5G技術(shù)成熟的關(guān)鍵 頻譜分析儀必功不可沒

隨著移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)普及，資料傳輸量每年都以等比級(jí)數(shù)不斷成長(zhǎng)，我們也因此需要更高的傳輸速率。而要滿足這些需求，關(guān)鍵就在于 5G 技術(shù)的成熟。由于現(xiàn)有頻譜資源已相當(dāng)吃緊，往更高頻段進(jìn)行通道探測(cè)、找尋適合 5G 移動(dòng)傳輸?shù)念l率便勢(shì)在必行，這時(shí)頻譜分析的儀器往往就扮演了重要的角色。

如何提升傳播速率？

目前生活中常用的通訊方式，大多依賴無(wú)線電波傳送訊號(hào)的技術(shù)，包含藍(lán)牙、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊及廣播等等。為了建立全球高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，像是伊隆·馬斯克建立的太空公司 SpaceX，就計(jì)劃在未來發(fā)射 4，425 顆通訊衛(wèi)星，提供 1Gbit／秒左右的高速傳輸速率。而移動(dòng)通訊技術(shù)從 4G 發(fā)展到 5G，則更預(yù)計(jì)將提升到 10Gbit／秒。

要提升傳輸速率，主要有兩種方法，一種是增加頻譜效率，一種則是增加頻寬。由于相同的頻率只能使用一次，增加頻譜效率就如同把更多 0 和 1 的位塞進(jìn)固定頻寬的電磁波里，但這樣訊號(hào)將比較容易受到干擾，或解碼錯(cuò)誤；而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊跟 AM、FM 等廣播的電磁波頻率都擠在 6GHz 以下，想增加頻寬也很難再有空間。于是，要找到新的頻譜資源讓 5G 通訊使用，也只有往更高頻率的毫米波（Millimeter Wave）一路可走了。

毫米波是什么？應(yīng)用場(chǎng)域在哪里？

通常衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位、雷達(dá)與微波通訊大致采用頻率 1～100GHz 的電磁波，而頻率 30～300GHz（相當(dāng)于波長(zhǎng) 1～10mm）的電磁波，就稱為“毫米波”，因此以上這些通訊方式都會(huì)利用到毫米波的頻段。

無(wú)線通訊的最大訊號(hào)頻寬大約是載波頻率的 5％ 左右，代表載波頻率越高，可實(shí)現(xiàn)的訊號(hào)頻寬也越大。像 4G－LTE 頻段最高頻率的載波在 2GHz 上下，可用頻寬就只有 100MHz。因此，如果未來 5G 使用毫米波頻段，頻寬便能輕松翻漲 10 倍，傳輸速率將巨幅提升。日前是德科技（Keysight）也與國(guó)研院芯片中心達(dá)成合作，以“毫米波前端電路系統(tǒng)技術(shù)”搭配是德科技的 5G 基頻訊號(hào)驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，供臺(tái)灣學(xué)界 5G 毫米波射頻前端技術(shù)教學(xué)及研究使用，加速實(shí)現(xiàn) 5G 技術(shù)。

除了次世代移動(dòng)通訊以外，毫米波在消費(fèi)與商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用上也潛力無(wú)窮，包括無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)場(chǎng)安檢掃描等等，都能帶動(dòng)毫米波領(lǐng)域的進(jìn)一步研究與需求成長(zhǎng)。

由于毫米波能提供無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)中高頻訊號(hào)的測(cè)試、濾波和傳輸，也可應(yīng)用在軍事國(guó)防與航太方面，效能優(yōu)于傳統(tǒng)微波或紅外線感測(cè)技術(shù)。如裝設(shè)在飛機(jī)或是衛(wèi)星上的毫米波雷達(dá)，就能進(jìn)行防碰撞預(yù)警感測(cè)、自主巡航控制、機(jī)器人視覺、空中防御監(jiān)測(cè)等功能。毫米波成像則能夠探測(cè)隱匿物品，如地底下或衣物掩蔽下的武器、炸藥或毒品等等。

頻譜分析的關(guān)鍵作用

毫米波通訊具有高傳輸速率、可短距高頻應(yīng)用的特性，但也有其局限，如訊號(hào)衰減快、易受阻擋、覆蓋距離短等等，尤其在 60GHz 時(shí)更會(huì)承受約 20dB／km 的氧氣吸收損耗。因此，5G 通訊要應(yīng)用在高頻率的毫米波范圍內(nèi)，必須確認(rèn)這些頻率能在多路徑環(huán)境中順利運(yùn)作，以及可用于非可視距離通訊。

在探索未知的高頻訊號(hào)領(lǐng)域中，頻譜分析是電子工程技術(shù)人員不可或缺的步驟環(huán)節(jié)；而他們用來進(jìn)行頻譜分析儀器的效能，便會(huì)左右研究的成果?，F(xiàn)代信號(hào)分析儀比一般頻譜分析儀功能更全面，除了頻域外，還能提供時(shí)域及調(diào)變域的分析，應(yīng)用的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛：諸如衛(wèi)星系統(tǒng)、無(wú)線電通信系統(tǒng)、移動(dòng)電話系統(tǒng)基地臺(tái)輻射場(chǎng)強(qiáng)的量測(cè)、電磁干擾等高頻信號(hào)的偵測(cè)與分析，同時(shí)也能研究訊號(hào)成分、訊號(hào)失真度、訊號(hào)衰減量、電子組件增益等特性。

通常每次量測(cè)所包含的射頻訊號(hào)，皆無(wú)法預(yù)期它隨時(shí)間改變的狀況，技術(shù)人員或科學(xué)家往往面臨罕見、短暫的事件影響，或是訊號(hào)被較強(qiáng)的雜訊遮罩等問題。而為了查看、擷取并分析最飄忽不定的訊號(hào)，例如要在充斥各種訊號(hào)的環(huán)境中迅速找出脈沖或間歇訊號(hào)，就得靠信號(hào)分析儀的“即時(shí)頻譜”功能。這也意味著信號(hào)分析儀必須以夠快的速度對(duì)輸入訊號(hào)取樣，處理感興趣的頻段中所有訊號(hào)量；也能連續(xù)執(zhí)行所有計(jì)算，以便分析輸出跟上輸入訊號(hào)的變化。