解開訊號之謎,頻譜分析成 5G 時代關鍵第一步

作者 | 發布日期 2017 年 01 月 17 日 15:00 | 分類 尖端科技 , 物聯網 , 網通設備 follow us in feedly

隨著行動裝置、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,關鍵就在於 5G 技術的成熟。由於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 行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。




如何提升傳播速率?

目前生活中常用的通訊方式,大多仰賴無線電波傳送訊號的技術,包含藍牙、無線網路、行動通訊、衛星通訊及廣播等等。為了建立全球高速無線網路環境,像是伊隆‧馬斯克建立的太空公司 SpaceX,就計畫在未來發射 4,425 顆通訊衛星,提供 1Gbit/秒左右的高速傳輸速率。而行動通訊技術從 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。由於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 的位元塞進固定頻寬的電磁波裡,但這樣訊號將比較容易受到干擾,或解碼錯誤;而無線網路、物聯網、行動通訊跟 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。於是,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。

毫米波是什麼?應用場域在哪裡?

通常衛星通訊、衛星定位、雷達與微波通訊大致採用頻率 1~100GHz 的電磁波,而頻率 30~300GHz(相當於波長 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,頻寬便能輕鬆翻漲 10 倍,傳輸速率將巨幅提升。日前是德科技(Keysight)也與國研院晶片中心達成合作,以「毫米波前端電路系統技術」搭配是德科技的 5G 基頻訊號驗證資料庫軟體,供台灣學界 5G 毫米波射頻前端技術教學及研究使用,加速實現 5G 技術。

除了次世代行動通訊以外,毫米波在消費與商業領域的應用上也潛力無窮,包括無線感測器網路、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。

由於毫米波能提供無線通訊網路中高頻訊號的測試、濾波和傳輸,也可應用在軍事國防與航太方面,效能優於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、空中防禦監測等功能。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,但也有其侷限,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範圍內,必須確認這些頻率能在多路徑環境中順利運作,以及可用於非可視距離通訊。

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、行動電話系統基地台輻射場強的量測、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。

Keysight Spectrum Analyzer

▲ 信號分析儀能幫助電子工程技術人員在未知頻率領域進行頻譜分析(Source:Keysight

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、擷取並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衝或間歇訊號,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。

在了解頻譜分析對高頻訊號研究的重要性後,接著就來預測你在 5G 通訊時代的功力如何吧。

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(首圖來源:Shutterstock) 

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