对无线通信设备而言，如移动电话，压控震荡器（VCO）是产生高频信号的主要组件，其所震荡出不同的频率是依据所给予的直流调整控制电压，压控震荡器是信号合成器的电路中的主要组件。
目前行动通讯系统要求高通讯质量、高数据率、高工作频率以及在单位带宽内能有更多的频道。由于这类设备大多都是手提携带式，所以必须具备低耗电及小体积的特性。综合这些限制，使得整个设计乃至于组件的选择及评估都更具挑战。锁相回路信号合成器（PLL Synthesizer）便是其中一个部分。锁相回路信号合成器提供精确的步阶射频信号，其利用压控震荡器输出信号的相位锁住石英震荡器的参考信号。
一般信号合成器包含了压控震荡器（VCO）、锁相回路（PLL）、参考频率（Crystal/TCXO）及一个回路滤波器（Loop Filter），如(图一)所示。震荡器产生射频信号，锁相回路控制及稳定频率，回路滤波器的设计必须整合所有组件效应，在噪声及瞬时响应时间之间作一取舍评估压控震荡器与锁相回路组件需要许多不同架构的测试系统，来完成信号位准、功率、频率、时间及相位调变相关参数的量测。
本文将描述压控震荡器及锁相回路特性参数的意义及测试方法，并说明回路滤波器的设计会如何影响信号合成器的工作
VCO的特性参数
VCO特性参数
Voltage Controlled oscillator（VCO）是一种输出弦波信号的震荡器，输出信号的频率会随着控制端口的电压大小而改变，一般输出弦波信号的功率大小是固定的。
以下所列为一般常见的压控震荡器量测参数，欲执行这些参数的量测，必须使用许多仪器，包含两个直流电源供应器提供VCO的电源供应及控制电压。
- ●震荡频率（frequency）[Hz]
- ●震荡功率位准Power Level）[dBm]
- ●相位噪声（Phase Noise）[dBc/Hz]
- ●残余调频（residual FM）[Hz rms]
- ●直流消耗电流[mA]
- ●控频灵敏度（Tuning Sensitivity）[Hz/V]
- ●谐波（Harmonics）与混波（Spurious）[dBc]
- ●推频（Frequency Pushing）[Hz/V]与拉频（Frequency Pulling）[Hz p-p]
至少需要九种以上的仪器，如(图二)所示，以及控制软件与计算程序才能完整评估上述参数并分析量测结果。所需要的设备包含：低噪声直流电源供应器（供应控制电压）、直流电源供应器（供应偏压电源）、数字三用电表（量测直流消耗电流）、计频器（量测震荡频率）、射频功率计（量测震荡功率位准）、频率/电压转换器（量测调频频偏及瞬时时间）、频谱分析仪（量测相位噪声及频谱）、音频信号分析仪（量测调变信号）、信号产生器（提供转频所需之本地震荡频率及功率）。
控制电压源噪声对VCO的影响
如使用通用型的直流电源供应器来供应压控震荡器的控制电压，将因直流电源供应器的噪声成分，使得压控震荡器的相位噪声量测失真，无法得到真正的相位噪声，如(图三)所示。如欲压制直流电源供应器的噪声成分，可使用一低通滤波器于压控震荡器的控制电压输入端，低通滤波器的截止频率愈低则需愈长的时间常数，可使压控震荡器的震荡频率及震荡功率更稳定，但须较长时间，这又会使载波频率（震荡频率）受温、湿度或外来噪声影响而变化，影响相位噪声的精确度。
压控震荡器产生的频率成分有可能从DC控制电压端口泄漏回电源供应器，因电源供应器与压控震荡器的DC控制电压端口的阻抗并不匹配，这会造成射频反射信号来回震荡，影响压控震荡器的输出频率特性与功率位准。为改善此一现象，可在此二端口间插入一低通滤波器，截止频率为100kHz至1MHz之间，可衰减射频反射信号。另外亦建议使用同轴线于电源供应器与压控震荡器的DC控制电压端口之间。
VCO震荡频率稳定度及相位噪声特性评估
相位噪声是一种随机噪声，其定义为「距载波一特定偏移频率之噪声功率密度与载波信号强度之比值」。
当使用频谱分析仪量测压控震荡器相位噪声时，一个困难点是震荡频率漂移或跳动，这有可能是因为量测时温度的变化、压控震荡器被震动或冲撞，这样的情况会让量测结果造成错误，如(图四)。这种状况是无法以平均或校正的方式来移除，所以保持震荡频率的稳定是相当重要的。然而，压控震荡器的震荡频率对环境是相当敏感，因此，量测系统的频率稳定机制或追踪载波的功能便显得非常重要。
量测系统的相位噪声必须比待测物的相位噪声好，量测系统不可能量到比本身相位噪声还低的待测物，即使待测物的相位噪声比量测系统高出一些，这样的结果还是会有相当大的误差。
目前的数字行动通讯系统使用不同的调变技术来改善带宽的使用效率，以及降低字符错误率。ACPR（邻近信道功率比）可表示发射或接收信号的纯度，包含了失真现象、数字信号的AM噪声，而且也包含相位噪声。
相位抖动（phase jitter）量测对预估CLOCK频率信号相当重要，例如应用在雷达或数字通讯系统。相位抖动的增加会造成发射、接收距离或量化误差，亦会造成不规则取样而有位错误。相位抖动相当于相位噪声造成的残余相位调变。相位抖动可以用相位噪声计算而得。
VCO特性评估
压控震荡器的特性参数可利用第一节所提的九种仪器来进行量测，亦可使用VCO/PLL信号测试仪进行测试，以下一一介绍各参数的测试架构及方法。
震荡频率与控频灵敏度
给于压控震荡器不同的控制电压，其输出的射频频率会随之改变，如(图五)频率控制特性图（F-V特性图），横轴为控制电压，纵轴为输出之射频频率，该曲线的斜率变化图即为控频灵敏度。
测试架构如(图六)，包含两个低噪声直流电源供应器提供VCO的偏压及控制电压，一台精确频谱分析仪来量测频率、两个Bias Tee分别装在偏压及控制电压路径上来消除直流电源噪声。频谱分析仪的RBW及SPAN必须做适当设定，以Marker Peak Search来测得频率变化。另必须搭配自动控制软件，经GPIB接口控制所有设备及读取量测数据，并加以整理才能得到类似图五的F-V特性图。
震荡功率位准
给于压控震荡器不同的控制电压，其相对应输出的射频频率之输出功率会维持一定值，但会有一些偏移，一般以抖动（Ripple）来衡量，如(图七)，横轴为控制电压，纵轴为输出之射频功率。Ripple有两种解释，一为功率的峰对峰值（Peak to Peak）Ripple＝Pmax－Pmin，另一为最大与最小的平均值Ripple＝（Pmax＋Pmin）/2。
测试架构如(图八)，包含两个低噪声直流电源供应器提供VCO的偏压及控制电压，一台精确功率计来量测功率变化、两个Bias Tee分别装在偏压及控制电压路径上来消除直流电源噪声。另必须搭配自动控制软件，经GPIB接口控制所有设备及读取量测数据，并加以整理才能得到类似图七的结果。
谐波与混波
一般压控震荡器都是非线性组件，所以会产生谐波与混波。谐波与混波的量测可以用图六的架构。压控震荡器射频输出频率称为载波（或基频信号），谐波是载波频率整数倍的信号，如载波为1GHz，则2GHz、3GHz、4GHz为谐波，另0.5倍载波频率的信号称为次谐波（sub-Harmonic）；除了谐波与次谐波的信号，称为混波。谐波量测为量测各谐波与主信号的功率差，单位为dBc。混波量测为量测各混波与主信号的功率差，单位为dBc。(图九)为一混波量测实例。
推频
推频是压控震荡器对偏压的灵敏度量测，给定一控制电压，而些微变化偏压，量测输出频率的变化量，单位为MHz/Volt。可以用图六的架构来量测，先设定偏压在正常工作电压，记录不同控制电压下的输出频率，接着将偏压增加1Volt，记录不同控制电压下的输出频率，接着将偏压减少1Volt，记录不同控制电压下的输出频率。在固定的控制电压下，依上述的量测结果，计算偏压改变1Volt时，输出频率的变化，便是推频。不同的控制电压下，可能会有不同的推频。使用简单的程序，便可完成上述的自动化量测。(图十)是一个量测实例。
拉频
压控震荡器输出端的负载若不匹配，会产生反射信号，干扰压控震荡器工作，造成输出频率偏移，拉频便是量测此频率偏移量。量测条件是负载端有12dB的反射损失，相位由0o改变至360o，量测频率偏移量，即最大与最小频率的差。量测架构如(图十一a)。其中的衰减器为6dB，信号在压控震荡器输出端及负载端来回一次便会衰减12dB；相位偏移器用来调整相位0o至360o；方向性偶合器装在压控震荡器输出端及相位偏移器之间，取回由负载端反射的信号，送至频谱分析仪量测频率偏移量。配合软件处理数据，可得类似(图十二)。本参数为压控震荡器各参数中，量测技巧较困难的一个，必须注意反射损失维持在9.5至12dB（或驻波比VSWR 2至1.67）之间，所以，可用一向量网络分析仪来确定调整相移器时，驻波比的变化。
另一测试法如(图十一b)，适用于低频的压控震荡器，量测步骤如下：
- (1)将短路接头（SHORT）装在衰减器末端，略微调整相移器至频率为最大（或最小）。
- (2)纪录此频率值为fmax（或fmin）。
- (3)将开路接头（OPEN）装在衰减器末端，使相位造成180o转变，略微调整相移器至频率为最小（或最大）。
- (4)纪录此频率值为fmin0（或fmax）。
- (5)fmax-fmin即为该压控震荡器的拉频参数。
相位噪声、残余调频、相位抖动
相位噪声的定义已在图四中说明，相位噪声所表示的是震荡器短时间内的稳定度。量测相位噪声的方法可分为三种：锁相回路（PLL）法、鉴频器法（FM Discriminator）、频谱直接量测法（SA）。一般Free Running VCO可用频谱直接量测法或鉴频器法做相位噪声量测，若是TCXO、VCXO则应使用锁相回路法。
使用频谱直接量测法应注意量测系统的频率稳定机制或追踪载波的功能限制，压控震荡器输出的震荡频率对环境是相当敏感，若量测相位噪声时载波频率有漂移现象，便无法做精确测量。
相位噪声L(f)与相位瞬时频谱密度Sφ(f) 的关系为：
相位抖动与相位瞬时频谱密度Sφ(f) 的关系为：
如果相位噪声的结果为P[dBc]，则相位抖动可表示为：
残余调频是另一个衡量频率稳定度的参数，其定义为：给定的一带宽内（一般为50Hz～3kHz、300Hz～3kHz、20Hz～15kHz），信号频偏的均方根值（）。计算公式，如(公式四)所示，其中为信号相位抖动的频谱密度，如(图十三)所示。
PLL特性参数频估
锁相回路频率合成器必须产生纯的信号。在设计锁相回路时，所选用的压控震荡器、锁相回路 IC、石英震荡器、回路滤波器、及Prescaler的特性必须符合一些需求：决定载波频率的稳定度、降低相位噪声及混波位准、是否能快速的改变频率。信号合成器的架构使锁相回路输出信号为一调频信号，这会产生混波成份，回路滤波器的设计可降低相位噪声及混波。
锁相回路、锁相时间（lockup time）本质上是被回路滤波器的特性所影响，一般来说，愈高的回路滤波器截止频率会使时间常数变小，但却会使锁相回路混波特性变差。
PLL频率合成器特性参数
锁相回路频率合成器的频率稳定度与响应时间是互相矛盾的，在原型测试阶段，下列的特性会一一被评估，以便设计回路滤波器，来满足整个锁相回路频率合成器的需求如下列所示。
- ●震荡频率（frequency）[Hz]
- ●震荡功率位准（Power Level）[dBm]
- ●相位噪声（Phase Noise）[dBc/Hz]
- ●混波（Spurious）[dBc]
- ●锁相时间（Lockup time）[sec]
- ●回路带宽（Loop bandwidth）[Hz]
需要下列不同的仪器来测试上列的特性参数：调变分析仪用于测试锁相时间
、相位噪声测试系统用于测试相位噪声、频谱分析仪用于测试混波特性、计算机用于控制PLL。
锁相时间测试
锁相时间（或称瞬时时间）的测试通常是要评估锁相回路频率合成器频率响应的速度。锁相时间的定义是「震荡频率改变至另一目标频率至一定的容忍范围内所需的时间」。如(图十四)所示。
一般说来，在无线通信系统中锁相回路频率合成器的角色是精确快速的改变载波频率以便与基地台建立通讯。不同的通讯系统有不同的载波切换时间规格，因此锁相时间的测试非常重要。
目前一些锁相回路的设计是适用于双频或三频的移动电话，如GSM、DCS及PCS模式（小于350微秒，μsec）。因此锁相回路信号合成器的锁相时间对于三频的移动电话能否正常工作扮演极重要角色。
传统测试频率瞬时的锁相时间的方法是用计频的原理，例如使用调变分析仪，此法中，取样时间与量测频率带宽会影响量测的频率分辨率。若使用较短的取样率来捕捉快速的频率瞬时特性，则会损失频率分辨率，而造成无法测得频率。因此量测系统的时间分辨率与频率分辨率必须同时符合测试需求。
测试锁相时间的困难点在于如何使测试系统的起使量测时间与锁相回路频率合成器切换频率的时间同步。一般有三种方法使测试系统的起使量测时间与锁相回路频率合成器切换频率的时间同步：
- (1)由测试仪器取代锁相回路控制计算机，将frequency division ratio data（data、clock及strobe signals）送至锁相回路，同时触发进行测试，如(图十五)。此功能必须测试仪器提供Digital I/O Port，并可撰写程序编辑frequency division ratio data。此法最为准确但较为复杂。测试结果范例如(图十六)。
- (2)是将锁相回路控制计算机送给锁相回路信号中的STROBE信号分给测试仪器当作外部触发信号，于频率切换时同时触发量测。测试架构如(图十七)所示。
- (3)则是使用仪器内建的value trigger功能，此功能设定一适当频率值作为触发量测的门坎，当锁相回路频率合成器切换频率时，频率上升或下降至此一门坎频率，仪器便被触发开始测试。此法较不准确，门坎频率必须被非常恰当的设置，否则测得的时间会小于正确值，或因锁相回路频率合成器输出频率不稳定而造成误触量测。测试架构如(图十八)所示。
| 《图十八 使用value trigger方法测试架构》 |
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回路滤波器设计考虑
回路滤波器的设计被视为设计锁相回路频率合成器最关键的步骤，回路滤波器是一个低通滤波器，介于相位比较器与压控震荡器的控制电压输入电击点之间，输入必须考虑，可以消除相位比较器输出相位修正脉波中的高频信号，而且确保该脉波中仅有直流成份被喂至压控震荡器。回路滤波器的截止频率愈低，则相位比较器输出给压控震荡器的泄漏信号愈可被压抑掉。因此，锁相回路的混波亦可同时被压制。降低回路滤波器的截止频率并不能压制近载波的相位噪声，另外此举会导致较长的移频时间（settling time=lockup time），如(图十九)所示。反之，增加回路滤波器的截止频率，因可压制近载波的相位噪声，导致较短的移频时间，如(图二十)所示。
| 《图十九 低回路滤波器截止频率对锁相时间的影响范例》 |
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| 《图二十 高回路滤波器截止频率对锁相时间的影响范例》 |
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结论
在无线通信设备中，如手机、无线网络卡等，压控震荡器是一个关键组件，搭配锁相回路，成为信号合成器，用以产生不同频率的信号。本单元介绍了压控震荡器重要参数的定义与测试方法。
改善压控震荡器的性能、缩短研发时间、降低成本，是现在竞争激烈行动通讯市场中的挑战。各位高科技的研发工程师必须以最快速、有效率、精确的测试方法来提高产品质量、价值及利润。（作者为台湾安捷抡科技电子仪器事业群技术顾问）
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