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射頻微波與衛星通訊雜散量測應用

射頻微波與衛星通訊雜散量測

產業概述

現代通訊正朝著高頻率、大頻寬與高整合度的方向發展，特別是衛星通訊（SatCom）、雷達和先進的 5G/6G 射頻微波設備，這些系統的設計目標是實現極高的傳輸速率，同時要求設備具有極高的線性度和極低的雜訊；例如：新一代衛星通訊收發機必須在極寬的頻率範圍內工作，並且對訊號的微小失真都非常敏感，設備一旦投入使用，任何微小的雜散發射（Spurious Emissions）都可能對同一衛星或鄰近的通訊鏈路造成嚴重干擾。

跨頻段操作 (Multi-Band Operation)

為了提高靈活性和服務覆蓋率，現代收發機通常需要支援多個傳統衛星通訊頻段：


頻段名稱

頻率範圍 (約略)

典型應用

C 頻段 (C-Band)

4 GHz – 8 GHz

傳統語音、數據、衛星新聞採集（較穩健）。

Ku 頻段 (Ku-Band)

12 GHz – 18 GHz

衛星電視廣播、VSAT 網路。

Ka 頻段 (Ka-Band)

26.5 GHz – 40 GHz

高傳輸量衛星 (HTS) 寬頻服務。

範圍範例：某收發機必須能夠從 4 GHz (C-Band) 工作，一直到 40 GHz (Ka-Band)，這代表它的核心射頻元件和濾波器必須設計成能夠處理超過 36 GHz 的頻率跨度，這對傳統的單一系統設計來說是極大的挑戰。

高頻率與毫米波擴展 (Millimeter Wave Expansion)

新一代系統（尤其是 LEO/MEO 衛星和未來的 6G 整合系統）正在向上拓展到毫米波（mmWave）頻段，這些頻段提供了巨大的連續可用頻寬：

  • Q/V 頻段 (Q/V-Band): 約 40 GHz – 75 GHz。
    • 這些極高頻段正在用於衛星網路的衛星間鏈路 (Inter-Satellite Links, ISL) 或極高容量的饋電鏈路 (Feeder Links)，以承載數百 Gbps 甚至 Tbps 的數據。
    • 收發機需要具備能夠在 Ka 頻段（用於服務或傳統饋電）與 V 頻段（用於超高容量骨幹或 ISL）之間快速切換工作模式。

單一儀器的測試需求

從測試和量測的角度來看，這種極寬頻率範圍的需求，直接體現在對頻譜分析儀 (Spectrum Analyzer) 或向量訊號產生器 (Vector Signal Generator) 的要求上；例如 R&S FSW 頻譜分析儀必須具備從 DC (或極低頻率) 一直到 40 GHz、50 GHz 甚至更高 (搭配外接混頻器可達數百 GHz) 的分析能力，才能執行雜散量測等合規性測試，這樣才能確保收發機在整個可能的工作頻譜內，都能保持訊號純淨度和設計規範。

測試需求的誕生與重要性

隨著這些射頻（RF）和微波設備變得更加複雜和精密，雜散量測的需求也隨之變得更加嚴苛且重要。

  • 重要性：這是設計、驗證和製造 RF/微波設備時的關鍵合規性量測，衛星應用中的發射和接收設備必須滿足非常嚴苛的雜散發射限制（例如國際法規要求），以確保通訊系統的頻譜純度，避免對其他頻段的服務造成干擾。
  • 問題與挑戰：雜散通常是低電平訊號，且必須在極寬的頻率範圍內進行搜索，為了偵測到這些低電平雜訊，傳統上需要使用非常窄的解析頻寬（Resolution Bandwidth, RBW）來提高測量的靈敏度（降低雜訊底線）；然而這種取捨會導致量測時間大幅延長，即使使用帶有 FFT 濾波器的快速頻譜分析儀，全面的雜散搜索也可能耗費數小時甚至數天，嚴重拖慢產品開發和製造週期。
  • 效能提升：提升雜散量測效率能大幅縮短測試時間，加速產品上市；同時透過精準定位和量測雜散，協助工程師優化電路設計，從根本上提高設備的訊號純度和可靠性。

R&S®FSW-K50 的創新雜散搜索演算法

傳統方法的耗時問題催生了對新式、自動化雜散搜索演算法的需求，該演算法重點在提升量測速度與準確性，R&S®FSW-K50 雜散量測應用選項 正是為了解決這個痛點而設計，它採用了創新的三步驟方法來偵測和識別雜散訊號，大幅提高了雜散量測的速度：

  1. 快速初始掃描：進行一次快速掃描，以初步確定最佳的 RBW 設定。
  2. 雜散偵測：進行第二次掃描，偵測所有可能的雜散訊號。
  3. 高速精準搜索：在每個已知的雜散頻率周圍執行最終的高速搜索，這一步的目的是判斷偵測到的峰值是真實的雜散、雜訊假影 (Noise Artifact)，還是分析儀內部的雜散，在最後一步中，可以進一步縮小 RBW，以滿足訊噪比（SNR）要求。

量測流程圖：圖中為 R&S®FSW-K50 雜散量測應用程式內部的三步驟量測流程。

R&S®FSW-K50 帶來的核心優勢

相較於傳統的雜散量測應用，R&S®FSW-K50 提供了多項顯著優勢，極大地提升了測試效率：

  • 速度革命：雜散搜索速度比現有的頻譜分析儀搜索速度快約 30 倍，尤其是在使用低 RBW 進行高靈敏度量測時，節省了大量的測試時間。
  • RBW 自動計算：解析頻寬（RBW）會根據允許的最大雜散電平和所需的訊噪比（SNR）自動計算，這確保了量測既快速又準確，無需工程師手動進行複雜的權衡。
  • 多樣化的量測模式：支援兩種不同的量測模式：
    • 寬範圍搜索 (Wide Search Measurement)：適用於未知的雜散情境，全面覆蓋廣泛頻率。
    • 定向搜索 (Directed Search Measurement)：專注於特定的已知頻率範圍進行精確量測。

寬範圍雜散搜索設定：圖中為寬範圍雜散搜索的量測設定畫面，用戶可為每個待測的頻率範圍設定可配置參數，R&S®FSW-K50 能以清晰的結果畫面呈現雜散量測結果，並允許用戶進行深度分析。


雜散量測結果畫面：圖中展示了雜散量測應用程式的結果畫面，清晰列出所有偵測到的雜散訊號及其電平。
 

在偵測到潛在雜散後，工程師可以進行局部放大搜索來確認其真實性：


小範圍搜索結果縮放：圖中顯示了搜索點的放大畫面，分析儀會縮小雜散周圍的 RBW 以降低雜訊底線，滿足用戶設定的 SNR 要求，從而確定該峰值是否為真實的雜散。
 

R&S®FSW-K50 雜散量測三步驟解析

步驟

目標 (Purpose)

使用的 RBW 特性

關鍵產出/功能

1. 快速初始掃描

效率與優化：快速評估頻譜環境，並找出在滿足規範的前提下，可使用的最寬 RBW。

使用較寬的 RBW 進行掃描，以確保速度最快。

確定接下來第二步驟要使用的最佳 RBW 值。

2. 雜散偵測

覆蓋與檢測：使用最佳化的 RBW，掃描整個規定的寬頻率範圍，確保不漏掉任何潛在的雜散訊號。

使用步驟 1 確定的、比傳統方法更寬的 RBW 進行掃描。

產生所有可疑峰值 (Potential Spurs) 的頻率列表。

3. 高速精準搜索

驗證與合規：確認可疑峰值是否為真實雜散，並以符合法規 SNR 要求的方式量測其精確電平。

在每個可疑頻率點周圍，將 RBW 進一步縮窄，整個測試範圍只有這些點使用最窄 RBW。

1. 排除假警報（雜訊假影或儀器內部雜訊）。
2. 提供滿足 SNR 標準的真實雜散電平。
 

三步驟的差異總結

差異點

傳統掃描（單一步驟）

R&S®FSW-K50 三步驟演算法

RBW 選擇

全程使用最窄 RBW（以滿足最嚴苛的靈敏度要求）。

動態調整：步驟 1 決定寬度，步驟 2 用優化寬度掃描，步驟 3 僅在需要時縮窄。

量測速度

極慢（因為全程使用窄 RBW）。

極快（因為僅在極少數的可疑頻率點上使用慢速/窄 RBW）。

錯誤處理

偵測到峰值後，需要工程師手動判斷或耗時分析。

步驟 3 自動驗證峰值的來源，排除儀器內部的雜訊或假影。

主要功能

準確地量測功率，但效率極低。

快速找到所有潛在問題，然後再針對問題點精準測量（提升效率 30 倍）。

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