揭開相位雜訊「正值」數據的真相：R&S®FSWP 如何定義 5G/6G 時代的量測標準
- Sonya Chan
- 1月5日
- 讀畢需時 6 分鐘
在進入 2026 年的今天，全球通訊產業正處於從 5G-Advanced 邁向 6G 研究的關鍵轉折點，隨著低軌衛星（LEO）通訊、毫米波（mmWave）技術以及高階調變技術（如 4096-QAM）的普及，工程師對於訊號純淨度的要求已達到前所未有的苛刻程度，在這種極高頻、極窄頻的測試環境下，相位雜訊（Phase Noise）不再僅僅是一個參考指標，而是決定系統誤差向量幅值（EVM）與鏈路預算的靈魂 。
然而，許多研發團隊在操作最新的 R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 時，常會對數據表中出現的「正值」（大於 0 dBc/Hz）感到困惑 ，根據傳統的認知，相位雜訊是雜訊與載波功率的比值，理論上不應超過載波本身，數值應永遠為負值，本文將深入探討這一物理現象，並解說為何 R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 提供的正值數據才是真正符合現代物理定義與高精度量測需求的真相 。
傳統量測的局限：為何舊觀念已無法滿足現代需求
直接頻譜量測法的歷史背景與失效
在過去數十年中，工程師習慣使用傳統的掃描式頻譜分析儀來測量相位雜訊，這種方法被稱為「直接相位雜訊量測法」，其計算邏輯非常直觀：首先找到中心載波的峰值功率，再移動到特定的偏移頻率，測量該處 1 Hz 頻寬內的雜訊功率，最後將雜訊功率減去載波功率，得出以 dBc/Hz 為單位的數值 。
這種方法在處理具有「低相位雜訊」的穩定訊號時非常有效，因為當時的技術假設總訊號功率幾乎等於中心載波功率 ，然而當我們面對不穩定的電壓控制振盪器（VCO）或是在極低的偏移頻率（如 0.01 Hz）處量測時，這個假設就會崩潰 。
載波抑制現象：當中心頻率「消失」時
當訊號產生巨大的相位波動（大角度波動）時，能量不再集中在中心載波上，而是會向外擴散到無窮多個高階邊帶中，導致中心載波的能量大幅下降甚至完全熄滅，如果儀器仍嘗試用「雜訊除以載波」的舊定義來計算，分母趨近於零會導致結果趨向無窮大，這在物理描述上是毫無意義的，這正是傳統頻譜儀無法準確測量低偏移頻率雜訊的根本原因。
貝索函數的物理啟示：能量分佈的深層機制
要理解為什麼 R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 會顯示正值，必須回歸相位調變（PM）的物理本質，相位雜訊本質上是隨機雜訊對載波進行調變的結果 。
邊帶電壓與相位偏移的關係
透過第一類貝索函數，我們可以精確描述載波振幅與各階邊帶隨相位偏移角度變化的過程 。
在相位偏移較小時（小角度近似），第一邊帶的振幅與相位偏移幾乎成線性關係，此時傳統的負值定義尚能勉強維持，但隨著相位偏移增加到約 2.4 弧度，載波電壓會完全歸零，這解釋了為什麼在高穩定度的時脈量測中，舊方法行得通，但在高頻、自由運行（Free-running）的振盪器測試中，舊方法會給出錯誤的判斷 。
從功率比到物理波動強度的轉變
現代量測不再僅僅關注「頻譜上的能量比例」，當相位偏移角度增加，邊帶能量可能遠高於殘餘的載波能量，如果我們堅持使用「相對於載波（dBc）」的舊單位，且不修正定義，數據就會變得混亂，這促使了國際標準組織（IEEE）對相位雜訊定義的徹底革新。
IEEE 1139 標準的革新：重新定義相位雜訊
為了應對現代高頻通訊的挑戰，IEEE 在 2008 年發布了新的標準（IEEE Standard 1139-2008），為各種不穩定度的訊號提供統一的量測標準 。
捨棄「功率比」回歸「相位波動密度」
新的 IEEE 定義將相位雜訊重新定義為「相位波動功率譜密度的一半」 。這個轉變至關重要：
物理對象的改變： 我們量測的是「相位變動的角度強度（以弧度為單位）」，而非「頻譜儀螢幕上的能量高度」 。
正值的合法性： 在新的定義下，數值反映的是相位隨機跳動的大小。當相位變動強度大於 1 弧度時，其對數值自然會大於 0 dB 。
一致性： 這種定義可以無縫銜接小角度（穩定訊號）與大角度（不穩定訊號）的狀況，避免了傳統定義在載波消失時的失效問題 。
為什麼正值數據對工程師更有利？
當您在 R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 的規格表中看到正值（例如在 10 GHz 載波、0.01 Hz 偏移處出現 +20 dBc/Hz），這代表儀器能夠捕捉到極靠近中心頻率處的真實物理漂移，這對於設計低軌衛星的追蹤環路或是 VCO 的穩定性評估至關重要 。
R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 的核心技術：數位頻率鑑別器
要實現符合 IEEE 1139 標準的量測，硬體架構必須徹底翻新。 R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 採用了領先業界的數位訊號處理（DSP）架構 。
數位 I/Q 處理鏈路
不同於傳統頻譜儀的掃描掃描，R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 的運作流程如下：
下變頻： 待測訊號透過高性能 I/Q 混頻器直接降頻至基頻或極低的中頻 。
高速採樣： 使用四個 100 MSample/s 的高速類比數位轉換器（ADC）進行數位化 。
相位與振幅分離： DSP 引擎精確分離出相位（PM）與振幅（AM）雜訊成分 。
解決「相位纏繞」的技術突破
在測量極低偏移頻率時，受測元件與儀器內部參考源之間的微小頻率差會導致相位快速累積，產生「相位纏繞（Phase Wrapping）」現象，這會讓一般的相位偵測器失效，R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 的解決之道是先將相位資訊轉換為頻率波動，計算頻率波動的譜密度後，再透過數學方式轉換回相位波動密度，這種方法徹底擺脫了「小角度」的限制，使其能穩定測量任何不穩定度的訊號 。
互相關技術（Cross-Correlation）
為了量測極致純淨的訊號，該儀器內建了兩套獨立的量測通道，透過互相關運算抵消儀器本身的內部雜訊 。這使得 R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 能夠在極低頻率偏移處依然保持優異的靈敏度 。
工程實踐：解讀相位雜訊圖表中的斜率與分界線
在實際操作 R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 時，工程師會看到一條關鍵的斜率分界線。
小角度準則線
這是一條斜率為每十倍頻負 10 分貝、且在 1 Hz 偏移處通過 -30 dBc/Hz 的直線 。
線下方區域： 訊號非常穩定，相位變動極小（小於 0.2 弧度），此時數據通常為負值 。
線上方區域： 訊號開始表現出大角度波動，這在自由運行的 VCO 中極為常見。此時出現正值數據是物理事實的忠實呈現 。
對開發者的意義
如果您在開發 6G 高頻振盪器時，只依賴限制在負值的舊儀器，您可能會誤以為訊號在近載波處是穩定的，進而忽視了低頻相位漂移對數位調變品質（EVM）的毀滅性影響，R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 提供的正值數據，能讓設計人員精確識別環路濾波器的缺陷或是電源雜訊的耦合 。
結語：精準量測是通往未來的基石
相位雜訊數據中出現正值，並非儀器故障，而是量測技術進步的象徵。隨著我們邁向毫米波與 6G 時代，對「不穩定度」的量測精準度將直接決定產品的核心競爭力。
透過採用 IEEE 1139 標準以及先進的數位頻率鑑別器技術，R&S®FSWP 系列相位雜訊與 VCO 測試儀 為工程師提供了一個無盲點的視角，從微小的頻率抖動到巨大的相位波動都能一覽無遺 。當您在最新的測試報告中看到正值數據時，請記住，這代表您的測試工具具備捕捉真相的能力，確保了通訊系統在極限環境下的可靠性。對於致力於尖端科技的工程師來說，選擇能夠反映真實物理意義的設備，是確保設計成功的必經之路。
