無線頻寬加速演進 解析頻寬成儀器關鍵

行動通訊產品的世代，從普及率極高的數位行動通訊應用的GSM系統，到目前正推行的第三代行動通訊的W-CDMA、HSDPA、HSUPA，以及即將面世的WiMAX、HSPA+與LTE。這一路走來，其演進的脈絡都是為了具備更快速的傳輸資料。

大概所有人都很難忍受GPRS龜速般的資料傳送速度，這是因為在狹小的200KHz的訊號頻寬裡，為了不讓訊號失真，所以必須限制傳送的資料速率。但是到了新世代的通訊系統，為了讓資料更快速地在空間的通道中流通，最直接的辦法莫過於直接增加訊號頻寬，例如W-CDMA將訊號頻寬增加到3.84 MHz，而規劃中的LTE也將一舉利用20 MHz的頻寬傳送資料。但是如此寬頻的通訊系統對目前的量測儀器而言是一種挑戰。若儀器的解析頻寬低於訊號頻寬，量測訊號的手法就必須更加複雜，而量測得到的結果，也將充滿著推估與運算而得到的成分。最直接；而且也最真實的寬頻訊號量測，必須讓儀器俱備解析頻寬遠高過訊號頻寬的效能，可預見的是，未來寬頻量測儀器的應用將會愈來愈普遍，例如圖一的Rohde & Schwarz的向量頻譜分析儀FSQ，其解析頻寬已經可以升級至120 MHz。

《圖一 Rohde & Schwarz的向量頻譜分析儀FSQ》

頻寬增加 Fading Profile為把關要點

事實上，加大頻寬以增加資料傳送速率並不是新鮮事，早期的衛星傳輸與點對點基站的傳輸也都是利用這個原理快速的傳送資料。但是在衛星和點對點基站的應用上，工程師大都提供良好的通道供其使用，一般我們會稱這種通道的特性為Light of Sight，也就是站在發射機上可以直接和接受機遙遙相望的意思。所以，除了衛星以外，大多數的站台都會蓋在山上或是空曠處。但是商用的行動通訊產品的通道往往很難達到Loght of Sight，因為我們大都將發射與接收機(例如你的手機)放在褲子口袋裡。

即使發射機有足夠的頻寬產生快速的資料序列，但通道特性的不完美對接收的訊號品質將會產生顯著的影響。這些不完美的通道有可能的成因是：使用者在室內，訊號必須經過多個路徑的反射才能傳到接收機；或是使用者在行駛的車上，手機和基地台間產生相對速度，因為都卜勒效應而產生訊號頻率偏移等；另外，在商用的行動通訊中，常常有多人同時使用通道的情形，例如W-CDMA使用同一個頻率的用戶就會互相干擾，甚至演進到HSDPA，系統容許單一用戶同時使用五到十五個正交通道碼下載資料，這些同時動作的正交碼在功率過大時，還會對用戶自已的下載訊號產生自我干擾。對W-CDMA這類的碼分工通訊系統而言，這些干擾近乎雜訊。為了描述以上這些通道的不完美，許多通訊規範都訂定出標準的不完美通道，我們通常將這些標準通道的概況統稱作Fading Profile。行動通訊產品上市前，就必須通過在特定Fading Profile的考驗下，維持一定水準的通訊品質的測試。

MIMO量測重要性與日俱增

為了減緩不完美通道對通訊造成的影響，許多新技術不斷地被提出，包含目前流行的MIMO (Multiple Input, Multiple Output)技術，MIMO的理念是利用訊號在同一個空間中因為經由不同的通道而具備多樣性的特點，改善訊號解析的錯誤率。若空間中有多個發射機與多個接收機，代表訊號會經由因不同的發射、接收路徑所交織而成的眾多通道，在發射端可經由適當的安排，讓流經每個通道的訊號都互有關聯性，但又有些差異。在接收機端則將每個通道的接收訊號都加以相關性運算，取得每個訊號間的權重，再以權重加乘每個通道的訊號，並將訊號疊合。利用每個通道的訊號間具有關聯性；但在每個通道上的雜訊並無關聯性的特性，讓疊加後的訊號具有建設性的加乘，進而產生抵抗雜訊的增益。MIMO的流行，對量測儀器也捲起一陣風潮，可以發現，有愈來愈多的儀器具備多個可同時動作的射頻埠以因應MIMO的量測。例如圖二中的Rohde & Schwarz向量訊號產生器SMU200A。

《圖二 R&S向量訊號產生器SMU200A》

Rohde & Schwarz SMU200A具備有兩組射頻發射埠(圖二儀器的右下角)，可以各別產生許多通訊系統的訊號，同時又能在訊號中加入模擬的通道特性。SMU200A同時支援外部基頻訊號輸入，因此有些使用者會將其他儀器，例如模擬基地台訊號的Rohde & Schwarz CMU200 (圖三)的基頻訊號抽取出來導入SMU200A，透過SMU200A內部的Fading模擬器與雙射頻輸出，產生帶有連線資訊的失真訊號餵給手機，模擬並測試手機在接收到失真訊號時的通訊品質，或是測試其在兩個埠的接收多樣性下抵抗雜訊與干擾的效能。

無線量測行為複雜 軟體程序控制應用比重高

新的通訊系統不斷標榜快速的資料傳輸速率，讓使用者能夠實現行動通訊下的寬頻上網。但是在真實的使用情況下，傳輸速率卻會因為通道的影響而衰減。為了量測這些複雜行為，使用者會發現，除了儀器效能需求必須俱備更廣的解析頻寬外，整個量測的操作將變得更加複雜。在這類的應用下，不論是由使用者自行開發，或是經由儀器設備商取得解決方案，利用軟體控制儀器，依次進行所有的量測步驟會是一個較好的方法。這類的軟體，好處除了節省操作時間外，更重要的是建立起標準的作業流程，讓每次的量測都是在同一個設定與步驟下執行，對量測結果的可追蹤性有相當大的助益。

新的通訊系統帶來新的量測需求，儀器的效能與量測方法亦隨之演進。即使通訊系統再怎麼演變；自動化的量測再如何便利，但是操作儀器與判讀結果最終還是必須仰賴工程師的技術、經驗與知識。這或許是世代更迭的行動通訊領域中，唯一不會改變的趨勢。

《圖三 R&S CMU200》