5G时代第一步：频谱分析

随着移动设备、物联网普及，资料传输量每年都以等比级数不断成长，我们也因此需要更高的传输速率。而要满足这些需求，关键就在于 5G 技术的成熟。由于现有频谱资源已相当吃紧，往更高频段进行通道探测、找寻适合 5G 移动传输的频率便势在必行，这时频谱分析的仪器往往就扮演了重要的角色。

如何提升传播速率？

目前生活中常用的通讯方式，大多依赖无线电波传送讯号的技术，包含蓝牙、无线网络、移动通讯、卫星通讯及广播等等。为了建立全球高速无线网络环境，像是伊隆·马斯克建立的太空公司 SpaceX，就计划在未来发射 4,425 颗通讯卫星，提供 1Gbit/秒左右的高速传输速率。而移动通讯技术从 4G 发展到 5G，则更预计将提升到 10Gbit/秒。

要提升传输速率，主要有两种方法，一种是增加频谱效率，一种则是增加频宽。由于相同的频率只能使用一次，增加频谱效率就如同把更多 0 和 1 的位塞进固定频宽的电磁波里，但这样讯号将比较容易受到干扰，或解码错误；而无线网络、物联网、移动通讯跟 AM、FM 等广播的电磁波频率都挤在 6GHz 以下，想增加频宽也很难再有空间。于是，要找到新的频谱资源让 5G 通讯使用，也只有往更高频率的毫米波（Millimeter Wave）一路可走了。

毫米波是什么？应用场域在哪里？

通常卫星通讯、卫星定位、雷达与微波通讯大致采用频率 1~100GHz 的电磁波，而频率 30~300GHz（相当于波长 1~10mm）的电磁波，就称为"毫米波"，因此以上这些通讯方式都会利用到毫米波的频段。

无线通讯的最大讯号频宽大约是载波频率的 5% 左右，代表载波频率越高，可实现的讯号频宽也越大。像 4G-LTE 频段最高频率的载波在 2GHz 上下，可用频宽就只有 100MHz。因此，如果未来 5G 使用毫米波频段，频宽便能轻松翻涨 10 倍，传输速率将巨幅提升。日前是德科技（Keysight）也与国研院芯片中心达成合作，以"毫米波前端电路系统技术"搭配是德科技的 5G 基频讯号验证数据库软件，供台湾学界 5G 毫米波射频前端技术教学及研究使用，加速实现 5G 技术。

除了次世代移动通讯以外，毫米波在消费与商业领域的应用上也潜力无穷，包括无线感测器网络、机场安检扫描等等，都能带动毫米波领域的进一步研究与需求成长。

由于毫米波能提供无线通讯网络中高频讯号的测试、滤波和传输，也可应用在军事国防与航太方面，效能优于传统微波或红外线感测技术。如装设在飞机或是卫星上的毫米波雷达，就能进行防碰撞预警感测、自主巡航控制、机器人视觉、空中防御监测等功能。毫米波成像则能够探测隐匿物品，如地底下或衣物掩蔽下的武器、炸药或毒品等等。

频谱分析的关键作用

毫米波通讯具有高传输速率、可短距高频应用的特性，但也有其局限，如讯号衰减快、易受阻挡、覆盖距离短等等，尤其在 60GHz 时更会承受约 20dB/km 的氧气吸收损耗。因此，5G 通讯要应用在高频率的毫米波范围内，必须确认这些频率能在多路径环境中顺利运作，以及可用于非可视距离通讯。

在探索未知的高频讯号领域中，频谱分析是电子工程技术人员不可或缺的步骤环节；而他们用来进行频谱分析仪器的效能，便会左右研究的成果。现代信号分析仪比一般频谱分析仪功能更全面，除了频域外，还能提供时域及调变域的分析，应用的领域相当广泛：诸如卫星系统、无线电通信系统、移动电话系统基地台辐射场强的量测、电磁干扰等高频信号的侦测与分析，同时也能研究讯号成分、讯号失真度、讯号衰减量、电子组件增益等特性。

▲ 信号分析仪能帮助电子工程技术人员在未知频率领域进行频谱分析（Source：Keysight）

通常每次量测所包含的射频讯号，皆无法预期它随时间改变的状况，技术人员或科学家往往面临罕见、短暂的事件影响，或是讯号被较强的杂讯遮罩等问题。而为了查看、撷取并分析最飘忽不定的讯号，例如要在充斥各种讯号的环境中迅速找出脉冲或间歇讯号，就得靠信号分析仪的"即时频谱"功能。这也意味着信号分析仪必须以够快的速度对输入讯号取样，处理感兴趣的频段中所有讯号量；也能连续执行所有计算，以便分析输出跟上输入讯号的变化。

在了解频谱分析对高频讯号研究的重要性后，接着就来预测你在 5G 通讯时代的功力如何吧。