衛星通訊中的自然效應與射頻損耗：深度解析與模擬測試

衛星通訊訊號為何會受損？理解自然效應與射頻挑戰

衛星通訊訊號在穿越各種環境時，會遭遇多種自然效應與訊號損耗，這些因素都會對傳輸品質產生重大影響，這些複雜的環境挑戰，從地球稠密的大氣層到廣闊的真空太空，都會在訊號到達目標接收器之前，對其完整性造成不同程度的影響。

舉例來說，訊號會受到多種干擾源引起的失真影響，這些干擾可能源於地球上的人為活動，也可能來自太空中的自然現象；自由空間傳播則帶來額外的挑戰，包含延遲、大氣損耗，以及取決於訊號特性的多路徑效應，這些效應可能導致訊號衰減、相位失真或時間擴散，進而影響通訊的穩定性。

地面硬體與衛星酬載也可能因相位雜訊和放大器壓縮等因素，導致訊號品質下降。相位雜訊會導致訊號載波頻率的隨機偏移，而放大器壓縮則會在訊號功率達到一定水平時引起非線性失真；考量到偏振引起的時間延遲擴展，多輸入多輸出（MIMO）天線更為系統增添了複雜性，因為多個天線路徑之間的訊號到達時間差異會導致嚴重的符號間干擾。

本文將深入探討幾個關鍵的訊號損耗因素，並說明如何透過模擬這些環境條件來提升衛星通訊系統的測試能力，確保系統在實際運行中能達到預期的效能。

核心原理深入解析：訊號傳播的物理現象

傳播延遲：訊號在空間中的時間之旅

傳播延遲，指的是訊號從發射端傳輸到接收端所需的總時間，此延遲主要受發射器與接收器之間的距離以及傳播速度影響，傳播速度則是指訊號在介質中傳輸的速度，由於真空和空氣的介電常數（衡量介質降低訊號速度的程度）非常接近（分別為 1 和 1.00054），為了簡化計算，傳播延遲的估算通常假設訊號以光速傳播。儘管空氣中的速度略低於真空，但對於大多數實際應用而言，這種簡化是可接受的。

由於距離是主要因素，訊號延遲對於地球同步軌道（GEO）衛星而言是一項關鍵挑戰，因為它們運作於地球表面上方約 22,000 英里的高度，在這樣巨大的距離下，單向傳輸延遲就可能達到數百毫秒，往返延遲更是可觀，這對需要低延遲的即時應用（如語音通訊或線上遊戲）構成了顯著挑戰。

訊號衰減與路徑損耗：訊號強度的遞減

衛星訊號在發射器與接收器之間通常會傳輸長距離，隨著訊號傳播距離的增加，其功率會逐漸減弱，這種現象稱為衰減；然而，接收器的效能表現，很大程度上取決於接收到的訊號功率位準，過於微弱的訊號可能會低於接收器所需的靈敏度門檻，進而導致位元錯誤率（BER）升高，甚至出現資料完全遺失的情況。

自由空間路徑損耗（FSPL）是一種常見的表達方式，用來衡量訊號在傳輸過程中損失（或衰減）了多少功率，FSPL 的計算與頻率和距離的平方成正比，由於路徑損耗通常隨頻率增加而顯著增加，因此 FSPL 通常與頻率相關，這對高頻率衛星通訊系統的鏈路預算提出了更高的要求；此外，大氣中的降雨、霧氣和氣體吸收也會增加額外的衰減，尤其是在 Ka 頻段及更高頻段。

都卜勒頻移：相對運動引起的頻率變化

都卜勒頻移是一種頻率變化現象，可能由於發射器與接收器之間的相對運動而發生，當發射器和接收器相互靠近時，頻率會升高；當它們相互遠離時，頻率會降低，下方影片展示了導致都卜勒頻移的原因，稱為都卜勒效應：當警車駛近時，靜止的觀察者會聽到頻率較高的警笛聲；當警車完美對準時，會聽到真實的音高；而當警車駛離時，則會聽到頻率較低的警笛聲，這種現象是肇因於警笛聲波在行進方向被壓縮，而在反方向則擴散開來。

都卜勒頻移會影響載波訊號以及通道頻寬，是低地球軌道（LEO）衛星系統中的一項重大挑戰，由於 LEO 衛星運作於接近地球表面的高度（通常在 400 至 2000 公里之間），為了維持軌道穩定性，需要以非常高的軌道速度（約 7.8 公里/秒）繞地球運行，這會導致顯著且快速變化的都卜勒頻移。衛星接收器必須能夠相應地進行調整，透過頻率追蹤與鎖相環（PLL）等技術，才能正確地鎖定訊號，以避免錯位、調變問題和位元錯誤的增加，進而影響通訊鏈路的穩定性。

多路徑與衰落：訊號強度的波動

在發射器與接收器之間，訊號會經歷衰落，即訊號強度的波動，衰落的主要原因包括遮蔽和多路徑訊號傳播。

遮蔽是指訊號被大型實體障礙物阻擋而導致的強度損失，這些障礙物包括建築物、高山、茂密的樹林等自然屏障。當訊號路徑被這些物體阻斷時，接收到的訊號強度會顯著下降，甚至完全中斷。

多路徑效應則發生在建築物、車輛，以及其他障礙物反射或散射訊號，使其沿著不同的路徑傳播，除了其直射路徑（LOS）外；這些不同的路徑在不同的時間間隔到達接收器，由於訊號到達時間和相位的不同，會導致訊號的建設性干涉或破壞性干涉；建設性干涉會有效放大訊號，使其強度增加；而破壞性干涉則會削弱甚至完全抵消訊號，導致接收器接收到的訊號功率急劇下降，這就是所謂的「衰落」；在城市環境或多山地區，多路徑效應尤為明顯，對通訊品質構成嚴重威脅。

關鍵技術細節與規格探討：通道模擬器在測試中的應用

先進通道模擬：模擬真實世界複雜環境

通道模擬器，例如 ACE9000 系列，是射頻測試領域不可或缺的工具，它們能夠模擬一系列的訊號損耗，以精準重現動態的部署後條件。透過在受控環境中模擬這些複雜的通道狀況，工程師可以在產品開發初期就發現潛在問題，大幅縮短開發週期並降低測試成本。雖然損耗類型多樣，但其中幾個關鍵範例包括：

• 傳播延遲：
  精確模型化發射器與接收器之間因距離產生的時間延遲效應，這對於 GEO 衛星的鏈路驗證至關重要。
• 訊號衰減與路徑損耗：
   應用動態訊號功率位準，以模擬接收器效能測試期間因距離、大氣條件或遮蔽引起的訊號強度變化。
• 都卜勒頻移：
  精確引入頻率與相位偏移，以評估接收器在高速移動平台或 LEO 衛星環境下的頻率追蹤能力與抗頻移耐受度。
• 多路徑與衰落：
  使用業界標準的 Rayleigh 或 Rician 衰落曲線來模擬因環境反射和散射引起的多路徑效應，評估系統在複雜環境中的抗衰落效能。

下方的影片逐步介紹了 ACE9000 系列如何透過 SATGEN II 軟體平台，根據實際衛星行為執行複雜的衛星鏈路模擬，透過匯入雙行軌道元素（TLE）資料（其中包含衛星在任何給定時間點的軌道參數），使用者將了解如何配置衛星軌道、地面站和飛機的模型，並評估衛星在真實世界鏈路條件下的效能。這種高度逼真的模擬能力，是確保衛星通訊系統在實際運行中表現可靠的關鍵。

奧創系統為 dBm 台灣的合作夥伴，提供 ACE9600 先進通道模擬器 這個強大的解決方案，能夠在實驗室環境中忠實再現這些複雜的射頻挑戰，此通道模擬器具備以下關鍵特色，助力您精準測試衛星通訊系統：

• 多通道支援：
  該機種支援多達 16 個通道的同步模擬，適用於複雜的 MIMO 系統與多衛星鏈路測試，這表示可以同時模擬多個訊號路徑或多個使用者終端，大幅提升測試效率。
• 寬廣頻率範圍：
  涵蓋 400 MHz 至 65 GHz 的頻率範圍，可模擬包含 S 頻段、C 頻段、Ku 頻段和 Ka 頻段等各類衛星通訊頻段。其廣泛的頻率覆蓋能力使其能夠應對當前及未來衛星通訊系統的測試需求。
• 高動態範圍：
  支援高達 100 dB 的動態衰減範圍，精準模擬各種路徑損耗與衰落情境，從極端弱訊號到強訊號都能有效模擬，確保接收器在不同訊號強度下的效能評估。
• 實時都卜勒模擬：
  提供高達 ±10 MHz 的都卜勒頻移模擬能力，以應對高速移動平台（如 LEO 衛星或高速飛行器）帶來的頻率變化，考驗接收器的頻率追蹤與校正能力。
• 支援 SATGEN II 軟體：
  與 SATGEN II 衛星軌道模擬軟體 無縫整合，使用者可匯入真實軌道數據，建立高度逼真的衛星軌道、地面站與飛機模型，進行端到端鏈路效能分析。這種軟硬體整合的解決方案，極大地簡化了複雜模擬場景的設定。
• 靈活的軟體擴充套件：
  透過 DBM-ACE Plugin for STK 和 ACE Client Advanced Channel Emulator 等軟體，可進一步擴展模擬器的功能與應用範圍，例如結合 AGI STK 進行更複雜的衛星任務規劃與分析，為進階使用者提供強大的自訂與擴展性。

表 1：通道模擬器核心功能與應用對照表，展示了各功能在實際測試中的價值與適用場景。

應用場景與市場潛力：全面提升衛星通訊系統可靠性

透過 ACE9000 系列通道模擬器，工程師能夠在開發與測試階段，針對實際部署環境中可能遇到的挑戰進行預先驗證。這對於確保衛星通訊系統的穩定性、可靠性和效能至關重要。其應用潛力包含：

• 衛星酬載測試：
  在衛星發射前，模擬各種軌道環境、地球大氣條件與訊號干擾，以確保酬載在真實太空與通訊環境中的表現符合預期規格，並能有效抗衡輻射與溫度變化。
• 地面站設備驗證：
  測試地面站的接收器、發射器以及天線系統在不同路徑損耗、都卜勒頻移和多路徑條件下的效能，確保其與衛星端的高效協同工作。
• 高傳輸量衛星（HTS）開發：
  模擬 HTS 系統在高頻率、大帶寬（如 Ka 頻段）下的複雜通道環境，評估其鏈路預算、錯誤率、以及多用戶存取效能，以最大化數據傳輸量。
• 5G/6G 衛星整合測試：
  模擬衛星與地面行動網路的融合場景，評估在天地一體化網路中，訊號傳輸的延遲、抖動、以及各種干擾，確保無縫的用戶體驗。
• 無人機與高空平台通訊：
  模擬高速移動平台（如高空長航時無人機、飛機）與衛星之間的動態通道條件，確保通訊鏈路的穩定性與可靠性，這對於軍事、監測和緊急應變任務至關重要。
• 軍事與國防通訊：
  模擬敵對環境下的訊號干擾、跳頻通訊、以及惡劣氣候條件對衛星鏈路的影響，確保關鍵通訊的韌性與安全。

未來發展趨勢與技術展望：打造更強韌的太空通訊骨幹

隨著衛星通訊技術的持續演進，特別是低軌衛星巨型星系（如 Starlink, OneWeb）的部署，對於更精確、更全面的通道模擬需求將會日益增加。這些巨型星系的挑戰在於其動態性、高密度以及頻譜共享問題。未來的發展趨勢可能包含：

• 更高頻率與更大帶寬模擬：
  支援毫米波（mmWave）乃至於太赫茲（THz）頻段的模擬能力，以應對下一代衛星通訊系統更高的數據傳輸量需求和更寬的頻譜資源。
• 複雜干擾源模擬：
  整合更多種類的干擾源模擬能力，例如共通道干擾（CCI）、鄰頻干擾（ACI），以及惡意干擾（Jamming）和訊號欺騙（Spoofing）等，以全面評估系統的抗干擾能力。
• 與AI/ML技術結合：
  利用人工智慧（AI）和機器學習（ML）技術，優化通道模擬模型，使其能更精準地預測真實環境的動態變化，並自動調整模擬參數，加速測試過程和結果分析。
• 軟體定義模擬平台：
  發展更具彈性的軟體定義模擬平台，透過軟體更新和模組化設計，快速適應新的通訊標準、協定與應用場景，降低硬體升級成本。
• 虛擬化與雲端模擬：
  將通道模擬能力虛擬化並部署於雲端平台，提供更靈活、可擴展的測試資源，讓全球的開發團隊能夠遠端協作，加速衛星通訊系統的開發與驗證。

這些技術的進步將使工程師能夠更全面地了解和解決衛星通訊所面臨的挑戰，進而推動全球互聯互通的發展，為未來太空經濟與新興應用奠定堅實基礎。

結論

衛星通訊訊號在穿越地球與太空之間的複雜環境時，會不可避免地受到各種自然效應與射頻損耗的影響，從訊號的傳播延遲、功率衰減、頻率偏移到多路徑衰落，這些挑戰無時無刻不在考驗著衛星通訊系統的穩健性與可靠性。精確地理解這些現象及其對訊號品質的影響，是設計高效能衛星通訊系統的先決條件。

透過奧創系統所提供的 ACE9000 系列通道模擬器，開發者與測試工程師能夠在受控的實驗室環境中，精確重現這些真實世界的複雜條件，這不僅能大幅縮短開發週期，降低實地測試的成本與風險，更能確保衛星通訊系統在實際部署後，能夠在高挑戰性的環境中，依然維持穩定的效能與可靠的通訊品質；掌握這些關鍵的模擬測試技術，是邁向下一代高效能、高可靠衛星通訊系統不可或缺的一環；透過持續的技術創新和模擬驗證，將能為全球提供更穩定、更高速、更普及的衛星通訊服務。

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