📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 6周 🚦 網路會塞車嗎？排隊理論 × 切片 × 資源管理
網路容量與壅塞控制的核心科學
51／150單元： M/M/1 模型 🧮 最基本的延遲模型
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🎯 單元導讀
無線系統有兩類元件：
• 被動元件（Passive Components）
o 範例：濾波器、天線、傳輸線
o 作用：選擇頻率、導引電磁波、反射或分配能量
o 特性：不產生能量，只對訊號進行傳輸與調整
• 主動元件（Active Components）
o 範例：PA、LNA、Mixer、Oscillator
o 作用：放大訊號、頻率轉換、產生射頻能量
o 特性：需要外加電源，能改變訊號的能量與頻率特性
沒有主動元件，通訊系統就不能：
✔ 放大訊號
✔ 接收微弱訊號
✔ 變頻
✔ 合成載波
✔ 進行調變
這就是本章的核心。
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🧠 一、四大 RF 主動元件總覽
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⭐ ① PA（Power Amplifier，功率放大器）
—— 把小訊號變成能「推動天線」的大能量
PA 是基地台中最耗電、功率密度最高的關鍵主動元件，負責將前級產生的低功率射頻訊號放大成足以由天線輻射出去的高功率射頻能量。
其基本訊號流程為：
Input（小訊號 RF） → PA → Output（大功率射頻）
由於 PA 同時承擔高輸出功率與高直流功耗，其效率、線性度與散熱設計，直接影響基地台的覆蓋範圍、能耗表現與長期可靠度，因此是無線系統設計與維運中最關鍵的核心元件之一。
PA 重要指標：
• 輸出功率（Output Power）
• 效率（PAE）
• 線性度（ACP、EVM）
• 漏放（spurious）
• 熱管理（非常重要）
PA 若出問題：
✔ Base Station → 覆蓋下降
✔ Starlink → 波束能量變弱
✔ 手機 → 續航力變差、過熱
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⭐ ② LNA（Low Noise Amplifier，低雜訊放大器）
—— 在一堆雜訊裡，把微弱訊號放大得仍然乾淨
LNA 是接收鏈路中的第一個主動元件，負責在天線之後、雜訊尚未累積前，將極為微弱的射頻訊號進行低雜訊放大。
其基本訊號流程為：
微弱 RF → LNA → Mixer
由於 LNA 位於接收端最前級，其雜訊指數（Noise Figure）會直接主導整個系統的雜訊表現，從而決定接收系統的靈敏度與最小可偵測訊號強度。因此，LNA 的低雜訊、高增益與良好匹配特性，是基地台、衛星與無線通訊系統設計中的關鍵要素。
LNA 重要指標：
• 雜訊指數（Noise Figure, NF）
• 增益（Gain）
• 線性度（IP3）
• 穩定度
LNA 爛 → 整個接收機性能直接報廢。
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⭐ ③ Mixer（混頻器）
—— 把訊號變頻：RF ↔ IF
Mixer 的主要功能是頻率轉換。在無線通訊系統中，接收到的射頻（RF）訊號頻率通常很高，不利於後續的放大、濾波與數位處理，因此必須先將其轉換到較低的中頻（IF）或基頻來處理。這個「往下搬頻」或「往上搬頻」的動作，正是由 Mixer 完成。
其基本頻率關係為：
fIF = | fRF − fLO |
其中：
RF（Radio Frequency）：輸入的射頻訊號
LO（Local Oscillator）：本地振盪器產生的參考頻率
IF（Intermediate Frequency）：混頻後得到的中頻訊號
Mixer 透過 RF 與 LO 的相乘，產生和頻與差頻成分，實際系統中會透過濾波器保留所需的 IF。這種變頻架構使高頻無線訊號能以較低頻率進行高精度、低功耗的數位訊號處理，是所有現代無線系統不可或缺的核心元件之一。
Mixer 重要指標：
• 轉換增益
• LO 隔離
• 雜訊
• 線性度（IP3、IP2）
Mixer 壞 → 收不到、或接收全是干擾。
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⭐ ④ Oscillator（震盪器）
—— 產生 LO（📡 變頻、調變的靈魂）
Oscillator（多為 PLL、VCO）負責：
✔ 產生本振頻率
✔ 控制調變與載波
✔ 控制整個射頻鏈的時序
指標：
• 相位雜訊（Phase Noise）
• 頻率穩定度
• 時鐘抖動（jitter）
震盪器不穩 →
整個系統 EVM、ACP、SNR 全部崩盤。
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🧩 二、RF 前端（RFFE）架構總覽
手機、基地台、Starlink 全部長這樣：
TX: Baseband → DAC → Mixer → PA → Filter → Antenna
RX: Antenna → Filter → LNA → Mixer → ADC → Baseband
4 個主動元件全部在其中。
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📡 三、PA：發射端的靈魂（基地台最重要元件）
PA 主要技術：
• Class AB（傳統）
• Doherty PA（基地台主流）
• GaN PA（5G、衛星趨勢）
• Envelope Tracking（手機節能）
為什麼 PA 這麼難做？
因為它要同時兼顧：
✔ 大功率
✔ 低失真
✔ 高線性度
✔ 不要太熱
✔ 不要吃太多電
✔ 一堆寄生效應
✔ 實體工藝極難控制（第 47 單元）
5G/6G 趨勢：
• GaN PA → 高電壓、高效率
• Doherty + DPD → 線性化
• Massive MIMO 小功率多通道 → 多 PA 協同
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🧲 四、LNA：接收端的守護神
LNA 的核心是：
⭐ 在不增加太多雜訊的情況下，把訊號變大
接收系統的整體雜訊指數（NFsys）可由 Friis 雜訊公式表示：
NFsys = NFLNA + (NF₂ − 1) / GLNA + …
此公式說明，系統的雜訊表現主要由第一級放大器（LNA）所主導。LNA 的雜訊指數會直接加到系統雜訊中，而後續級的雜訊影響則會被 LNA 的增益所「稀釋」。因此，只要 LNA 具備低雜訊指數與足夠增益，後級電路對整體雜訊的影響將大幅降低。這也是為什麼在無線接收鏈路中，LNA 的 NF 是最重要、最關鍵的設計指標，直接決定系統的接收靈敏度。
LNA 技術：
• CMOS LNA（手機）
• GaAs LNA（中高頻）
• MMIC LNA（衛星、微波）
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🌀 五、Mixer：變頻的魔法
Mixer 的本質是「相乘」運算。
當射頻訊號（RF）與本地振盪器（LO）在非線性元件中相乘時，其行為可用三角函數表示為：
cos(2πfRF) · cos(2πfLO)
= ½ [ cos(2π(fRF − fLO)) + cos(2π(fRF + fLO)) ]
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直覺解釋：
RF 與 LO 相乘後，頻譜中會同時產生兩個新成分：
• 差頻（fRF − fLO）
• 和頻（fRF + fLO）
實際無線系統中，會透過濾波器保留所需的差頻（IF 或 Baseband），並抑制和頻與其他雜散訊號。正因為這個「相乘產生新頻率」的特性，Mixer 才能把高頻 RF 訊號轉換成較低頻、較容易放大與數位處理的訊號，這也是所有無線系統能正常運作的關鍵。
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因此會產生：
• 和頻
• 差頻（我們要的）
• LO 泄漏
• 複雜雜訊
星鏈和雷達的混頻器 → 要多層濾波器搭配。
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⏰ 六、Oscillator／PLL：頻率的控制中心
震盪器決定：
✔ 調變精準度
✔ EVM（modulation error）
✔ ACP（鄰頻功率）
✔ 整個系統的時間基準
5G NR 的相位雜訊規格非常嚴格。
LEO/Starlink 更極端（溫度變化大 → VCO 要超穩定）。
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🛰 七、Starlink／LEO 的主動元件挑戰
Starlink 的 RFIC 需要：
• 超低 phase noise（因為波束要準）
• 小型化 PA/LNA（數百顆）
• 多通道 Mixer + PLL
• 低功耗 + 高線性（因為太空供電有限）
• 材料要耐極端溫度（工藝難度比基地台高 5 倍）
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🏙 八、電信實務
1️⃣ PA 故障 → 覆蓋瞬間掉一半
常見原因：
• 過熱
• 天線 S11 壞 → 反射太大 → PA 損傷
• DPD 校正錯誤
• 過功率
→ CHT 網管中心會直接跳出告警。
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2️⃣ LNA 壞掉 → SINR 掉到谷底
現象：
• RSRP 還好，但 SINR 爛到不行
• 小區邊緣訊號完全收不到
• TDD uplink 變很差
LNA 壞對網路的破壞通常比 PA 還可怕。
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3️⃣ LO 失鎖（PLL unlock） → 整個基地台停機
LO 失鎖時，所有：
• Mixer
• DPD
• MIMO 同步
• 上下行時序
全部崩潰。
CHT 會立即派人換板子。
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📈 九、ASCII 圖：RF 主動元件串接
TX chain
Baseband → DAC → Mixer → PA → Filter → Antenna
RX chain
Antenna → Filter → LNA → Mixer → ADC → Baseband
所有主動元件都有明確職責。
此示意圖呈現無線通訊系統中發射端（TX）與接收端（RX）的完整射頻鏈路。TX chain 中，基頻訊號經 DAC 轉為類比後，由 Mixer 上變頻至射頻，PA 將訊號放大至可發射功率，再經濾波後送入天線輻射；RX chain 則由天線接收射頻訊號，先經濾波選頻，再由 LNA 以最低雜訊放大微弱訊號，經 Mixer 下變頻後送入 ADC 轉為數位基頻處理。整條鏈路中，每一個主動元件皆負責特定且不可替代的功能，其效能共同決定系統的覆蓋能力、靈敏度與整體通訊品質。
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🛠 十、實務題（CHT／Starlink／5G）
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1️⃣ 為什麼 PA 的線性度（ACP/EVM）對 5G NR 特別重要？
因為 5G 是 OFDM → 高 PAPR → 容易失真
PA 一旦不線性 →
• 鄰頻污染（ACP）
• 星形圖糊掉（EVM）
• NCC 法規可能直接 NG
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2️⃣ LNA 的 NF 下降 1 dB，對基站有多大影響？
極大。
邊緣上行 RSRP 可改善 2–3 dB。
等於覆蓋半徑增加、SINR 增強。
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3️⃣ 為什麼 LEO 衛星的 Oscillator 需要「超低 phase noise」？
因為：
• 波束要非常準
• 多衛星 handover 超密集
• Doppler shift 大（LEO 飛很快）
Phase noise 差 → 波束亂 → 連線切換失敗。
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✔ 十一、小結與啟示
📌 PA：把能量推向空間
📌 LNA：把極弱的訊號從雜訊中拉出
📌 Mixer：把頻率搬到可處理的區域
📌 Oscillator：整個 RF 系統的心跳
📌 主動元件決定通訊的「性能上限」
📌 Starlink／6G／基地台都依賴高階 RFIC
📌 RF 主動元件 = 無線工程的心臟
一句話收尾：
⭐ 沒有 PA/LNA/Mixer/Oscillator，就沒有 5G、6G，也沒有 Starlink。
