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解開訊號之謎：頻譜分析成 5G 時代關鍵第一步

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解開訊號之謎：頻譜分析成 5G 時代關鍵第一步

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隨著移動設備、物聯網普及 ， 資料傳輸量每年都以等比級數不斷成長 ， 我們也因此需要更高的傳輸速率 。 而要滿足這些需求 ， 關鍵就在于 5G 技術的成熟 。 由于現有頻譜資源已相當吃緊 ， 往更高頻段進行通道探測、找尋適合 5G 移動傳輸的頻率便勢在必行 ， 這時頻譜分析的儀器往往就扮演了重要的角色 。
【解開訊號之謎：頻譜分析成 5G 時代關鍵第一步】如何提升傳播速率？
目前生活中常用的通訊方式 ， 大多依賴無線電波傳送訊號的技術 ， 包含藍牙、無線網絡、移動通訊、衛星通訊及廣播等等 。 為了建立全球高速無線網絡環境 ， 像是伊隆·馬斯克建立的太空公司 SpaceX ， 就計劃在未來發射 4 ， 425 顆通訊衛星 ， 提供 1Gbit／秒左右的高速傳輸速率 。 而移動通訊技術從 4G 發展到 5G ， 則更預計將提升到 10Gbit／秒 。
要提升傳輸速率 ， 主要有兩種方法 ， 一種是增加頻譜效率 ， 一種則是增加頻寬 。 由于相同的頻率只能使用一次 ， 增加頻譜效率就如同把更多 0 和 1 的位塞進固定頻寬的電磁波里 ， 但這樣訊號將比較容易受到干擾 ， 或解碼錯誤；而無線網絡、物聯網、移動通訊跟 AM、FM 等廣播的電磁波頻率都擠在 6GHz 以下 ， 想增加頻寬也很難再有空間 。 于是 ， 要找到新的頻譜資源讓 5G 通訊使用 ， 也只有往更高頻率的毫米波（Millimeter Wave）一路可走了 。
毫米波是什么？應用場域在哪里？
通常衛星通訊、衛星定位、雷達與微波通訊大致采用頻率 1～100GHz 的電磁波 ， 而頻率 30～300GHz（相當于波長 1～10mm）的電磁波 ， 就稱為“毫米波” ， 因此以上這些通訊方式都會利用到毫米波的頻段 。
無線通訊的最大訊號頻寬大約是載波頻率的 5％ 左右 ， 代表載波頻率越高 ， 可實現的訊號頻寬也越大 。 像 4G－LTE 頻段最高頻率的載波在 2GHz 上下 ， 可用頻寬就只有 100MHz 。 因此 ， 如果未來 5G 使用毫米波頻段 ， 頻寬便能輕松翻漲 10 倍 ， 傳輸速率將巨幅提升 。 日前是德科技（Keysight）也與國研院芯片中心達成合作 ， 以“毫米波前端電路系統技術”搭配是德科技的 5G 基頻訊號驗證數據庫軟件 ， 供臺灣學界 5G 毫米波射頻前端技術教學及研究使用 ， 加速實現 5G 技術 。
除了次世代移動通訊以外 ， 毫米波在消費與商業領域的應用上也潛力無窮 ， 包括無線感測器網絡、機場安檢掃描等等 ， 都能帶動毫米波領域的進一步研究與需求成長 。
由于毫米波能提供無線通訊網絡中高頻訊號的測試、濾波和傳輸 ， 也可應用在軍事國防與航太方面 ， 效能優于傳統微波或紅外線感測技術 。 如裝設在飛機或是衛星上的毫米波雷達 ， 就能進行防碰撞預警感測、自主巡航控制、機器人視覺、空中防御監測等功能 。 毫米波成像則能夠探測隱匿物品 ， 如地底下或衣物掩蔽下的武器、炸藥或毒品等等 。
頻譜分析的關鍵作用
毫米波通訊具有高傳輸速率、可短距高頻應用的特性 ， 但也有其局限 ， 如訊號衰減快、易受阻擋、覆蓋距離短等等 ， 尤其在 60GHz 時更會承受約 20dB／km 的氧氣吸收損耗 。 因此 ， 5G 通訊要應用在高頻率的毫米波范圍內 ， 必須確認這些頻率能在多路徑環境中順利運作 ， 以及可用于非可視距離通訊 。
在探索未知的高頻訊號領域中 ， 頻譜分析是電子工程技術人員不可或缺的步驟環節；而他們用來進行頻譜分析儀器的效能 ， 便會左右研究的成果 。 現代信號分析儀比一般頻譜分析儀功能更全面 ， 除了頻域外 ， 還能提供時域及調變域的分析 ， 應用的領域相當廣泛：諸如衛星系統、無線電通信系統、移動電話系統基地臺輻射場強的量測、電磁干擾等高頻信號的偵測與分析 ， 同時也能研究訊號成分、訊號失真度、訊號衰減量、電子組件增益等特性 。
通常每次量測所包含的射頻訊號 ， 皆無法預期它隨時間改變的狀況 ， 技術人員或科學家往往面臨罕見、短暫的事件影響 ， 或是訊號被較強的雜訊遮罩等問題 。 而為了查看、擷取并分析最飄忽不定的訊號 ， 例如要在充斥各種訊號的環境中迅速找出脈沖或間歇訊號 ， 就得靠信號分析儀的“即時頻譜”功能 。 這也意味著信號分析儀必須以夠快的速度對輸入訊號取樣 ， 處理感興趣的頻段中所有訊號量；也能連續執行所有計算 ， 以便分析輸出跟上輸入訊號的變化 。