對無線通訊設備而言，如行動電話，壓控震盪器（VCO）是產生高頻信號的主要元件，其所震盪出不同的頻率是依據所給予的直流調整控制電壓，壓控震盪器是信號合成器的電路中的主要元件。
目前行動通訊系統要求高通訊品質、高資料率、高工作頻率以及在單位頻寬內能有更多的頻道。由於這類設備大多都是手提攜帶式，所以必須具備低耗電及小體積的特性。綜合這些限制，使得整個設計乃至於元件的選擇及評估都更具挑戰。鎖相迴路信號合成器（PLL Synthesizer）便是其中一個部分。鎖相迴路信號合成器提供精確的步階射頻信號，其利用壓控震盪器輸出信號的相位鎖住石英震盪器的參考信號。
一般信號合成器包含了壓控震盪器（VCO）、鎖相迴路（PLL）、參考頻率（Crystal/TCXO）及一個迴路濾波器（Loop Filter），如(圖一)所示。震盪器產生射頻信號，鎖相迴路控制及穩定頻率，迴路濾波器的設計必須整合所有元件效應，在雜訊及暫態響應時間之間作一取捨評估壓控震盪器與鎖相迴路元件需要許多不同架構的測試系統，來完成信號位準、功率、頻率、時間及相位調變相關參數的量測。
本文將描述壓控震盪器及鎖相迴路特性參數的意義及測試方法，並說明迴路濾波器的設計會如何影響信號合成器的工作
VCO的特性參數
VCO特性參數
Voltage Controlled oscillator（VCO）是一種輸出弦波信號的震盪器，輸出信號的頻率會隨著控制端口的電壓大小而改變，一般輸出弦波信號的功率大小是固定的。
以下所列為一般常見的壓控震盪器量測參數，欲執行這些參數的量測，必須使用許多儀器，包含兩個直流電源供應器提供VCO的電源供應及控制電壓。
- ●震盪頻率（frequency）[Hz]
- ●震盪功率位準Power Level）[dBm]
- ●相位雜訊（Phase Noise）[dBc/Hz]
- ●殘餘調頻（residual FM）[Hz rms]
- ●直流消耗電流[mA]
- ●控頻靈敏度（Tuning Sensitivity）[Hz/V]
- ●諧波（Harmonics）與混波（Spurious）[dBc]
- ●推頻（Frequency Pushing）[Hz/V]與拉頻（Frequency Pulling）[Hz p-p]
至少需要九種以上的儀器，如(圖二)所示，以及控制軟體與計算程式才能完整評估上述參數並分析量測結果。所需要的設備包含：低雜訊直流電源供應器（供應控制電壓）、直流電源供應器（供應偏壓電源）、數位三用電表（量測直流消耗電流）、計頻器（量測震盪頻率）、射頻功率計（量測震盪功率位準）、頻率/電壓轉換器（量測調頻頻偏及暫態時間）、頻譜分析儀（量測相位雜訊及頻譜）、音頻信號分析儀（量測調變信號）、信號產生器（提供轉頻所需之本地震盪頻率及功率）。
控制電壓源雜訊對VCO的影響
如使用通用型的直流電源供應器來供應壓控震盪器的控制電壓，將因直流電源供應器的雜訊成分，使得壓控震盪器的相位雜訊量測失真，無法得到真正的相位雜訊，如(圖三)所示。如欲壓制直流電源供應器的雜訊成分，可使用一低通濾波器於壓控震盪器的控制電壓輸入端，低通濾波器的截止頻率愈低則需愈長的時間常數，可使壓控震盪器的震盪頻率及震盪功率更穩定，但須較長時間，這又會使載波頻率（震盪頻率）受溫、濕度或外來雜訊影響而變化，影響相位雜訊的精確度。
壓控震盪器產生的頻率成分有可能從DC控制電壓端口洩漏回電源供應器，因電源供應器與壓控震盪器的DC控制電壓端口的阻抗並不匹配，這會造成射頻反射信號來回震盪，影響壓控震盪器的輸出頻率特性與功率位準。為改善此一現象，可在此二端口間插入一低通濾波器，截止頻率為100kHz至1MHz之間，可衰減射頻反射信號。另外亦建議使用同軸線於電源供應器與壓控震盪器的DC控制電壓端口之間。
VCO震盪頻率穩定度及相位雜訊特性評估
相位雜訊是一種隨機雜訊，其定義為「距載波一特定偏移頻率之雜訊功率密度與載波信號強度之比值」。
當使用頻譜分析儀量測壓控震盪器相位雜訊時，一個困難點是震盪頻率漂移或跳動，這有可能是因為量測時溫度的變化、壓控震盪器被震動或衝撞，這樣的情況會讓量測結果造成錯誤，如(圖四)。這種狀況是無法以平均或校正的方式來移除，所以保持震盪頻率的穩定是相當重要的。然而，壓控震盪器的震盪頻率對環境是相當敏感，因此，量測系統的頻率穩定機制或追蹤載波的功能便顯得非常重要。
量測系統的相位雜訊必須比待測物的相位雜訊好，量測系統不可能量到比本身相位雜訊還低的待測物，即使待測物的相位雜訊比量測系統高出一些，這樣的結果還是會有相當大的誤差。
目前的數位行動通訊系統使用不同的調變技術來改善頻寬的使用效率，以及降低字元錯誤率。ACPR（鄰近通道功率比）可表示發射或接收信號的純度，包含了失真現象、數位信號的AM雜訊，而且也包含相位雜訊。
相位抖動（phase jitter）量測對預估CLOCK頻率信號相當重要，例如應用在雷達或數位通訊系統。相位抖動的增加會造成發射、接收距離或量化誤差，亦會造成不規則取樣而有位元錯誤。相位抖動相當於相位雜訊造成的殘餘相位調變。相位抖動可以用相位雜訊計算而得。
VCO特性評估
壓控震盪器的特性參數可利用第一節所提的九種儀器來進行量測，亦可使用VCO/PLL信號測試儀進行測試，以下一一介紹各參數的測試架構及方法。
震盪頻率與控頻靈敏度
給於壓控震盪器不同的控制電壓，其輸出的射頻頻率會隨之改變，如(圖五)頻率控制特性圖（F-V特性圖），橫軸為控制電壓，縱軸為輸出之射頻頻率，該曲線的斜率變化圖即為控頻靈敏度。
測試架構如(圖六)，包含兩個低雜訊直流電源供應器提供VCO的偏壓及控制電壓，一台精確頻譜分析儀來量測頻率、兩個Bias Tee分別裝在偏壓及控制電壓路徑上來消除直流電源雜訊。頻譜分析儀的RBW及SPAN必須做適當設定，以Marker Peak Search來測得頻率變化。另必須搭配自動控制軟體，經GPIB介面控制所有設備及讀取量測資料，並加以整理才能得到類似圖五的F-V特性圖。
震盪功率位準
給於壓控震盪器不同的控制電壓，其相對應輸出的射頻頻率之輸出功率會維持一定值，但會有一些偏移，一般以抖動（Ripple）來衡量，如(圖七)，橫軸為控制電壓，縱軸為輸出之射頻功率。Ripple有兩種解釋，一為功率的峰對峰值（Peak to Peak）Ripple＝Pmax－Pmin，另一為最大與最小的平均值Ripple＝（Pmax＋Pmin）/2。
測試架構如(圖八)，包含兩個低雜訊直流電源供應器提供VCO的偏壓及控制電壓，一台精確功率計來量測功率變化、兩個Bias Tee分別裝在偏壓及控制電壓路徑上來消除直流電源雜訊。另必須搭配自動控制軟體，經GPIB介面控制所有設備及讀取量測資料，並加以整理才能得到類似圖七的結果。
諧波與混波
一般壓控震盪器都是非線性元件，所以會產生諧波與混波。諧波與混波的量測可以用圖六的架構。壓控震盪器射頻輸出頻率稱為載波（或基頻信號），諧波是載波頻率整數倍的信號，如載波為1GHz，則2GHz、3GHz、4GHz為諧波，另0.5倍載波頻率的信號稱為次諧波（sub-Harmonic）；除了諧波與次諧波的信號，稱為混波。諧波量測為量測各諧波與主信號的功率差，單位為dBc。混波量測為量測各混波與主信號的功率差，單位為dBc。(圖九)為一混波量測實例。
推頻
推頻是壓控震盪器對偏壓的靈敏度量測，給定一控制電壓，而些微變化偏壓，量測輸出頻率的變化量，單位為MHz/Volt。可以用圖六的架構來量測，先設定偏壓在正常工作電壓，記錄不同控制電壓下的輸出頻率，接著將偏壓增加1Volt，記錄不同控制電壓下的輸出頻率，接著將偏壓減少1Volt，記錄不同控制電壓下的輸出頻率。在固定的控制電壓下，依上述的量測結果，計算偏壓改變1Volt時，輸出頻率的變化，便是推頻。不同的控制電壓下，可能會有不同的推頻。使用簡單的程式，便可完成上述的自動化量測。(圖十)是一個量測實例。
拉頻
壓控震盪器輸出端的負載若不匹配，會產生反射信號，干擾壓控震盪器工作，造成輸出頻率偏移，拉頻便是量測此頻率偏移量。量測條件是負載端有12dB的反射損失，相位由0o改變至360o，量測頻率偏移量，即最大與最小頻率的差。量測架構如(圖十一a)。其中的衰減器為6dB，信號在壓控震盪器輸出端及負載端來回一次便會衰減12dB；相位偏移器用來調整相位0o至360o；方向性偶合器裝在壓控震盪器輸出端及相位偏移器之間，取回由負載端反射的信號，送至頻譜分析儀量測頻率偏移量。配合軟體處理資料，可得類似(圖十二)。本參數為壓控震盪器各參數中，量測技巧較困難的一個，必須注意反射損失維持在9.5至12dB（或駐波比VSWR 2至1.67）之間，所以，可用一向量網路分析儀來確定調整相移器時，駐波比的變化。
另一測試法如(圖十一b)，適用於低頻的壓控震盪器，量測步驟如下：
- (1)將短路接頭（SHORT）裝在衰減器末端，略微調整相移器至頻率為最大（或最小）。
- (2)紀錄此頻率值為fmax（或fmin）。
- (3)將開路接頭（OPEN）裝在衰減器末端，使相位造成180o轉變，略微調整相移器至頻率為最小（或最大）。
- (4)紀錄此頻率值為fmin0（或fmax）。
- (5)fmax-fmin即為該壓控震盪器的拉頻參數。
相位雜訊、殘餘調頻、相位抖動
相位雜訊的定義已在圖四中說明，相位雜訊所表示的是震盪器短時間內的穩定度。量測相位雜訊的方法可分為三種：鎖相迴路（PLL）法、鑑頻器法（FM Discriminator）、頻譜直接量測法（SA）。一般Free Running VCO可用頻譜直接量測法或鑑頻器法做相位雜訊量測，若是TCXO、VCXO則應使用鎖相迴路法。
使用頻譜直接量測法應注意量測系統的頻率穩定機制或追蹤載波的功能限制，壓控震盪器輸出的震盪頻率對環境是相當敏感，若量測相位雜訊時載波頻率有漂移現象，便無法做精確測量。
相位雜訊L(f)與相位暫態頻譜密度Sφ(f) 的關係為：
相位抖動與相位暫態頻譜密度Sφ(f) 的關係為：
如果相位雜訊的結果為P[dBc]，則相位抖動可表示為：
殘餘調頻是另一個衡量頻率穩定度的參數，其定義為：給定的一頻寬內（一般為50Hz～3kHz、300Hz～3kHz、20Hz～15kHz），信號頻偏的均方根值（）。計算公式，如(公式四)所示，其中為信號相位抖動的頻譜密度，如(圖十三)所示。
PLL特性參數頻估
鎖相迴路頻率合成器必須產生純的信號。在設計鎖相迴路時，所選用的壓控震盪器、鎖相迴路 IC、石英震盪器、迴路濾波器、及Prescaler的特性必須符合一些需求：決定載波頻率的穩定度、降低相位雜訊及混波位準、是否能快速的改變頻率。信號合成器的架構使鎖相迴路輸出信號為一調頻信號，這會產生混波成份，迴路濾波器的設計可降低相位雜訊及混波。
鎖相迴路、鎖相時間（lockup time）本質上是被迴路濾波器的特性所影響，一般來說，愈高的迴路濾波器截止頻率會使時間常數變小，但卻會使鎖相迴路混波特性變差。
PLL頻率合成器特性參數
鎖相迴路頻率合成器的頻率穩定度與響應時間是互相矛盾的，在原型測試階段，下列的特性會一一被評估，以便設計迴路濾波器，來滿足整個鎖相迴路頻率合成器的需求如下列所示。
- ●震盪頻率（frequency）[Hz]
- ●震盪功率位準（Power Level）[dBm]
- ●相位雜訊（Phase Noise）[dBc/Hz]
- ●混波（Spurious）[dBc]
- ●鎖相時間（Lockup time）[sec]
- ●迴路頻寬（Loop bandwidth）[Hz]
需要下列不同的儀器來測試上列的特性參數：調變分析儀用於測試鎖相時間
、相位雜訊測試系統用於測試相位雜訊、頻譜分析儀用於測試混波特性、電腦用於控制PLL。
鎖相時間測試
鎖相時間（或稱暫態時間）的測試通常是要評估鎖相迴路頻率合成器頻率響應的速度。鎖相時間的定義是「震盪頻率改變至另一目標頻率至一定的容忍範圍內所需的時間」。如(圖十四)所示。
一般說來，在無線通訊系統中鎖相迴路頻率合成器的角色是精確快速的改變載波頻率以便與基地台建立通訊。不同的通訊系統有不同的載波切換時間規格，因此鎖相時間的測試非常重要。
目前一些鎖相迴路的設計是適用於雙頻或三頻的行動電話，如GSM、DCS及PCS模式（小於350微秒，μsec）。因此鎖相迴路信號合成器的鎖相時間對於三頻的行動電話能否正常工作扮演極重要角色。
傳統測試頻率暫態的鎖相時間的方法是用計頻的原理，例如使用調變分析儀，此法中，取樣時間與量測頻率頻寬會影響量測的頻率解析度。若使用較短的取樣率來捕捉快速的頻率暫態特性，則會損失頻率解析度，而造成無法測得頻率。因此量測系統的時間解析度與頻率解析度必須同時符合測試需求。
測試鎖相時間的困難點在於如何使測試系統的起使量測時間與鎖相迴路頻率合成器切換頻率的時間同步。一般有三種方法使測試系統的起使量測時間與鎖相迴路頻率合成器切換頻率的時間同步：
- (1)由測試儀器取代鎖相迴路控制電腦，將frequency division ratio data（data、clock及strobe signals）送至鎖相迴路，同時觸發進行測試，如(圖十五)。此功能必須測試儀器提供Digital I/O Port，並可撰寫程式編輯frequency division ratio data。此法最為準確但較為複雜。測試結果範例如(圖十六)。
- (2)是將鎖相迴路控制電腦送給鎖相迴路信號中的STROBE信號分給測試儀器當作外部觸發信號，於頻率切換時同時觸發量測。測試架構如(圖十七)所示。
- (3)則是使用儀器內建的value trigger功能，此功能設定一適當頻率值作為觸發量測的門檻，當鎖相迴路頻率合成器切換頻率時，頻率上升或下降至此一門檻頻率，儀器便被觸發開始測試。此法較不準確，門檻頻率必須被非常恰當的設置，否則測得的時間會小於正確值，或因鎖相迴路頻率合成器輸出頻率不穩定而造成誤觸量測。測試架構如(圖十八)所示。
| 《圖十八 使用value trigger方法測試架構》 |
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迴路濾波器設計考量
迴路濾波器的設計被視為設計鎖相迴路頻率合成器最關鍵的步驟，迴路濾波器是一個低通濾波器，介於相位比較器與壓控震盪器的控制電壓輸入電擊點之間，輸入必須考慮，可以消除相位比較器輸出相位修正脈波中的高頻信號，而且確保該脈波中僅有直流成份被餵至壓控震盪器。迴路濾波器的截止頻率愈低，則相位比較器輸出給壓控震盪器的洩漏信號愈可被壓抑掉。因此，鎖相迴路的混波亦可同時被壓制。降低迴路濾波器的截止頻率並不能壓制近載波的相位雜訊，另外此舉會導致較長的移頻時間（settling time=lockup time），如(圖十九)所示。反之，增加迴路濾波器的截止頻率，因可壓制近載波的相位雜訊，導致較短的移頻時間，如(圖二十)所示。
| 《圖十九 低迴路濾波器截止頻率對鎖相時間的影響範例》 |
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| 《圖二十 高迴路濾波器截止頻率對鎖相時間的影響範例》 |
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結論
在無線通訊設備中，如手機、無線網路卡等，壓控震盪器是一個關鍵元件，搭配鎖相迴路，成為信號合成器，用以產生不同頻率的信號。本單元介紹了壓控震盪器重要參數的定義與測試方法。
改善壓控震盪器的性能、縮短研發時間、降低成本，是現在競爭激烈行動通訊市場中的挑戰。各位高科技的研發工程師必須以最快速、有效率、精確的測試方法來提高產品品質、價值及利潤。（作者為台灣安捷掄科技電子儀器事業群技術顧問）
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