衛星有效載荷與零組件測試 — 雜訊功率比 (NPR)
產業概況：頻譜擁擠與高密度傳輸
當代衛星通訊產業正經歷一次大規模的典範轉移，隨著低軌道（LEO）巨型星座的部署以及地面 5G/6G 網路的整合，衛星被要求在極其有限的頻譜資源內處理比以往任何時候都多得多的數據流，這表示單一衛星轉發器或放大器必須同時處理數百個甚至數千個緊密排列的載波訊號。
在這種高密度、多載波的擁擠環境下，放大器必須以高效率工作（接近飽和），這將不可避免地產生交互調變失真 (Intermodulation Distortion, IMD)，這也將是核心的測試挑戰。
測試需求：模擬極端擁擠環境
在多載波系統中，交互調變失真產生的雜訊會彼此疊加，形成一個類似於高斯白雜訊的背景雜訊，如果這些交互調變雜訊過高，將嚴重影響通訊品質，甚至使通道無法使用。
為何需要雜訊功率比 (NPR) 測試？
傳統的雙音或三音測試，無法有效地模擬數百個載波同時運作的真實「擁擠」場景，因此業界需要一種快速、直接的方法來量化放大器在極端多載波壓力下的性能，雜訊功率比 (NPR) 測試應運而生，它提供了一個標準化的方法來模擬多通道通訊有效載荷的高斯雜訊分佈，並測試其線性度。
核心非線性失真測試比較
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特性 |
雙音測試 (Two-Tone) |
三音測試 (Three-Tone) |
雜訊功率比 (NPR) 測試 |
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激勵訊號 (Stimulus) |
兩個連續波訊號（f1 和 f2） |
三個連續波訊號（f1、f2 和 f3） |
寬頻雜訊或多載波訊號，並在中間挖出一個「陷波」（Notch） |
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模擬環境 |
產生單純的交互調變失真 (IMD) |
複雜的交互調變失真交互作用 |
模擬數百個載波同時運作的極端擁擠環境 |
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量測重點 |
三階交互調變產物（IMD3）的功率 |
IMD3 與五階交互調變產物（IMD5）的功率 |
陷波中被洩漏回來的雜訊功率 |
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主要指標 |
三階截距點（IP3） |
五階截距點（IP5） |
雜訊功率比（NPR） |
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主要優點 |
測試設置最簡單，速度最快，是基礎線性度評估標準。 |
比雙音更接近真實，能分析高階非線性（IMD5 資訊）。 |
最接近系統真實環境，測試速度快，適合高通量衛星的系統級評估。 |
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主要限制 |
無法模擬真實系統的多載波複雜性。 |
設置複雜，結果解析較難，產物容易重疊。 |
無法單獨分辨 IMD3 或 IMD5 等特定產物，只測總體失真。 |
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適用場景 |
零組件設計初期的快速基礎驗證。 |
零組件的進階特性分析與高階非線性建模。 |
衛星轉發器、多通道放大器的系統級量產測試。 |
這三種測試代表了射頻測試哲學的三個階段：
- 雙音/三音測試：局部放大鏡
既然放大器非線性會產生雜訊，那我們就故意丟幾個單純的訊號點進去，觀察雜訊從哪裡冒出來；像拿著放大鏡觀察放大器的非線性「傷口」，非常適合零組件工程師進行細節分析和模型建立。
- NPR 測試：系統級壓力測試
衛星上不可能只有兩個載波，它會同時面對數百個載波的巨大壓力，我們不需要知道每個載波單獨產生了多少雜訊，只需要知道在總體壓力下，整個通道的「雜訊承載能力」極限是多少。
測試方法：
- 輸入：向量訊號產生器發射一個寬頻多載波訊號、或類高斯雜訊 (AWGN) 作為激勵源，該訊號的頻譜在待測通道內有一個預先設定好的狹窄頻段被移除，形成一個極低的功率陷波（Notch），此激勵訊號模擬多通道通訊的高密度、高斯分佈的擁擠工作狀態。
- 輸出：頻譜分析儀量測 DUT 輸出端陷波頻段內的雜訊功率，放大器的非線性交互調變失真 (IMD) 會導致寬頻訊號的能量擴散，並回填 (Fill-in) 這個原本乾淨的陷波區域；NPR 值即為陷波內的雜訊功率與陷波外的總訊號功率的比值，用以量化放大器在滿載狀態下的交互調變雜訊抑制能力。
使用 R&S SMW-K61 和 R&S FSW 進行 NPR 量測的設置。
這是對放大器進行的極端系統級壓力測試，結果 NPR 數值越高，代表放大器抵抗多載波交互調變雜訊的能力越強，越適合用於高通量（HTS）衛星系統。它追求的是效率和系統級的真實性。
雜訊功率比 (NPR) 測試的重要性
NPR 測試是衛星射頻有效載荷測試中的一個重要標準，它直接衡量放大器在模擬所有通道滿載工作時所產生的非線性雜訊程度，該測試結果（即陷波深度）是工程師用來評估和預測衛星轉發器在軌道上處理大量高密度數據流時，保持訊號完整性的關鍵依據。
雜訊功率比 (NPR) 的量測原理與應用
雜訊功率比 (NPR) 量測用於測試射頻轉發器的線性度，並模擬多通道通訊有效載荷的高斯雜訊分佈。
NPR 在轉發器和零組件中的量測
NPR 提供了一種量化射頻輸出鏈中交互調變失真和雜訊基底 (Noise Floor) 的方法，R&S SMW200A 訊號產生器發出的激勵訊號，由多個連續波（CW）載波組成，並在其中移除了一個頻率段（稱為陷波，Notch）。
- 核心原理： 激勵訊號通過待測物（DUT，如轉發器或放大器）後，DUT 的非線性會導致寬頻訊號中的能量，因交互調變作用而洩漏回原本乾淨的陷波區域。
- 結果判讀： 轉發器或零組件輸出端陷波越深，表示該待測物產生的交互調變產物越少，線性度越好。
R&S SMW200A 向量訊號產生器配備 R&S SMW-K61 選項，可用於產生多載波連續波 (MCCW) 訊號來模擬寬頻訊號，透過關閉一組 CW 訊號，即可產生一個具有陡峭邊緣和高達 50 dB 開/關比的清晰陷波，使用者可以透過控制選單靈活地調整陷波的位置和寬度。
R&S FSW 訊號與頻譜分析儀則負責量測經過 DUT 後的訊號，並利用專門的量測功能精確測定最終的陷波深度。
使用 R&S SMW200A 向量訊號產生器產生的 2 GHz 寬多載波連續波 (MCCW) 訊號。
靈活性：真實訊號的模擬
除了 MCCW 訊號外，R&S SMW200A 也能產生帶有陷波的 AWGN（加性高斯白雜訊） 或調變訊號，使用帶有陷波的調變訊號進行測試，能夠更真實地模擬 DUT 在實際工作條件下的效能，因為其包含真實調變訊號特有的峰值因數和瞬態變化。
R&S FSW 訊號與頻譜分析儀上的 NPR 量測結果顯示。
NPR 量測方法的優勢
此方法提供了高效率和高準確度：
- 無需校準：
即使在 2 GHz 頻寬上使用平坦訊號，也無需額外的預先校準，即可量測到深達 50 dB 的 NPR 陷波深度。 - 易於創建和修改：
測試訊號（包括陷波的位置和寬度）的創建和修改過程簡單直覺，極具靈活性。 - 結果直觀：
測量結果可以直接在 R&S FSW 分析儀上輕鬆讀取。
確保衛星網路品質與效能的最終防線
隨著全球數據需求爆發性增長，衛星通訊已經從傳統的點對點廣播，轉變為高密度、多載波的巨型網路，在 LEO/MEO 星座與 5G/6G 網路整合的時代，放大器的線性度不再是一個理想的目標，而是系統運營的必要前提。
雜訊功率比 (NPR) 測試的價值，正在於它成功地彌合了實驗室測試與複雜在軌真實環境之間的鴻溝，相較於僅能分析單一或少數交互調變產物的雙音/三音測試，NPR 測試透過模擬數百個滿載載波的總體效應，直接提供了最關鍵的系統級指標：雜訊承載能力；R&S 的 NPR 解決方案（結合 SMW200A 與 FSW），以其無需複雜校準、能夠產生逼真寬頻 MCCW 或 AWGN 陷波訊號的能力，確保了測試結果的準確性與測試流程的高效率。
最終，高精度的 NPR 量測結果，不僅是工程師用來優化高功率放大器 (HPA) DPD 性能的黃金標準，更是衛星轉發器能否在高效率工作點保持訊號完整性的最終保障，透過嚴格控制 NPR 指標，衛星產業得以確保在極端頻譜擁擠的未來網路中，持續提供穩定、高品質、高傳輸量的通訊服務，成為推動全球數位化進程的關鍵力量。
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