頻段複用/多點波束加持　高速率通訊衛星原理探秘

與傳統的衛星通訊服務相比，HTS雖然也是使用相同的頻譜資源，但頻率卻能夠被重複使用，以及使用多點波束(Multiple Spot Beam)技術，因此提高了HTS的資料傳輸速率，達到FSS的20倍以上。未來的超高速率通訊衛星(Ultra High Throughput Satellite, UHTS)是HTS技術的升級版。UHTS也被稱為兆位元通訊衛星(Terabit Satellite)。

HTS和FSS的比較

如圖1所示，HTS和FSS之間最大的差異是發射的電磁波束覆蓋在地球的面積不同。FSS的射頻能量覆蓋在地球的面積比HTS大，但FSS的頻譜利用率低，所以射頻訊號比HTS微弱。HTS與FSS相反，使用許多點波束(Spot Beam)，覆蓋於地球的面積小，但每一個點波束具有較多的頻譜利用率，所以訊號比較強，可以提供高速的資料傳輸速率。

FSS使用一個寬波束(Wide Beam)，是以一個頻率為基礎，所以容易相互干擾。HTS使用較小的許多點波束，每一個點波束使用不同的頻率。一個點波束的頻率和另一個點波束的頻率保持很大的間隔，所以不會產生干擾。而且相同的頻率還可以同時在被HTS覆蓋的其他地區被使用，只要兩地的距離夠遠，就不會發生通訊干擾。HTS使用的頻率可以被重複使用，總頻寬因此增加。

因為天線的增益是和波束寬度成反比，所以窄小的波束能夠提高發射功率和接收功率，也容許使用小型天線。高功率支援高階的調變和編碼(Modulation and Coding, MODCOD)技術，而高階的MODCOD能夠支援高的頻譜利用率。每單位可用的頻段能傳送的位元速率，稱為「頻譜利用率」。由於可用的太空軌道(Orbital Slot)和電磁波頻譜資源有限，如何提高頻譜利用率變得很重要。

 不過，使用許多點波束覆蓋廣大且連續的地球面積，須要讓波束重疊。這表示相鄰的點波束之間，必須使用不同的頻率和極性(Polarization)，以避免相互干擾。這裡所謂的「極性」，是指電磁波的一種特性，在特定的模式設定下，允許相同的一個頻段被重複使用，共計兩次，而且每次能各別傳送不同的資料。例如，根據電場向量的旋轉方向不同，可將圓偏振光(Circular Polarized Light)分為右旋圓偏振光(Right-hand Circular Polarized Light, RHCP)和左旋圓偏振光(Left-hand Circular Polarized Light, LHCP)。

圖2是四色(4-color)的多點波束連續覆蓋模式，頻率可重複使用，相鄰的點波束之間的干擾很小。四色代表四個波束，每一波束使用1/2的可用頻寬，並在RHCP或LHCP上面傳輸訊號。對HTS而言，四個波束一組，等同於頻寬加一倍。因為相同的頻率可以被「極性」正交的兩個偏振光使用。因此，HTS系統的總頻寬可用公式1表示。2Nb/Nc稱作頻率重複使用因數(Frequency Reuse Factor)，HTS系統的總頻寬是由此值決定的。使用的顏色數目Nc與頻率重複使用因數之間須做抉擇，亦即須兼顧總頻寬和可容許的最小干擾量。

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Nb：HTS的波束總數量

Nc：不同顏色之數目。例如使用四色的多點波束，Nc就等於4。

Bwtotal：HTS系統產出的總頻寬

Bw：分配給HTS使用的頻譜頻寬

了解THS系統效能

THS的傳輸速率是由總頻寬Bwtotal和調變效率決定的，如公式2所示。實務上，通訊鏈路的效能是由可用的載波功率和雜訊功率之比值決定，稱作載波雜訊比(Carrier-to-Noise Ratio, CNR或C/N)。而射頻鏈路的效能是由載波雜訊功率密度比(Carrier-to-noise Power Density Ratio)決定，以C/N0表示，單位是Hz；N0是雜訊功率頻譜密度(Noise Power Spectral Density)。CNR代表接收到的載波訊號強度和雜訊強度之比值。CNR越高代表接收到的訊號品質越好、位元錯誤率(Bit Error Rate)越低。通常這也表示通訊的精準度和可靠度越高。

公式3是CNR的數學基本式。Pc是接收到的載波訊號強度，Pn是接收到的雜訊強度；Pc和Pn的單位是功率微瓦(µW)。CNR是以10為底的對數計算，單位是dBm。例如，在圖3中，測量訊號頻率一段時間後，測得接收到的訊號功率最大強度是30dBm；接收到的雜訊功率強度是-35dBm，它也被稱為噪聲基底(Noise Floor)。因此，CNR等於兩者功率之差，等於65dB。對THS系統而言，最大的挑戰通常是在車裝的行動台或手機的設計，因為它們的資源有限。

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Pt：發射天線的輸入功率。

Gt：在接收系統的方向，發射天線的實際增益。

Gr：在發射系統的方向，接收天線的實際增益。

Lfs：訊號在自由空間的損失(Free Space Loss)。

Latm：訊號在穿越大氣層的過程中發生的損耗(Atmospheric Loss)。

EIRP=PtGt：有效全向輻射功率(Effective Isotropically Radiated Power)，代表發射系統的效能。

R：THS衛星和地面基地台的距離。對同步衛星而言，此距離是35,786~41,680公里。

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I：地面基地台的緯度(Latitude)。

L：地面基地台相對於次衛星點(Subsatellite Point)的經度(Longitude)。次衛星點是指衛星與地球中心的連線在地表的接觸點。

R0：THS衛星的高度。假設為35,786公里，是在「地球赤道同步軌道(Geostationary Orbit)」的位置。

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TA：天線雜訊溫度，取決於天線所接收到的天然(背景)輻射量。

LFRX：訊號在天線與接收器之間的饋線損耗。

TF：饋線溫度。

TR：有效輸入的雜訊溫度，是接收器內部元件產生的雜訊函數。

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其中，

THS系統的可用載波功率C，可由公式4求得。THS衛星和地面基地台的距離R，可由公式5求得。從接收端輸入的不只是想要的訊號，還有不想要的雜訊。這些不想要的雜訊統稱為系統雜訊溫度(System Noise Temperature)，包含從天線和饋線(Feeder)接收到的，還有因為主動元件或被動元件所產生的熱雜訊(Thermal Noise)。以T表示的系統雜訊溫度可由公式6說明。

上述的「通訊鏈路的效能」亦即C/No，其實就是指鏈路預算(Link Budget)，它是在一個完整的通訊鏈路上，計算載波功率和雜訊功率頻譜密度(Noise Power Spectral Density)之比值。根據公式7，可以計算出上鏈或下鏈的鏈路預算。使用公式8，可以從預先計算出來的系統雜訊溫度T推算出雜訊功率頻譜密度N0。K是波茲曼常數(Boltzmann Constant)，等於1.380649×10-23(joules/°K)。在公式7中的Gr/T被稱作功能值(Figure of Merit)，用於表示THS接收系統的效能。使用對數可以將公式7改寫成公式9，其中L=10log (LfsLA)，是路徑損耗(Path Loss)，單位是dB。圖4是THS在Ka頻段和Ku頻段的上鏈效能之比較，可以清楚看出THS在Ka頻段的效能優於在Ku頻段。

一個THS系統的整體效能包含上下鏈的鏈路預算、干擾，以及中繼器(Repeater)的非線性效應。高功率放大器的非線性效應所產生的寄生頻率(Spurious Frequency)，可視為基準功率被加在熱雜訊上而生成的，這就是所謂的互調雜訊(Intermodulation Noise)亦即(N0)IM，它是多載波、調變特性、功率放大器的振幅特性和相位特性的函數。互調雜訊也被納入鏈路預算的計算中，以(C/N0)IM表示。

類似的數學表示式也可以應用到其他雜訊上面，例如干擾。干擾是無處不在的，必須納入計算。實務上，是將干擾視為一種雜訊，並以載波干擾比(Carrier-to-interference Ratio)亦即(C/N0)I來定義它。因此，一個非線性的轉發器(Nonlinear Transponder)在多載波模式和有干擾情況下的整體效能(C/N0)，可以使用公式10來表示。

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認識HTS天線特性

一個天線的功率增益(Power Gain)以G表示，是它的輻射強度(Radiation Intensity)和發射相同總功率的一個等向性天線(Isotropic Antenna)的輻射強度之比值。圖5是一般定向天線(Directional Antenna)的輻射方向圖(Radiation Pattern)，其主波束(Main Lobe)包含了最大輻射方向(也稱作瞄準線方向(Boresight Direction))和一些旁波束(Side Lobe)。旁波束是輻射強度降到零(Null)的波束方向。

公式11是一個直徑為D的反射器天線(Reflector Antenna)的最大功率增益Gmax的數學表示式，η是天線效率(Antenna Efficiency)。天線效率是由許多因素決定的，包含照射法則(Illumination Law)、溢波損耗(Spillover Loss)、表面損失(Surface Impairment)、阻抗和未匹配的損耗等等。

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η：天線效率。

一個天線的輸出功率若降至其最大輸出功率的一半時，其功率增益以10為底的對數來計算，是等於L=10*log10 0.5=-3。若想知道截止頻率(Cutoff Frequency)，就是必須測量頻率響應中的-3dB增益點(Gain Point)。一個天線的θ3dB頻寬是如圖5中的一個角度，它是在主波束上的兩個-3dB半功率點(Half-power Point)或稱作-3dB增益點上各畫一條直線，兩線延伸到圓心相交，所構成的角度，亦稱為半功率頻寬(Half-power Beamwidth)。θ3dB頻寬可以用來表示波束寬度或稱作角波束頻寬(Angular Beamwidth)。從公式12中，可知θ3dB頻寬與λ/D有關。

在圖5中，與「瞄準線方向」差θ角度的方向上的功率增益可以用公式13表示。在公式7中的天線功率增益Gt和Gr可以改用天線直徑D和工作頻率f表示，所以鏈路預算亦即C/N0可以改成公式14表示。使用相同的天線，工作在高頻段的鏈路預算或資料傳輸率都會比工作在低頻段時高。此外，在支援相同資料傳輸率的條件下，工作在高頻段的HTS手機或車裝的行動台，就可以使用較小型或較便宜的天線。

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...............................(13)

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D：天線的直徑。S是衛星，T是終端接收器。

f：工作頻率。

Latm：大氣層損失。

T：接收端的「系統雜訊溫度」。

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(θ3dB)s：衛星天線的「波束寬度」。

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衛星天線的體積大小受到火箭載具的限制。此外，為了實現高傳輸率，THS系統必須使用高頻段，這些因素都使THS波束變得窄小。從公式12中，可知θ3dB頻寬與衛星天線的直徑成反比。而鏈路預算也與波束寬度θ3dB成反比，如公式15所示。因此，較窄的波束比較寬的點波束更能支援較高的鏈路預算C/No。波束寬度θ3dB是由衛星天線的直徑和鏈路頻率的乘積的反比決定的，如公式16所示。