運用 R&S Space Nexus 建立衛星訊號衰減情境

概述

近幾年來，為了提供寬頻數據連線，低地球軌道 (LEO) 和中地球軌道 (MEO) 衛星星座的發展速度驚人，隨之而來的是業界也迫切需要動態模擬衛星與地面設備（如手機 UE 或地面站 GS）之間的無線電通道。

衛星通道會受到大氣效應和衛星相對運動的影響，這會導致訊號的頻率和電平（強度）不斷變化，且變化程度取決於衛星在天空中的位置。

因此，對於相關的接收器和其他硬體製造商來說，在設計和生產階段就必須考慮這些效應，才能確保設備具有最佳的性能和可靠度，在這份應用說明中，將重點介紹 R&S Space Nexus 軟體的功能，並解釋如何利用它：

• 根據給定的 TLE（Two-Line Element Set, 兩行軌道參數）檔案，建立衛星軌跡的模擬衰減檔案。
• 解釋如何使用這個檔案，配合配備 R&S SMW-K820 選項的 R&S SMW200A 訊號產生器，來模擬一個真實的衛星衰減情境。

為什麼要模擬衛星通道？

測試配置：兩種通道模擬方式

R&S 提供了兩種方法來模擬衛星通道（即射頻衰減）效果：

方式一：

單一儀器 RF 性能測試

• 組成： 只使用 R&S®SMW200A 訊號產生器。
• 流程： 訊號在 SMW200A 內部產生，然後直接在訊號上施加通道模擬效果（例如：模擬都卜勒頻移和衰減），最後將訊號發射給待測設備 (DUT)。
• 用途： 專門用於測試 DUT 的 RF 射頻性能。

RF 性能測試配置

方式二：

端到端 (E2E) 系統測試

• 組成： 結合使用 R&S®SMW200A (訊號產生器) 和 R&S®FSW (頻譜分析儀/數位化儀)。
• 流程： FSW 扮演數位化角色，將發射機的輸出訊號數位化；SMW200A 接收數位化後的訊號，並在上面施加通道參數（即衰減模擬）；然後將模擬後的訊號傳輸給接收機。
• 用途： 用於測試整個系統（從發射機到接收機）的 E2E 端到端性能。

端對端 (E2E) 系統測試

此配置的優點包括：

• 在實驗室中模擬各種情境，減少測試時間和成本。
• 提高測試的準確性、可靠性和可重複性。
• 可以產生極端情境，例如：高都卜勒頻移或嚴重衰減的最壞情況。
• 具備高度彈性，可模擬各種情境和訊號。
• 訊號產生器和訊號分析儀可用於其他測試和量測配置。

兩種衛星通道模擬方式差異比較

方式一是測試單一設備在理想化通道下的 RF 能力，方式二是測試整個系統在真實化通道下的整體性能。

背景知識

衛星軌道

軌道是物體環繞天體運行的軌跡，在衛星通訊 (SatCom) 中主要使用三種軌道：GEO、MEO 和 LEO，每種軌道都有其優缺點，以下是三種軌道的最重要特性比較表：

其他軌道也包括高橢圓軌道 (HEO)、地球同步軌道 (GSO) 和極低地球軌道 (VLEO)。

衛星通道傳播

描述兩個物體之間通道傳播的最基本方式是自由空間路徑損耗 (FSPL)，由於發射器和接收器之間的距離極遠，FSPL 也是衛星通訊中最大的影響因素。

自由空間路徑損耗 (FSPL) 公式：

• d：斜距 (Slant Range)，即衛星與使用者設備 (UE) 之間的直接距離。
• f：發射訊號的頻率。
• c：光速。

由於 d（斜距）在衛星的飛行軌跡中是持續變化的，因此必須針對每個時間點重新計算 FSPL。

都卜勒頻移 (Doppler Shift)

另一個主要影響因素是衛星與使用者終端之間相對運動所產生的都卜勒頻移，應施加於訊號的都卜勒頻移可透過以下公式計算：

• Δf：發射頻率 f₀ 與觀察到的頻率之間的差異。
• f₀：發射頻率。
• Δv：衛星與使用者終端沿著連接兩者的直線方向的相對速度（稱為徑向速度）。
• 當 Δv 為正（都卜勒頻移為正）時，表示發射器和接收器相互靠近。
• 當 Δv 為負（都卜勒頻移為負）時，表示發射器和接收器相互遠離。

此公式對於衛星通訊至關重要，因為它允許調整接收到的訊號頻率，以應對相對運動的影響，從而確保準確的訊號處理和通訊。
 

環境效應與延遲

環境效應：

此外，雨、霧和大氣氣體等環境效應會進一步衰減訊號，例如：暴雨會導致無線電波產生顯著的散射和吸收，尤其是在較高頻率時，進而增加路徑損耗，R&S Space Nexus 軟體可以納入考慮這些環境條件的模型，以便更準確地預測訊號衰減。

訊號延遲 (Latency)

延遲是另一個關鍵考量因素，延遲產生於訊號從 UE 傳播到衛星再傳回地面所需的時間，以及衛星和地面站點的任何額外處理延遲。

• 重要的是要分析到選定衛星的直接延遲，以及包含整個通訊路徑（可能涉及多個星際鏈路 (ISL) 跳轉）到達地面閘道 (Gateway) 的總延遲。
• 透過精確地建模訊號延遲，系統可以提供對不同運行情境下衛星通訊鏈路性能的實際洞察，有助於網路資源的規劃與優化。

 

功能概覽

R&S Space Nexus 軟體提供以下核心功能，讓您能從軌道數據建立逼真的衛星通訊通道：

• 衛星選擇與視覺化：
  使用者可以選取並查看 TLE 檔案中包含的衛星，輕鬆存取相關的軌道數據。
• 可見性分析：
  軟體能判斷在特定使用者設備 (UE) 的位置或軌跡下，哪些衛星是可見的，它還會提供每顆衛星的可見持續時間，有助於有效規劃通訊鏈路。
• 通道條件建模與計算：
  軟體能模擬並計算各種通道條件，包括：大氣衰減、障礙物造成的路徑損耗等環境效應，它也會納入訊號路徑延遲，讓您能全面了解這些因素如何影響訊號品質。
• 通道參數設定與繪圖：
  在產生衰減檔案前，使用者可以設定並繪製相關的通道參數，確保所有通訊情境都被準確呈現。
• 衰減檔案創建：
  軟體最終會產生衰減檔案，供 R&S®SMW200A 訊號產生器搭配 R&S®SMW-K820 選項使用，以便在各種條件下模擬逼真的訊號傳播與性能。

 

SMW-K820 選項的功能限制

此功能讓 R&S®SMW200A 能進行自定義動態衰減模擬，其能力包括：

• 支援的頻率高達 67 GHz。
• 衰減的頻寬最高可達 200 MHz。
• 可施加於訊號的最大都卜勒頻移為 1.953 MHz。
• 最大路徑延遲為 1 秒。
• 兩個衰減取樣點之間的最短時間解析度為 50 µs。

 

安裝指南

目前，R&S Space Nexus 軟體只是 R&S 的非官方產品，因此不提供錯誤修復或其他額外的技術支援。

下載與安裝

• 您可以在 R&S SalesWeb 的「SMW -> Application and Solutions -> Application Notes」下，以 ZIP 檔案的形式下載。
• 請聯繫奧創系統以取得軟體存取權限。
• 下載後，請解壓縮 ZIP 檔案，然後導航到 exe.win-amd64-3.8 資料夾，點擊該資料夾內的 .exe 執行檔即可啟動程式。
• 您不需要其他額外的程式或檔案。此軟體僅支援 Windows 系統。

 

R&S Space Nexus 的使用方法

R&S Space Nexus 介面一覽
 

R&S Space Nexus 軟體的介面分成四個主要區塊：

1. 衛星星座 (Satellite Constellation)：
   用於下載、選擇和顯示 TLE 檔案中包含的所有衛星軌道。
2. UE 屬性與運動 (UE Properties and Motion)：
   用於手動或透過 GPX 檔案定義 UE 的位置和移動方式，並查看可見的衛星。
3. 通訊 (Communication)：
   用於選擇傳輸特性，繪製傳播參數，並匯出衰減檔案給 SMW200A 訊號產生器使用。
4. 移動中的衛星 (Satellite in Motion)：
   視覺化衛星相對於 UE 的運動，但本應用說明不包含此部分。

 

衛星星座

R&S Space Nexus 衛星星座介面

這個區塊主要用於管理TLE 檔案，因為特別是 LEO 衛星的 TLE，其準確性在 24 小時後就會下降。
 

TLE 資料下載介面