頻譜分析與 RF 測試深度解析：5G/mmWave 的線性度、雜訊與 OTA 挑戰

現代頻譜環境的複雜性與測試變革

無線通訊技術的演進，不僅是傳輸速率的提升，更是一場關於「頻譜效率」與「訊號完整性」的極限博弈，對於資深的射頻 (RF) 測試工程師而言，我們面對的不再是單純的發射機與接收機驗證，而是一個擁擠、動態且充滿干擾的電磁生態系統。

過去，頻譜被視為無限且獨立的資源；如今，它更像是寸土寸金的黃金地段，隨著 5G 與未來 6G 技術的推進，頻段從傳統擁擠不堪的 Sub-6 GHz 延伸至充滿物理挑戰的毫米波 (mmWave) 頻段，這種環境的劇變，直接驅動了 RF 測試方法論的根本性變革，我們必須從「驗證單一指標」轉向「評估系統級交互作用」，並在測試中模擬真實世界的惡劣條件。

跨越頻率的挑戰：Sub-6 GHz 與毫米波的融合

頻率的物理特性決定了測試的邊界條件，在 Sub-6 GHz 頻段，電磁波具有較強的繞射能力，能夠容忍一定程度的遮擋，路徑損耗相對可控；然而，當我們跨入毫米波頻段，物理規則雖然未變，但其表現形式卻變得極為嚴苛；毫米波的傳播特性更接近光，對路徑損耗極為敏感，且幾乎沒有繞射能力，任何微小的實體障礙物都可能導致鏈路中斷。

這導致了測試策略的巨大分歧，在低頻段，我們習慣使用傳導測試 (Conducted Test)，透過同軸電纜直接連接儀器與待測物 (DUT)，這種方式排除了環境干擾，能精確量測收發機性能，但在毫米波頻段，由於天線尺寸極小且往往與射頻前端模組 (RFFE) 高度整合（封裝天線，AiP），傳統的 RF 連接器已無處容身，此外，毫米波依賴高增益的波束成形 (Beamforming) 來克服路徑損耗，這種空間特性無法通過單一電纜傳導來驗證。

因此，空中傳輸測試 (Over-the-Air, OTA) 不再是選配，而是毫米波測試的唯一途徑，工程師面臨的挑戰從單純的電路參數測量，轉變為在暗室 (Chamber) 中控制複雜的空間場型、路徑損耗校準以及高精度的機械定位，這要求我們必須同時具備電磁場理論與傳統射頻測試的雙重思維。

頻譜共存與監管的嚴格要求

頻譜資源的稀缺性迫使我們必須在有限的空間內塞入更多訊號，授權頻段 (Licensed Band) 雖然提供了受控的干擾環境，但非授權頻段 (Unlicensed Band)（如 Wi-Fi 6E/7 使用的 6GHz）則如同西部荒野，設備必須具備強大的抗干擾與共存機制。

更為複雜的是動態頻譜共享 (Dynamic Spectrum Sharing, DSS) 技術的引入，DSS 允許 4G LTE 與 5G NR 在同一頻段內，根據流量需求毫秒級地動態分配資源，這對測試提出了極高要求：測試儀器必須能夠解析這種快速切換的時頻結構，驗證當 5G 訊號插入 LTE 子幀時，是否會對彼此產生非預期的干擾或導致解調失敗。

在此背景下，監管機構（如 FCC, ETSI）制定的標準成為了我們測試的絕對邊界，等效全向輻射功率 (EIRP) 限制了設備的發射強度以防止過度覆蓋造成干擾，而頻外發射 (Out-of-Band Emissions, OOBE) 則嚴格規範了訊號洩漏到鄰近頻段的能量，對於測試工程師而言，OOBE 不僅僅是一個法規數字，它是對濾波器設計、功率放大器線性度以及系統雜訊底層的綜合考驗。

射頻系統的核心衝突：線性度、效率與雜訊的權衡

RF 系統設計的本質，在於管理一組永恆的矛盾：我們追求最高的能量效率，渴望最遠的傳輸距離（高功率），同時要求最完美的訊號品質（高線性度），然而，物理定律告訴我們，這些目標往往是互斥的，身為測試工程師，我們的工作就是量化這種權衡 (Trade-off) 的代價。

功率放大器 (PA) 的挑戰：效率與線性度的博弈

功率放大器 (PA) 是射頻前端最耗電的元件，也是非線性失真的主要來源，為了延長電池壽命或降低散熱成本，設計者傾向於讓 PA 運作在接近飽和區 (Saturation Region)，此時效率最高，然而，飽和區意味著 PA 的輸出功率不再隨輸入功率線性增加，增益開始下降，這種現象稱為增益壓縮 (Gain Compression)。

從頻譜的角度來看，時域上的波形被「削頂」(Clipping) 或扭曲，在頻域上會直接轉化為頻譜再生 (Spectral Regrowth)，原本乾淨、頻寬受限的訊號，其能量會像潑濺的水一樣擴散到原本應該安靜的鄰近通道。

這種物理現象在測試中具體表現為鄰近通道洩漏比 (Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR) 的惡化，ACLR 量測的是主通道功率與洩漏到相鄰通道功率的比值，工程師必須深刻理解：ACLR 的降低（變差）不僅僅是數字的變化，它意味著 PA 的非線性正在製造干擾，這可能導致產品無法通過法規認證，或嚴重影響同一地理區域內其他使用者的通訊品質。

複雜波形的影響：PAPR 與其後果

現代通訊標準（如 LTE, 5G NR, Wi-Fi）普遍採用正交分頻多工 (OFDM) 技術，OFDM 訊號由數百甚至數千個子載波組成，當這些子載波在時域上相位一致並疊加時，會產生極高的瞬時功率峰值，這導致了高峰均功率比 (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) 的特性。

高 PAPR 是 PA 的噩夢，為了確保那些偶爾出現的高功率峰值不進入飽和區而被削波（從而導致上述的 ACLR 惡化），PA 的平均工作點必須從飽和區向後退，這稱為功率回退 (Power Back-off)，然而，回退越多，PA 的效率就越低，大部分能量轉化為熱能而非射頻功率，這就是為什麼現代系統必須依賴數位預失真 (Digital Pre-Distortion, DPD) 技術——透過數位演算法預先產生與 PA 失真相反的特性來抵消非線性，從而允許 PA 在較高效率點運作。

在測試中，我們使用互補累積分布函數 (CCDF) 來描述訊號的功率統計特性，CCDF 曲線告訴我們，訊號功率超過平均值某個特定分貝數的機率是多少，對於測試工程師而言，準確生成具有特定 CCDF 特性的測試波形，是驗證 PA 在真實負載下性能的前提。

交互調變失真 (IMD) 與寬頻系統

當頻譜變得擁擠，或者我們使用載波聚合 (Carrier Aggregation, CA) 同時發射多個頻率的訊號時，非線性的另一個惡魔——交互調變失真 (Intermodulation Distortion, IMD) 便會現身。

當兩個或多個頻率的訊號通過非線性元件時，它們不僅會產生諧波，還會彼此「混合」，產生出新的頻率分量。其中，三階交互調變 (IMD3) 最為致命，因為產生的失真產物往往落在極靠近原本訊號的頻率範圍內，無法透過濾波器濾除。

為了量化這種風險，我們使用三階截斷點 (Third-Order Intercept Point, IP3)。IP3 是一個虛擬的理論點，代表了基頻訊號功率與 IMD3 功率相等的點。IP3 越高，代表系統的線性度越好，產生交互調變的門檻越高。實務上，我們透過雙音測試 (Two-tone Test) 來推算 IP3。測試工程師需要警惕的是，寬頻系統中的 IMD 不僅影響發射品質，在接收端，強大的干擾訊號若產生 IMD 產物落在接收頻帶內，將直接覆蓋微弱的有用訊號。

雜訊的侵蝕：靈敏度與訊號品質

如果說非線性是強訊號帶來的問題，那麼雜訊就是弱訊號的殺手。雜訊指數 (Noise Figure, NF) 描述了訊號通過系統（如低雜訊放大器 LNA）後，訊噪比 (SNR) 惡化的程度。NF 直接決定了接收機的靈敏度底線。

然而，在頻譜應用中，相位雜訊 (Phase Noise) 往往比熱雜訊更具破壞力。相位雜訊源自本地振盪器 (LO) 的頻率不穩定性。在頻域上，理想的載波是一根細針，而帶有相位雜訊的載波則像穿了一條「裙子」，能量向兩側擴散。

這種「裙擺效應」會導致兩個嚴重後果：第一，在高階調變（如 QAM）中，它會導致星座圖點在切線方向旋轉擴散，造成符號判決錯誤；第二，是交互混頻 (Reciprocal Mixing) 效應。當一個強大的鄰近干擾訊號與具有高相位雜訊的 LO 混合時，干擾訊號的「裙擺」會被轉換到中頻，直接掩蓋掉我們想要接收的微弱目標訊號。對於測試工程師來說，這意味著在進行抗干擾測試時，LO 的純淨度往往是隱形的瓶頸。

綜合性能驗證與先進技術挑戰

所有的射頻損傷——非線性、雜訊、頻率響應誤差——最終都會匯聚到一個核心指標上進行審判。

EVM：系統健康的最終裁決

誤差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM) 是衡量數位調變訊號品質的黃金指標。它計算的是星座圖上實際解調出的符號位置與理想參考位置之間的向量差。EVM 就像是系統的綜合體檢報告。

對於 RF 測試工程師來說，EVM 只有一個數值是不夠的。我們需要具備「拆解」EVM 的能力。如果星座點呈現圓形擴散，通常是雜訊（熱雜訊或相位雜訊）作祟；如果外圈的星座點被壓縮向中心靠攏，這是 PA 的非線性增益壓縮所致；如果星座圖整體旋轉，則是頻率同步或相位誤差的問題。將 EVM 與上述的 ACLR、IMD、NF 概念連結，才能真正診斷出系統的病灶。

5G NR 的彈性與複雜度

5G NR 引入了頻寬部分 (Bandwidth Parts, BWP) 和彈性參數集 (Flexible Numerology)，允許網路根據需求動態調整子載波間隔和頻寬。這意味著測試場景呈指數級增加。我們不再只是測量一個固定的通道，而是要驗證在 BWP 切換瞬間，射頻前端是否能維持穩定的功率控制和線性度。此外，載波聚合 (CA) 組合的爆炸式增長，使得跨頻段的交互調變產物預測變得極為困難，測試工程師必須依賴精密的頻率規劃工具來識別潛在的測試陷阱。

空間維度的測試：Massive MIMO 與波束成形

Massive MIMO 技術通過空間複用 (Spatial Multiplexing) 在同一頻率資源上傳輸多路數據流。這將測試維度從「功率-頻率」擴展到了「空間」。在 OTA 測試中，我們不僅要看總功率，更要驗證波束的指向精度、波束寬度以及旁瓣電平 (Sidelobe Levels)。旁瓣過高意味著能量洩漏到了不需要的空間方向，這不僅浪費能量，更會對空間中的其他用戶造成干擾。測試工程師必須學會解讀 3D 輻射場型圖，將空間上的能量分佈與系統的波束成形權重演算法聯繫起來。

精準量測的藝術：儀器設定與數據解讀

理解了物理現象後，如何透過儀器精確捕捉這些現象，是區分新手與專家的分水嶺。

選擇合適的分析工具

工欲善其事，必先利其器。向量網路分析儀 (VNA) 是分析元件線性特性與 S 參數（反射、傳輸）的基石；但在處理現代數位調變訊號時，向量訊號分析儀 (VSA) 則是不可或缺的，因為它能解調訊號，提供相位與幅度隨時間變化的資訊，從而計算 EVM。而面對瞬息萬變的干擾或跳頻訊號，實時頻譜分析儀 (RTSA) 憑藉其無間隙的訊號捕捉能力和餘暉顯示 (Persistence Display)，能讓我們「看見」那些傳統掃描式頻譜儀漏掉的瞬間脈衝。

頻譜分析的關鍵設定

在頻譜分析中，解析頻寬 (Resolution Bandwidth, RBW) 的設定是一門藝術。RBW 就像是濾波器的窗口寬度。調低 RBW，頻譜底噪降低，靈敏度提高，我們能區分兩個極為靠近的訊號，但代價是掃描速度大幅變慢；調高 RBW，測試速度變快，但可能會將窄頻干擾淹沒在雜訊底層中，或無法分辨靠得太近的載波。

同樣關鍵的是檢波器 (Detectors) 的選擇。對於連續波 (CW)，各類檢波器差異不大；但對於具有高 PAPR 的 5G 訊號，使用峰值 (Peak) 檢波器會顯示訊號的瞬間最大值，這對評估干擾潛力至關重要；而均方根 (RMS) 檢波器則反映訊號的平均功率，這才是計算訊號能量和 ACLR 的正確依據。錯誤的檢波器設定會導致數 dB 的量測誤差，這在嚴格的規範邊緣是致命的。

面向未來的 RF 測試工程師

未來的頻譜環境將更加擁擠，訊號波形將更加複雜。對於 RF 測試工程師而言，僅僅會操作儀器已遠遠不夠。我們必須深入理解線性度、效率與雜訊之間的深層物理聯繫，理解系統級的交互作用。

從 PA 的非線性如何轉化為頻譜的擴散，到相位雜訊如何侵蝕調變品質，再到 OTA 環境下空間特性的驗證，每一個測試環節都需要深厚的理論支撐。精準的量測不僅是為了通過標準，更是為了在物理極限的邊緣，為無線通訊系統挖掘出最後一點性能潛力。這就是頻譜的藝術與科學。