5G新突破點(diǎn)：毫米波與頻譜分析

　　由于日后的物聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備等方面的海量需求，這就對傳輸速率提出了更高的需求。而5G的應(yīng)時而生就是解決這方面的關(guān)鍵，然而，當(dāng)前的頻譜資源相對缺乏，需要通道探測更高的頻段，那么，頻譜分析的儀器就顯示出重要的作用。

　　傳播速率怎樣提速

　　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(shù)，包含藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)、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(wǎng)絡(luò)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(shù)從 4G 發(fā)展到 5G，則更預(yù)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、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。

　　毫米波的應(yīng)用場域有哪些

　　通常衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位、雷達(dá)與微波通訊大致采用頻率 1～100GHz 的電磁波，而頻率 30～300GHz(相當(dāng)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(xiàn)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(dá)成合作，以“毫米波前端電路系統(tǒng)技術(shù)”搭配是德科技的 5G 基頻訊號驗證數(shù)據(jù)庫軟件，供臺灣學(xué)界 5G 毫米波射頻前端技術(shù)教學(xué)及研究使用，加速實現(xiàn) 5G 技術(shù)。

　　除了次世代移動通訊以外，毫米波在消費(fèi)與商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用上也潛力無窮，包括無線感測器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)場安檢掃描等等，都能帶動毫米波領(lǐng)域的進(jìn)一步研究與需求成長。

　　由于毫米波能提供無線通訊網(wǎng)絡(luò)中高頻訊號的測試、濾波和傳輸，也可應(yīng)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(shù)。如裝設(shè)在飛機(jī)或是衛(wèi)星上的毫米波雷達(dá)，就能進(jìn)行防碰撞預(yù)警感測、自主巡航控制、機(jī)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(guān)鍵作用究竟有哪些

　　毫米波通訊具有高傳輸速率、可短距高頻應(yīng)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(yīng)用在高頻率的毫米波范圍內(nèi)，必須確認(rèn)這些頻率能在多路徑環(huán)境中順利運(yùn)作，以及可用于非可視距離通訊。

　　在探索未知的高頻訊號領(lǐng)域中，頻譜分析是電子工程技術(shù)人員不可或缺的步驟環(huán)節(jié);而他們用來進(jìn)行頻譜分析儀器的效能，便會左右研究的成果?，F(xiàn)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(diào)變域的分析，應(yīng)用的領(lǐng)域相當(dāng)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(qiáng)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(yù)期它隨時間改變的狀況，技術(shù)人員或科學(xué)家往往面臨罕見、短暫的事件影響，或是訊號被較強(qiáng)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。