5G技術成熟的關鍵 頻譜分析儀必功不可沒

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。

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(wèi)星通訊及廣播等等。為了建立全球高速無線網絡環(huán)境，像是伊隆·馬斯克建立的太空公司 SpaceX，就計劃在未來發(fā)射 4，425 顆通訊衛(wèi)星，提供 1Gbit／秒左右的高速傳輸速率。而移動通訊技術從 4G 發(fā)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(wèi)星通訊、衛(wèi)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(tǒng)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(yè)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(yōu)于傳統(tǒng)微波或紅外線感測技術。如裝設在飛機或是衛(wèi)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(jiān)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(huán)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(huán)節(jié)；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?，F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(wèi)星系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)、移動電話系統(tǒng)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(huán)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(xù)執(zhí)行所有計算，以便分析輸出跟上輸入訊號的變化。