衛星通訊測試應用中的本地振盪器替代方案
Bob Buxton，Boonton Electronics 產品經理
低軌道 (Low-Earth Orbit, LEO) 衛星系統正以前所未有的速度，加速部署於各種任務關鍵型應用場景中（例如即時金融交易、遠端醫療手術或國防通訊），這也帶來了相關的嚴苛測試要求，倘若測試未能精準執行，便可能導致系統效能的衰退，例如資料傳輸率下降、通訊中斷或錯誤率攀升等問題。
此白皮書將深入探討如何透過高純淨度的外部訊號源，來執行本地振盪器 (Local Oscillator, LO) 替代方案這項關鍵技術，並說明其如何應用於評估或檢修升頻與降頻轉換鏈路（此鏈路是訊號處理的核心，負責將基頻資料轉換為高頻射頻訊號，反之亦然）的潛在故障，為求簡潔明瞭，我們將以地面站應用為主要範例，然而，相同的技術原理亦完全適用於使用者終端與衛星酬載的精準測試。
衛星部署的類型繁多，涵蓋範圍從傳統的地球靜止軌道 (Geostationary Orbit, GEO) 到新興的低軌道 (LEO)，如圖 1 所示，各自對應不同的通訊應用需求。
圖 1：GEO、MEO 與 LEO 的部署軌道高度示意圖。
LEO 衛星的部署數量正以驚人的速度增長，舉例來說，SpaceX 的星鏈（Starlink）系統目前在低軌道上約有 3,500 顆衛星，而在 2022 年 12 月，美國聯邦通訊委員會（FCC）更批准其部署 7,500 顆新一代衛星¹，由於 LEO 系統具備超低延遲的優勢（因其軌道高度遠低於傳統的 GEO 衛星，大幅縮短了訊號來回的傳播時間），使其逐漸成為民用及軍事即時應用的首選系統，包含但不限於 5G/6G 行動通訊回傳網路與軍事戰場通訊，烏克蘭在近期衝突中對星鏈系統的運用，即是後者的一個實例，正因為 LEO 系統被賦予如此重要的任務，任何訊號鏈路中的微小瑕疵都可能造成嚴重後果，這也使得精準、可靠的測試驗證成為不可或缺的一環。
圖 2：LEO 系統的典型架構及其各種組成元件，從衛星酬載到使用者終端。
地面站，當其連接至地面網路時亦稱為閘道，扮演著衛星網路與地面網際網路或私有網路之間的橋樑角色，是上行與下行鏈路操作中的關鍵樞紐，如圖 2 所示，構成上行與下行路徑的各個模組（如混頻器、濾波器、放大器等），需要在不同階段進行多樣化的測試，以確保最終的運作穩定性，這類測試可能在模組的開發與生產階段、系統整合期間、現場故障查找過程，以及日常的運營監控中執行，其目的在於確保每個元件乃至整個系統都符合嚴格的效能規範。
圖 3：展示射頻與微波路徑測試範例的閘道方塊圖，突顯 LO 替代方案的應用點。
此白皮書的技術核心，將聚焦於圖中綠色區塊所標示的測試情境，也就是透過外部的高效能訊號產生器來取代系統內建的 LO，藉此隔離變因，對轉換路徑的真實效能進行精確量測與故障分析，關於其他如功率放大器特性分析或天線效能驗證等測試應用。
關鍵的本地振盪器技術規格
在探討 LO 替代方案之前，我們必須先深入了解本地振盪器的哪些規格是影響通訊品質的關鍵。
影響衛星上行與下行鏈路效能的因素眾多，其中，本地振盪器的訊號純淨度（亦即其頻率與相位的穩定性）是最為關鍵的因素之一，它直接衝擊著通訊的位元錯誤率，過高的相位雜訊 (Phase Noise)，這是一種在載波訊號中心頻率周圍出現的微小、隨機的相位波動，可以將其想像成訊號在時域上的「抖動」或不穩定性，會直接劣化訊號品質並增加誤差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM)，EVM 是一個量化指標，用來衡量實際接收到的訊號點位與其在理想星座圖上的位置之間的偏差程度，一旦 EVM 過高，便可能導致符碼元的位置在 I-Q 圖上跨越決策邊界，從而引發符碼元錯誤，最終造成大量的位元錯誤，如圖 4 所示。
圖 4：QPSK 調變對相位雜訊有較高的耐受性，然而相同程度的相位雜訊（角度旋轉）在高階調變方案（如 64-QAM）中則會引發嚴重的符碼元錯誤。
LO 替代方案：精準測試的核心技術
LO 替代方案提供了一種強而有力的分析手段，是測試通訊系統中升頻器與降頻器時不可或缺的技術，它讓設計工程師與技術人員能夠評估訊號鏈路的真實效能，而不會被內建 LO 的自身特性（如相位雜訊、雜散訊號等）所掩蓋，這種方法的核心價值在於「隔離變數」，它能讓工程師準確判斷效能瓶頸或故障點，究竟是來自於待測的升降頻轉換器本身，還是源於系統原有的本地振盪器。
當選擇合成器作為 LO 替代方案時，選擇一部具備超高訊號純淨度與極低相位雜訊的設備至關重要，如此才能確保任何在測試中觀測到的雜訊或失真，都源自於待測物 (DUT)，而非測試儀器本身，進而保障量測結果的公正性與可信度，避免誤判。
圖 5 展示了使用 Boonton SGX1000 訊號產生器作為 LO 替代方案的典型配置，並搭配 Boonton RTP5000 峰值功率感測器，對升頻轉換鏈路中的高功率放大器 (High-Power Amplifier, HPA) 進行精準的功率與效能評估。
圖 5：採用 LO 替代方案測試衛星升頻器 HPA 的設置，圖中以 Boonton SGX1000 系列作為具備優異相位雜訊效能的 LO 替代儀器。
在衛星通訊系統的整個生命週期中，從設計開發到現場維護，有多個階段會使用訊號產生器作為測試配置的關鍵部分，表 1 整理了這些階段及其與地面站、使用者終端和衛星酬載測試的應用關聯性。
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地面站／閘道 |
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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安裝階段 |
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維護保養 |
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訊號源有多種形式可供選擇，最常見的是配備單一射頻輸出埠的訊號產生器，然而，若期望從單一設備同時產生上行與下行鏈路所需的 LO 頻率，多通道鎖相合成器可能會是更實用且高效的選擇，這種儀器不僅節省了測試台空間，更能確保兩個輸出通道之間具備精確的相位同調性，這對於某些需要相位關聯性的進階測試情境至關重要，圖 6 展示了 Boonton 及其姊妹品牌 Holzworth 所提供的這兩種儀器外型。
圖 6：左側為常見的單一輸出訊號產生器，右側為更具彈性的多通道鎖相合成器。
LO 替代方案之外的延伸應用
訊號產生器的價值遠不止於 LO 替代方案，在衛星通訊領域，特別是高度機密的軍事衛星通訊系統，對於評估新型波形（例如為了強化通訊的抗干擾性或安全性而開發的客製化調變方案）或模擬複雜電磁環境下的干擾訊號，存在著持續性的需求。
在這類進階應用中，訊號產生器被用來將任意波形產生器所建立的複雜基頻波形進行升頻轉換，藉此在實驗室環境中重現真實戰場上可能遭遇的敵意干擾（Jamming）或鄰近頻道訊號洩漏等挑戰，在這些情境下，訊號產生器的相位雜訊效能同樣是決定模擬真實性的關鍵參數。