解析衛星通訊測試的本地振盪器替代技術
作者：Bob Buxton，Boonton Electronics 產品經理
隨著衛星通訊的部署型態日益多元，從傳統的地球同步軌道 (GEO - Geostationary Orbit) 到新興的低地球軌道 (LEO - Low-Earth Orbit) 星系（如圖一所示），為確保複雜系統的整體效能，精準的測試變得至關重要，任何量測失誤都可能導致通訊品質下降，因此，本文將聚焦探討一項關鍵的除錯與評估技術：運用本地振盪器 (LO - Local Oscillator) 替代方案，來驗證上下變頻轉換鏈路的健全度，為求說明清晰，內文將以地面站的應用情境為主要範例，但相同的技術原理也完全適用於使用者終端與衛星酬載。
圖一：GEO、中地球軌道 (MEO) 與 LEO 的部署軌道高度。
目前 LEO 衛星的部署數量正快速增加，舉例來說，SpaceX 的 Starlink 星鏈計畫當前約有 3,500 顆衛星在低地球軌道運行，且美國聯邦通訊委員會 (FCC) 已於 2022 年 12 月批准其部署 7,500 顆新世代衛星的計畫¹，正因為 LEO 系統具備更低的延遲特性，使其逐漸成為民用及軍事應用的首選，應用範圍不僅限於 5G 通訊，更涵蓋了軍事戰場通訊，烏克蘭在近期戰事中對 Starlink 系統的應用，就是一個顯著的實例，在這些應用情境下，皆需要對 LEO 系統進行高精準度的測試，以確保其運作的穩定可靠。
圖二：LEO 系統的典型架構及其組成單元。
地面站，在連接地面網路時也稱為閘道器，是實現上下行鏈路運作的關鍵環節，如圖二所示，構成上下行鏈路徑的各個模組，都需要經過多樣化的測試以確保運作的可靠性，這類測試橫跨了模組的開發與生產、系統整合、故障排除以及日常運作監控等多個階段，圖三是一張閘道器射頻與微波路徑的簡化方塊圖，圖中清晰標示了如何運用測試設備來評估物理層的效能。
在本文中，我們將重點關注圖中綠色標示的區塊，也就是在評估或診斷上下變頻轉換路徑時，使用訊號產生器作為 LO 替代方案的應用情境，關於其他測試應用的更多資訊，可參閱作者近期發表的另一篇文章²。
圖三：閘道器方塊圖，展示射頻與微波路徑的測試範例。
關鍵的本地振盪器技術規格
在探討 LO 替代方案之前，我們得先了解本地振盪器本身有哪些重要的技術規格；影響衛星上下行鏈路效能的因素眾多，其中有幾項與本地振盪器的訊號純度直接相關，並會衝擊最終的位元錯誤率；例如，過高的相位雜訊會導致誤差向量幅度 (EVM - Error Vector Magnitude) 增加，進而引發符碼錯誤、最終形成位元錯誤，這是因為相位雜訊會讓 I-Q 圖上的星座圖點位跨越符碼的決策邊界，如圖四所示。
圖四：相較於 QPSK 調變對於相位雜訊有較高的耐受度，相同程度的相位雜訊（角度旋轉）在高階調變方案中則會引發符碼錯誤。
LO 替代方案
LO 替代是測試通訊系統中上下變頻器時的一項重要技術，這項技術的用途，是協助設計工程師與技術人員能夠獨立評估訊號鏈的效能，避免其真實表現被內建 LO 的特性所掩蓋，或是在系統運作不正常時，用來判斷 LO 是否為問題的根源。
挑選合成器作為 LO 替代源時，關鍵在於選擇一款具備高訊號純度的儀器，以確保測試設備本身不會成為相位雜訊的額外來源，從而避免因儀器自身的雜訊問題，導致如圖四右側所示的量測錯誤。
圖五展示了使用 Boonton SGX1000 訊號產生器作為 LO 替代，並搭配 Boonton RTP5000 峰值功率感測器，以評估上變頻鏈路中高功率放大器 (HPA) 效能的測試配置。
圖五：此測試配置運用 LO 替代方案來測試衛星上變頻器 HPA，圖中採用 Boonton SGX1000 系列訊號產生器作為 LO 替代源。
在衛星通訊系統的生命週期中，有多個階段會使用訊號產生器作為測試配置的一部分，表一詳述了這些階段，並說明其與地面站、使用者終端及衛星酬載測試的關聯性。
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地面站／閘道器 |
使用者終端 |
衛星酬載 |
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開發階段 |
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生產製造 |
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故障排除 |
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安裝建置 |
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維運保養 |
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訊號源的產品型式相當多元，最常見的是配備單一射頻輸出埠的訊號產生器，然而，若期望由單一設備同時產生上行與下行鏈路所需的 LO 頻率，那麼採用多通道合成器可能會是更實用且有效率的選擇，圖六展示了 Boonton 及其姊妹品牌 Holzworth 所提供的這兩種產品型式。
圖六：左側為單一輸出訊號產生器，右側為多通道合成器。
LO 替代方案之外的延伸應用
訊號產生器在衛星通訊的應用不僅僅侷限於 LO 替代，在某些系統中，特別是軍事衛星通訊系統，也普遍存在著持續評估新型波形或模擬干擾訊號的需求。
在這類應用中，訊號產生器可用於將任意波形產生器所建立的波形進行升頻處理，而相位雜訊在此類情境下，同樣是影響最終訊號品質的一個至關重要的效能參數。
總結
總結來說，本文概要說明了相位雜訊的重要性、運用訊號產生器作為 LO 替代方案的方法，以及其在波形驗證等方面的延伸應用，文中以 Boonton SGX1000 系列訊號產生器（頻率範圍涵蓋 10 MHz 至 18 GHz）以及 Holzworth 合成器系列作為範例進行說明，雖然本文主要以閘道器的應用情境為主，但所有技術原理同樣適用於使用者終端與衛星酬載的測試。
參考資料
¹ https://www.fcc.gov/document/fcc-partially-grants-spacex-gen2-broadband-satellite-application ² Buxton, Bob. Testing satellite uplink and downlink chains. EE World Test and Measurement Handbook, June 2023, pp 31-33
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