📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 5周 🛰️ 讓電波飛起來：電磁 × 微波 × 天線
——電波真正「飛起來」的物理工程
49／150單元： 相位雜訊與振盪器 🌫 基站穩定度核心
—— 沒有穩定 LO，就沒有 5G/6G/LEO**
________________________________________
🎯 單元導讀
前面我們學了 PA/LNA/Mixer 都超重要。
但有一個元件比它們更神、也更容易被忽略——
⭐ 振盪器（Oscillator）
⭐ 相位雜訊（Phase Noise）
振盪器是：
✔ 調變的載波
✔ 混頻器的本振（LO）
✔ 整個基地台的時鐘
✔ MIMO 同步的基準
✔ Beamforming 的相位基準
✔ LEO 追蹤的頻率 reference
✔ 雷達距離角度估計的核心
而相位雜訊 = 振盪器的「不穩定性」
它會導致：
✘ EVM 惡化
✘ ACP/Ripple 增加
✘ 調變崩壞（尤其 QAM256 / QAM1024）
✘ MIMO 波束偏移
✘ 星鏈追蹤脫鎖
✘ 基地台間無法同步 → 互干擾加劇
所以本章教你：
⭐ 振盪器到底如何產生？
⭐ 為什麼會有相位雜訊？
⭐ 雜訊如何影響 5G、6G、LEO？
⭐ 基地台如何用 PLL/同步網修正相位偏移？
________________________________________
🧠 一、振盪器 Oscillator：通訊的心跳
振盪器是一個「能自己震動」的電路。
例如：
• LC 振盪器
• PLL / VCO
• Ring Oscillator
• Crystal Oscillator（XO）
• TCXO / OCXO（溫度補償版）
振盪器必須滿足：
Aβ = 1
其中：
A：放大器增益
β：回授係數
此條件表示回授迴路中的訊號在繞行一圈後，振幅維持不變且相位為 0°（或 360° 的整數倍），才能形成並維持穩定振盪。若 Aβ 小於 1，振盪會逐漸衰減；若 Aβ 大於 1，振盪振幅會增大並需透過非線性效應達到穩定狀態。
意思是：
回授增益剛好可以維持震盪 → 自己就會一直「哼」出那個頻率。
振盪器不是完美正弦波
它會出現隨機相位漂移 = 相位雜訊。
________________________________________
🌫 二、什麼是相位雜訊？（最直覺版本）
相位雜訊 = 振盪器輸出正弦波的「飄動」。
看起來像這樣：
完美波： ~~~~~~~~~~~~
真實波： ~~ ~~~ ~~~~~ ~~ ~~
↑ ↑ ↑
相位晃動
頻域中相位雜訊是：
⭐ 主載波旁邊的「噪聲裙 (Phase Noise Skirt)」
表示能量不集中 → 調變不純。
________________________________________
🔍 三、相位雜訊公式（概念版）
相位雜訊（Phase Noise）通常以 L(f)（單位：dBc/Hz）表示，用來描述在偏離載波主頻 f Hz 處的雜訊功率密度。
L(f) 的數值越低，代表振盪器或頻率源的頻譜越乾淨，相位穩定度越高，對調變品質、頻譜純度與系統效能的影響也越小，因此相位雜訊是高頻與通訊系統中「越低越好」的重要指標。
例：
• –90 dBc/Hz（差）
• –120 dBc/Hz（普通）
• –140 dBc/Hz（很好）
• –155 dBc/Hz（衛星等級）
________________________________________
📡 四、為什麼相位雜訊會害死無線通訊？
因為 5G/6G 調變方式（QAM256、QAM1024）非常依賴相位。
📌 相位雜訊會造成：
________________________________________
① 調變誤差（EVM 上升）
星形圖會變成糊的：
理想： 雜訊後：
• • • ◯ * ⋆
• • • → ⋆ ⋯ ◯
• • • ✧ • ⋱
在理想狀態下，調變訊號的星形圖（Constellation Diagram）中，各符號點應集中且清楚分離；然而當系統受到相位雜訊、熱雜訊或非線性失真的影響時，符號點會在理想位置周圍產生隨機擴散，導致星形圖「變糊」。這種擴散會增加符號判斷的不確定性，提高 EVM 與錯誤率，最終使通訊系統的調變品質與資料傳輸可靠度下降。
________________________________________
② 鄰頻髒污（ACP 上升）
相位雜訊 → 帶外能量增加 → NCC 法規可能不符。
________________________________________
③ MIMO Beamforming 失準
因為 beamforming = 相位控制。
相位雜訊 → 相位誤差 → 波束歪掉。
對 Massive MIMO 尤其致命。
________________________________________
④ 5G TDD 同步失敗
TDD 需要「超高精準時鐘」。
相位雜訊太大會導致：
• UL/DL 邊界錯誤
• 跨基地台干擾
• 同步失鎖 → Cell Down
________________________________________
⑤ LEO/Starlink 追蹤誤差
衛星相對速度快 → 大 Doppler shift
振盪器穩定度越差 → 跟不上補償。
________________________________________
🧩 五、振盪器的種類與應用
________________________________________
1️⃣ XO（晶體震盪器）
最穩定、最乾淨。
基地台、衛星全部依賴它。
________________________________________
2️⃣ TCXO / OCXO（溫度補償晶振）
TCXO：補償溫度
OCXO：用小烤箱保溫 → 衛星／高精準基地台用
Starlink 天線板就用 OCXO。
________________________________________
3️⃣ PLL（Phase Locked Loop）
用「相位鎖定」來產生任意 LO 頻率。
現代通訊都是 PLL + VCO 組成。
優點：
✔ 可變頻
✔ 數位控制
✔ 精準鎖定
________________________________________
🔄 六、PLL（相位鎖定迴路）如何讓 LO「不會亂飄」？
在鎖相迴路（PLL）中，系統會持續比較 VCO（Voltage-Controlled Oscillator）的輸出頻率 與 參考頻率（通常來自高穩定度的晶體振盪器 XO） 的相位與頻率差異。比較結果經由相位偵測器與迴路濾波器轉換為控制電壓，用來調整 VCO，使其頻率與相位逐步鎖定到參考頻率。透過這種回授機制，PLL 能同時達成頻率合成、相位同步與雜訊抑制，是現代通訊系統中產生穩定載波與本地振盪訊號的核心架構。
如果有偏差 →
會「調整 VCO」直到完全跟上參考。
⭐ XO 負責穩定
⭐ VCO 提供頻率
⭐ PLL 負責糾錯
三者合在一起 → 形成超穩的本振。
________________________________________
🛰 七、LEO/Starlink 的相位雜訊挑戰
LEO 最大問題是：
✔ 溫度極端
✔ 巨大 Doppler shift
✔ 要控制上百條 beam 的 phase
✔ 多顆衛星 handover 迅速
✔ VCO 要在高壓輻射、高低溫中保持穩定
所以 Starlink 使用：
• OCXO
• 多級 PLL
• 溫度補償 LUT
• 低噪聲 RFIC
相位雜訊一差 →
波束會歪 → 鎖星失敗 → 連線斷。
________________________________________
🏙 八、電信基地台的相位穩定策略
宏基站必須符合：
✔ 超嚴格的相位穩定度
✔ 5G TDD 同步規範
✔ 多基地台間的高精準時鐘（PTP、GPS）
基地台內部：
• XO（reference）
• PLL（頻率合成）
• Phase Sync（小區間同步）
• DPD 校正（需低 phase noise 才準）
• MIMO Beamforming（靠相位一致）
任何一個環節出錯 → 全網干擾。
________________________________________
📈 九、ASCII：相位雜訊的頻譜外觀
|← phase-noise skirt →|
│ 🌫🌫🌫🌫🌫
功率 (dB) │ 🌫🌫🌫🌫🌫🌫
│ 🌫🌫🌫🌫🌫🌫🌫
Carrier → ●───────────────
頻率 →
越窄越好，越低越好。
此示意圖描繪載波頻譜周圍的相位雜訊分布情形，中央的實心點代表理想的載波頻率，而其兩側呈裙狀擴散的區域即為相位雜訊所形成的頻譜「skirt」。相位雜訊越大，skirt 便越寬、越高，表示在偏離載波的頻率處仍存在較多雜訊功率；反之，skirt 越窄、雜訊水準越低，代表振盪器的頻譜純度越佳，對鄰頻干擾、調變品質與接收靈敏度的影響也越小。因此，相位雜訊在頻譜上「越窄越好、越低越好」。
________________________________________
🛠 十、實務題（CHT／Starlink／5G）
________________________________________
1️⃣ 為什麼 5G NR 對 Phase Noise 比 4G 更嚴格？
因為 5G 使用更高的調變階數（1024-QAM）。
調變階數越高 → 相位越敏感 → 相位雜訊越不能飄。
________________________________________
2️⃣ 為什麼 Massive MIMO 波束會因相位雜訊而偏移？
Beamforming =「相位控制」。
相位雜訊 → 每條射頻路徑相位誤差累積 → 主束偏移、sidelobe 上升。
________________________________________
3️⃣ 為什麼 LEO 衛星需要 OCXO？
因為一般 PLL + VCO 在：
• 高溫
• 低溫
• 高輻射
• 快速 Doppler
會飄得很明顯。
OCXO 的溫度穩定性最好 → 整個衛星 RFFE 才不會崩潰。
________________________________________
✔ 十一、小結與啟示
📌 振盪器＝整個 RF 系統的心臟
📌 相位雜訊決定調變品質（EVM）、鄰頻功率（ACP）、同步能力
📌 5G/6G/Massive MIMO 特別怕 phase noise
📌 LEO／Starlink 對振盪器要求高到變態
📌 基站若 LO 失鎖 → 直接 outage
📌 PLL = 用穩定 XO 來修正 VCO 的頻率飄移
📌 優秀的 oscillator = 優秀的網路穩定度
一句話收尾：
⭐ 通訊世界中，一切穩定的根源，就是振盪器與相位雜訊。
