訊指數（Noise Figure），但始終受限於物理元件的極限，當工程師試圖測量一個極低功率的雜訊源，或是極高品質振盪器的相位雜訊時，往往會發現測量結果顯示的是「儀器的雜訊」，而非「待測物的雜訊」，這導致了測量的不確定性（Measurement Uncertainty），迫使工程師必須進行複雜的校正或數學補償，且往往效果有限 。
雙路徑架構的運作原理
FSWX 訊號與頻譜分析儀 引入了革命性的「雙路徑架構」（Two-path architecture），這套系統並非簡單地將兩台分析儀疊加，而是透過精密的內部設計，將輸入訊號一分為二，分別進入兩個完全獨立的接收路徑。
Rohde & Schwarz 這個架構包含了主動分頻器（Active splitter），將 RF 訊號分別送入 RF A 與 RF B 兩條路徑，每一條路徑都擁有獨立的機械衰減器、電子衰減器、低雜訊放大器（LNA）、濾波器組以及類比數位轉換器（ADC）。
這種設計的核心在於「共用」與「獨立」的巧妙平衡，兩條路徑共享同一個本地振盪器（Local Oscillator, LO），確保了相位的同步性；但在訊號處理鏈上卻是物理分離的，這表示待測訊號（Signal of Interest）在兩條路徑中是「相關的」（Correlated），而兩條路徑各自產生的內部熱雜訊則是「不相關的」（Uncorrelated），這正是後續進行數位訊號處理魔法的基礎 。
互相關技術：數學演算法帶來的 -174 dBm/Hz 奇蹟
擁有了硬體上的雙路徑架構後，真正的威力來自於數位後端的「互相關」（Cross-correlation）處理，這是一種統計學與訊號處理技術的完美結合，旨在消除不相關的隨機雜訊，保留相關的真實訊號。
互相關如何消除雜訊
當兩個獨立的接收機測量同一個訊號時，它們所接收到的內容包含兩部分：
真實訊號（S）： 兩台接收機收到的都是一樣的，完全相關。
儀器雜訊（N1, N2）： 兩台接收機各自內部的電路雜訊，完全隨機且互不相關。
透過對兩路訊號進行互相關運算，數學算法會將時間拉長進行積分，在這個過程中，互不相關的雜訊（N1 與 N2）會因為隨機相位而互相抵消，趨近於零；而完全相關的真實訊號（S）則會被保留並疊加。
FSWX 訊號與頻譜分析儀 正是利用此原理，能夠移除儀器固有的雜訊層（Inherent Noise Floor），這不僅僅是降低了幾個 dB，而是能將靈敏度提升至接近物理極限的 -174 dBm/Hz，這對於需要極致訊噪比（SNR）的應用來說，是巨大的突破 。
實際應用：看見隱藏的混附波（Spur Search）
在雷達系統開發或高階通訊晶片測試中，混附波（Spurs）是工程師的噩夢，這些非預期的頻率成分可能會干擾鄰近頻道，導致法規認證失敗；然而許多微小的混附波往往隱藏在頻譜分析儀自身的雜訊層之下，傳統掃描方式根本無法發現。
透過 FSWX 的互相關模式，原本淹沒在雜訊中的混附波會「浮現」出來，如下圖所示，黃色線條代表未使用互相關技術的頻譜，藍色線條則應用了互相關技術，可以清晰地看到，藍色線條的底噪大幅下降，揭露了數個原本看不見的尖峰訊號，這讓工程師能在產品設計的早期階段就發現並解決干擾問題，避免後期的昂貴修改 。
多通道相位同調：MIMO 與波束成形的關鍵
隨著無線通訊技術向多天線系統（MIMO）和波束成形（Beamforming）演進，單一通道的頻譜分析已不足以描述系統的全貌，現代的測試需求往往涉及多個天線埠（Ports）之間的相對關係，特別是「相位」（Phase）的一致性。
相位同調擷取的必要性
在航太與國防領域，相控陣雷達（Phased Array Radar）依賴精確控制每個天線單元的相位來改變波束方向，在 5G/6G 通訊中，Massive MIMO 同樣依賴相位控制來實現空間多工，如果量測儀器本身的各個通道之間存在相位漂移或不同步，就無法準確驗證待測物的波束成形能力。
FSWX 訊號與頻譜分析儀 的多通道架構支援「相位同調擷取」（Phase-coherent capture），這代表它可以在多個輸入埠上同時捕捉訊號，並且這些捕捉是基於完全相同的時基與相位參考，這對於天線陣列測量、元件特性分析以及 MIMO 應用至關重要 。
空中傳輸（OTA）測試與天線校準
在實際的 OTA 測試場景中，工程師可能需要同時測量參考訊號與測量接收機的訊號，FSWX 能夠同時比較輸入/輸出，驗證 MIMO 行為，並捕捉瞬態或相關事件，而無需像過去那樣耗時地反覆重新調諧（Re-tuning），這種同步性大大縮短了測試週期，並提高了數據的可信度 。
高階元件特性分析：從放大器到寬頻訊號
除了系統級的測試，FSWX 訊號與頻譜分析儀 在主動元件（如功率放大器 PA）的特性分析上展現了極高的價值。特別是在寬頻訊號的驅動下，元件的非線性效應會變得更加複雜。
真實的誤差向量幅度（Residual EVM）
對於寬頻放大器而言，EVM 是衡量其線性度的重要指標，然而，如果訊號產生器的 RF 級本身就帶有誤差，或者頻譜分析儀的雜訊太高，測得的 EVM 就無法反映放大器的真實性能。
利用雙路徑架構，FSWX 可以顯著降低測量的不確定性，它能夠移除訊號產生器帶來的誤差，並改善對非線性（Non-linearity）的處理能力，透過比較參考接收機與測量接收機的訊號，工程師可以精確測量增益轉移（Gain Transfer）、1 dB 壓縮點（P1dB）、AM/AM 與 AM/PM 轉換特性，以及群延遲（Group Delay）。
寬頻濾波器組與鏡像抑制
為了應對現代通訊標準對頻寬的渴求，FSWX 配備了預選 I/Q 濾波器組（Preselected I/Q filter-bank），這一設計能提供全範圍的鏡像抑制（Image Rejection），並允許進行高達 8 GHz 頻寬的選擇性分析，這對於過濾掉不需要的雜訊和干擾，專注於感興趣的訊號（Signal of Interest）至關重要，讓工程師能在測試週期的早期就揭露關鍵細節 。
為未來的無線世界做好準備
回顧無線通訊的發展史，每一次頻寬的跳躍與調變技術的升級，都伴隨著量測儀器的革新，從單純的頻譜掃描到複雜的向量訊號分析，再到今日的雙路徑互相關技術，我們正見證著「測量」這門學科的極限不斷被推翻。
FSWX 訊號與頻譜分析儀 所代表的，不僅僅是一台高性能的儀器，而是一種全新的測量思維，它告訴我們，透過先進的架構設計與強大的數位運算，我們可以打破熱雜訊的物理限制，看見比以往更純淨、更真實的訊號。
無論是在 6G 的太赫茲研究，還是在軍用雷達的精密校準，抑或是半導體元件的極限測試，FSWX 提供的超低相位雜訊靈敏度、多通道相位同調性以及寬頻分析能力，都將成為工程師探索未知的強大武器，「量測不可能（Measure the impossible）」這正是新一代射頻工程師的使命與挑戰。
R&S FSWX 訊號與頻譜分析儀
R&S FSWX 系列是 Rohde & Schwarz 推出的頂級訊號與頻譜分析儀，專為應對最嚴苛的射頻與微波測試挑戰而設計，作為首款多通道頻譜分析儀，它重新定義了測試的精確度、速度與清晰度。
核心特點與優勢：
革命性的雙路徑架構 (Two-Path Architecture)： 採用獨特的雙通道設計，共用一組寬頻 A/D 轉換器與高效能數位後端，實現真正的相位同調（Phase-coherent）與多通道同步擷取，這種架構允許在單次下變頻（Down conversion）階段就進行精密處理，極大化了訊號完整性 。
互相關技術 (Cross-Correlation) 消除雜訊： 透過先進的互相關演算法，FSWX 能夠有效消除儀器內部的固有雜訊，這一技術顯著提升了訊噪比（SNR），使儀器能夠測量低至 -174 dBm/Hz 的雜訊層，對於檢測極微小的混附波（Spurs）與改善相位雜訊靈敏度至關重要 。
極致的量測頻寬與頻率範圍：
頻率範圍覆蓋 2 Hz 至 44 GHz（單通道或雙通道型號可選）。
支援高達 8 GHz 的分析頻寬，滿足未來寬頻通訊與雷達脈衝分析的需求 。
提供多種分析頻寬選項，從標準 40 MHz 到可選的 100 MHz、320 MHz、600 MHz、1200 MHz、2000 MHz 甚至 4000 MHz 。
專為多樣化應用打造：
航太與國防： 支援天線陣列測量與元件特性分析，多輸入埠設計簡化了複雜的 MIMO 測試設置 。
無線通訊： 提供卓越的 EVM 測量結果，協助工程師在 5G/6G 研究中獲得最純淨的訊號品質 。
研發與元件測試： 靈活的軟體架構與濾波器組設計，讓同時進行多通道測量變得簡單且高效 。
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