寬頻轉發器線性度測試：雜訊功率比 (NPR) 與群延遲 (Group Delay) 的精準量測

 

在高通量衛星（High Throughput Satellite, HTS）與低軌寬頻星系主宰通訊市場的 2026 年，射頻工程師面臨的物理戰場已徹底改變，隨著單一轉發器（Transponder）的處理頻寬突破 500 MHz 甚至達到 2 GHz，傳統的測試方法論正遭受嚴峻挑戰，我們不再僅僅關注單一載波的功率，而是必須在滿載（Full-load）的複雜頻譜環境下，確保訊號的「純淨度」與「時序一致性」。

依據 ECSS-E-ST-50-12C 與 IEEE 相關衛星通訊標準，對於寬頻轉發器的驗證，有兩項指標被視為判定訊號品質生死的關鍵：雜訊功率比 (Noise Power Ratio, NPR) 與 群延遲 (Group Delay)。

難題一：交互調變失真的終極考驗 — 雜訊功率比 (NPR)

在早期的窄頻通訊中，工程師習慣使用「雙音測試（Two-tone Test）」來測量三階交互調變截點（IP3），藉此推估非線性失真，然而在現代寬頻轉發器中，同時通過的載波可能有數百甚至數千個。

• 物理現象：
  當成千上萬個載波通過一個非線性的功率放大器（PA）時，它們彼此之間會產生無數的交互調變產物（Intermodulation Products），這些產物在頻譜上不再是清晰的「點」，而是堆疊成類似雜訊的「底噪」。
• 測試盲點：
  雙音測試無法模擬這種「類雜訊」的真實負載環境，若僅依賴 IP3 數據，往往會在實際佈署後發現誤碼率（BER）居高不下，原因正是被忽視的頻譜再生（Spectral Regrowth）干擾了有用訊號。
• NPR 的定義：
  為了真實還原這種嚴苛環境，NPR 測試引入了「高斯白雜訊（AWGN）」作為激勵訊號，模擬滿載的通訊頻譜，我們在雜訊頻譜中人為地挖出一個乾淨的「缺口（Notch）」，理想的線性系統輸出端，這個缺口應該保持乾淨；但在非線性系統中，交互調變產物會像砂石一樣填滿這個缺口，缺口被填滿的程度（即雜訊深度），就是 NPR 值，NPR 值越高，代表線性度越好。

難題二：相位失真的隱形殺手 — 群延遲

對於高速數位調變訊號（如 256APSK 或高階 QAM），相位的一致性至關重要。

• 觀念解析：
  想像一群跑者（訊號中的不同頻率成分）在跑道（傳輸通道）上奔跑，如果跑道平整，大家同時到達終點，這是「線性相位」，但如果跑道對某些人的阻力較大，導致大家到達終點的時間不一致，這種「到達時間的差異」對頻率的變化率，就是 群延遲 (Group Delay)。
• 工程痛點：
  衛星轉發器通常包含濾波器與多工器，這些元件在頻帶邊緣會引入劇烈的群延遲變化（Ripple），當訊號頻寬越寬，受到的群延遲扭曲就越嚴重，直接導致符號間干擾（ISI），使通訊鏈路崩潰。
• 變頻器的夢魘：
  更棘手的是，衛星轉發器通常會進行「變頻（Frequency Conversion）」，例如從 30 GHz (Ka-band) 轉到 20 GHz，這意味著輸入與輸出頻率不同，無法直接比較相位，加上衛星內部的本地振盪器（LO）往往存在頻率漂移與相位雜訊，傳統的向量網路分析儀（VNA）在此類測試中極易因參考頻率不同步而產生巨大誤差。

面對上述寬頻轉發器測試的物理極限，單靠傳統儀器的簡單堆疊已難以竟全功，您需要的是一套能夠駕馭「寬頻雜訊」與「變頻相位」的 「智慧型射頻驗證系統」，我們提供 Rohde & Schwarz (R&S) 的高階量測儀器，提供針對 NPR 與群延遲的精準解決方案。

方案一：NPR 的極致動態範圍量測 (R&S SMW + FSW)

針對 NPR 測試，我們摒棄了昂貴且靈活度低的傳統「類比陷波濾波器」方案，採數位化產生與分析架構。

數位定義的精準缺口

利用 R&S SMW200A 向量訊號產生器 的寬頻基頻產生能力（SMW-K61 選項），直接產生頻寬高達 2 GHz 的多載波訊號，並在數位域中「挖」出極其陡峭的缺口，這種方法能產生高達 50 dB 以上的開關比（On/Off Ratio），遠優於傳統濾波器，且缺口位置與寬度可隨意軟體定義，無需更換硬體。

R&S SMW200A 向量訊號產生器具備高達 2 GHz 的內部調變頻寬、卓越的訊號品質與靈活的 MIMO 衰減模擬能力，是 5G、航太國防和寬頻通訊研發的理想選擇。

一鍵式自動分析

在接收端配合 R&S FSW 訊號與頻譜分析儀，自動掃描並計算缺口內的功率密度與帶外功率密度的比值，這不僅大幅縮短了測試時間，更消除了人為讀數的誤差，精確揭示放大器在滿載下的真實交互調變特性。

探索 R&S FSW 訊號與頻譜分析儀，具備 8.3 GHz 寬頻寬、極低相位雜訊及 800 MHz 即時分析功能。專為 5G NR、汽車雷達及衛星 RF 測試設計，提供卓越的 EVM 和 DANL 性能。

方案二：克服 LO 漂移的變頻群延遲量測 (R&S ZNA)

針對帶有不穩定內建 LO 的衛星變頻器，我們推薦使用 R&S ZNA 高階向量網路分析儀 搭配其獨家的 雙音群延遲測量技術 (Two-Tone Group Delay)。

R&S ZNA 向量網路分析儀專為航太、衛星測試應用而生，具備四個相位同調訊號源、170 dB 高動態範圍與 0.002 dB 超低追蹤雜訊，提供高效能、DUT 為中心的操作體驗，輕鬆應對複雜的射頻量測與生產任務。

• 雙音技術的原理：
  傳統 S 參數法依賴頻率掃描，容易受 LO 漂移影響，R&S ZNA 透過同時發送兩個頻率極為接近的訊號（雙音），直接測量這兩個訊號通過待測物後的「相位差」，由於這兩個訊號是同時經過 LO 的，LO 的頻率漂移對兩者的影響相同，因此在計算相位差時會被 互相抵消。
• 無需參考混頻器：
  這是此方案最大的優勢，您不需要尋找一個昂貴且難以校正的「黃金標準混頻器」來進行反向變頻，R&S ZNA 利用其內建的四個獨立訊號源與相位相干接收機，單機即可完成輸入與輸出頻率不同的高精度群延遲量測，即使在嵌入式 LO 頻率不穩定的情況下，仍能達到 ns (奈秒) 級的量測精度。

整合優勢：從實驗室到熱真空腔 (TVAC)

考量到衛星酬載必須在 熱真空腔 (TVAC) 內進行測試，我們提供 R&S ZN-Z33 等專用校正單元，可置於真空腔內，解決長電纜帶來的校準漂移問題，確保在極端溫度變化下，NPR 與群延遲數據依然準確可靠。

實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同。如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

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