衛星有效載荷與零組件測試：群組延遲量測

隨著全球對寬頻數據的需求爆炸性增長，衛星通訊產業正經歷快速變革，從傳統的地球靜止軌道 (GEO) 衛星，到巨型低軌道 (LEO) 星座的部署，「高傳輸量」 (High-Throughput) 和 「低延遲」 成為了關鍵趨勢；未來的衛星網路（特別是 6G 時代的非地面網路 NTN）將承載比以往更多的數據量，並需要與地面 5G/6G 網路無縫整合，為了極致地提高頻譜效率，系統採用了更複雜的調變技術（如高階 QAM）和更寬的頻寬。
 

衍生的問題

這種高密度、高頻寬的訊號，對傳輸路徑中任何微小的訊號「失真」都極為敏感，在衛星的轉發器 (Transponder) 或頻率轉換器中，最關鍵的問題之一就是 「相位失真」 (Phase Distortion)；當訊號通過一個不完美的濾波器或放大器時，訊號中不同的頻率成分會經歷不同的時間延遲，這會導致訊號在時間上「模糊」或「擴散」，造成嚴重的「符碼間干擾」 (ISI)，例如多路徑效應，進而導致數據錯誤率 (BER) 飆升，使得高速傳輸失敗。
 

測試的重要性

因此精確地「量化」這種失真，成為衛星通訊測試中最關鍵的任務之一，而 「群組延遲」 (Group Delay)，正是衡量這種相位失真最直接、最核心的指標，讓我們再深入一點：
 

什麼是「理想」的通道？

一個理想的傳輸通道應該像一條完美的起跑線，當一個由多種頻率組成的複雜訊號（例如 5G 或高階調變訊號）通過時，所有頻率成分都應該「同時抵達」終點，這就是所謂「平坦的群組延遲」（Flat Group Delay）。
 

什麼是「失真」？

然而現實中的零組件（特別是濾波器）在接近其帶通 (passband) 邊緣時，會對不同頻率造成不同的延遲時間，這就是「群組延遲變化」(Group Delay Variation)。
 

這會造成什麼致命後果？

當訊號中「較快」的頻率成分和「較慢」的頻率成分在時間上被拉開，訊號在時間上就會「模糊」或「拖尾」，這會導致一個數據符號（Symbol）的能量「溢出」並干擾到下一個符號，這就是通訊系統中致命的「符碼間干擾」 (Inter-Symbol Interference, ISI)；一旦 ISI 發生，接收器就無法正確解讀數據，導致「位元錯誤率」 (BER) 急劇上升，最終造成高速傳輸的「降速」甚至「中斷」。

所以，群組延遲量測的目的，就是要精確地描繪出這種「不平坦」的程度 — 例如，通道邊緣相對於通道中心的延遲，到底多了幾個奈秒 (ns)，工程師以此為據確保濾波器、轉換器等關鍵零組件所引入的延遲變化，被嚴格控制在系統規格之內，從而保證高速數據傳輸的完整性與品質。
 

使用頻譜分析儀和訊號產生器量測群組延遲

R&S FSW 頻譜分析儀和 R&S SMW200A 訊號產生器，能以快速、直接的方式量測衛星轉發器、頻率轉換器和其他組件的絕對與相對群組延遲，在多載波群組延遲量測方法中，訊號產生器會傳送一個多載波連續波 (CW) 訊號作為激勵源，載波的數量及其間距（孔徑）可以更改，以滿足待測物 (DUT) 的要求。

R&S FSW 頻譜分析儀透過兩個步驟執行量測：

• 第一步 – 參考校準：
  產生器直接連接到分析儀，分析儀會測定各個載波的參考相位和振幅。
• 第二步 – 群組延遲與增益量測：
  連接待測物 (DUT)，分析儀會透過比較參考訊號和在 DUT 輸出端測得的多載波訊號之間的相位差，精確測定整個載波頻率範圍內的群組延遲。

 

使用 R&S SMW-K61 和 R&S FSW-K17 多載波群組延遲量測應用程式進行群組延遲量測
 

相較於傳統方法，多載波群組延遲量測法提供了多項關鍵優勢，使其特別適用於要求嚴苛的衛星通訊測試。
 

兼具速度、頻寬與精度

在衛星產線或整合測試中，速度就是成本，此方法的核心優勢在於：

• 極高的量測速度：
  它能在幾毫秒 (ms) 內完成寬頻訊號的掃描，這表示無論是在產線自動化測試，或是在軌道上捕捉快速變化的訊號，都能即時完成。
• 高精度與簡化的設置：
  對於最關鍵的零組件「頻率轉換器」，它可以達到 1 ns 的高精度，而且無需使用傳統方法中既昂貴又難以校準的「參考混頻器」或「黃金樣品」(golden device)，這不僅降低了設置的複雜性，也排除了參考件本身的誤差。
• 極致的精確度：
  對於像濾波器這類非頻率轉換的元件，精度更可達到 300 ps，這對於驗證超高速數據傳輸所需的「相位線性度」至關重要。

專為「真實衛星環境」的挑戰而設計

衛星測試不僅是在實驗室，更要面對極端環境，此方法能應對：

• 高損耗路徑 (克服雜訊)：
  衛星訊號經過長距離傳輸或複雜路徑後，訊號非常微弱（即載噪比 CNR 很低），此方法具備的訊號平均和「平滑化」(Smoothing) 功能，能有效地從雜訊中「撈取」出有效的訊號特徵，確保在高路徑損耗下依然能量測準確。
• 軌道測試（on-orbit testing） (克服都卜勒效應)：
  對於 LEO/MEO（低軌/中軌）衛星，其高速移動會產生巨大的「都卜勒效應」，導致頻率不斷漂移，此方法具備自動補償都卜勒效應的能力，能即時鎖定並追蹤訊號，確保在軌量測的數據真實有效。
• 極低訊噪比的寬頻訊號 (進階方案)：
  當訊號同時具有「極寬頻寬」和「極低訊噪比」時（例如高通量衛星的寬頻轉發器），R&S FSW-K17S 選配能將總訊號「分段」掃描（分析子頻寬），在每個小區段內集中能量、大幅提升 SNR，最後再拼湊出完整的寬頻響應，兼顧了速度與靈敏度。

確保測試的靈活性與「準確性」

一個好的測試方案，必須能適應不同的待測物，並確保「測到的就是你想要的」。

• 靈活的訊號源：
  衛星轉發器的頻寬規格各不相同，R&S SMW200A 允許工程師自定義多載波的間距和數量，能靈活產生完全符合待測通道（無論寬窄）的測試訊號。
• 精確的「去嵌入」(De-embedding) 功能：
  在實際測試中，待測物 (DUT) 與儀器之間會連接長電纜 (Cable) 和治具 (Fixture)，這些線材本身就會產生延遲和損耗；如果不加以校正，你測到的會是「DUT + 線材」的總和；「去嵌入」功能能精確地將線材和治具的頻率響應「扣除」，確保儀表顯示的，是真正屬於 DUT 本身的群組延遲特性。

 

帶通濾波器的群組延遲，圖中為帶通濾波器如何在通帶邊緣增加更多群組延遲；在衛星通訊系統中，頻率轉換器或轉發器通道的相對群組延遲，對於判定每個通道邊緣的失真量至關重要。
 

帶通濾波器的相對群組延遲量測
 

使用向量網路分析儀 (VNA) 量測無 LO 存取權限的頻率轉換器

一般而言對於無法存取本地振盪器 (LO) 的頻率轉換設備，只有當 DUT 具有高度穩定的內部 LO 時，才能進行群組延遲和相對相位量測；由漂移或雜訊引起的相位和頻率偏差，會嚴重限制現有方法的準確性和適用性；群組延遲是一個「相位」量測，它極度依賴一個共同的、穩定的時間（或相位）參考，如果待測物內部的那個「節拍器」（LO）自己隨便亂跳，那儀器根本無法判斷訊號的延遲到底是多少，因為儀器和待測物 (DUT) 「不同步」！

R&S 的「雙音」(two-tone) 技術克服了所有這些限制，R&S ZNA 向量網路分析儀使用雙音激勵訊號，量測 DUT 輸入端、然後再量測其輸出端兩個訊號之間的相位差，這種類似於傳統的 S 參數技術，群組延遲是根據相位差和頻率偏移計算出來的，兩個訊號之間的頻率偏移 Δf 即為孔徑。

為了量測不同頻率的兩個訊號之間的相位，R&S 為 R&S ZNA 開發了獨特的前端，校準時僅需要一個「未知」 (unknown through) 的直通混頻器，這種方法非常適用於內部 LO 不穩定的頻率轉換 DUT，因為 DUT 內部 LO 的頻率和相位偏差可以在 IF 頻寬範圍內（即高達幾 MHz）。

新的內部合路器 (combiner) 簡化了量測配置，兩個訊號不再需要外部連接，可選配第二個訊號源，雙埠 R&S ZNA 現在可以量測嵌入式 LO 轉換器的群組延遲和交互調變，用於內部接收器的兩個獨立 LO，允許同時量測 RF/IF 與混頻器，量測速度現在是單一 LO 的兩倍，同時在轉換損耗和群組延遲量測中也降低了雜訊；除了群組延遲，R&S ZNA 還能透過對群組延遲進行積分，計算出相對相位和線性相位的偏差。
 

使用網路分析儀的測試設置
 

頻譜分析儀與網路分析儀群組延遲量測的設置比較

 

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