熊子康 武曉磊 何敬鎖,3 張 民 蘇 波,3 張 渤 韓大海 張存林,3

(1. 首都師范大學物理系，北京 100048； 2. 首都師范大學太赫茲光電子學教育部重點實驗室，北京 100048； 3. 首都師范大學北京成像技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100048； 4. 北京郵電大學光通信與光波技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100876 )

0 引 言

隨著信息時代的發(fā)展，人們對于通訊速率的要求也逐漸提高．根據(jù)Edholm的帶寬定律，人們對無線短距離通信帶寬的需求一般每18個月翻一倍[1]．目前的4G通信技術(shù)將不足以滿足不斷增長的設(shè)備基礎(chǔ)和客戶流量需求，為了增加信道容量可以通過改進調(diào)制方案和信號處理技術(shù)或者采用多種復用方式來實現(xiàn)[2-3]．但是根據(jù)香農(nóng)定理，想要獲得10 Gbps或更高速率，微波通信由于其窄帶寬的限制將無法達到目標．所以為了獲得10 Gbps及以上的通信速率，無線通信系統(tǒng)必須利用較高載波頻率來提供足夠大的傳輸容量，這必然使得研究者考慮利用更高頻的毫米波作為載波以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸[4-6]，因而太赫茲頻段通信的研究日益增多．

太赫茲波是指頻率在0.1～10 THz(波長為0.03～3 mm)范圍內(nèi)的電磁波，介于微波和紅外頻段之間，處于電子學向光子學的過渡領(lǐng)域[7]．太赫茲波具有傳輸速率高、容量大、方向性好、抗干擾能力強等特點，易于實現(xiàn)Gbps量級的信道容量[8]．太赫茲通信系統(tǒng)對大氣條件有強烈依賴性，再加上鏈路的視距性質(zhì)[9]，一般利用低頻段太赫茲波作為無線通信載波．相較于目前研究熱門的5G(第五代移動通信技術(shù))通信所選取的60 GHz載波頻段，300 GHz 通信具有更大的帶寬和信道容量，可以提供更高的通信速率；對比于更高載頻的太赫茲通信，300 GHz 又能保證較低的損耗和較高輸出功率，對于太赫茲集成器件的要求相對較低，便于開展后期的實驗工作．針對300 GHz頻段通信的研究，日本信息與通信技術(shù)研究所(NTT)開展較早研究且處于領(lǐng)先水平，2012年采用單行載波光電二極管(UTC-PD)發(fā)射極和肖特基勢壘二極管檢測器在300 GHz實現(xiàn)24 Gbps無線數(shù)據(jù)傳輸[10]；在2018年美國微波技術(shù)展(IMS2018)上，NTT聯(lián)合東京工業(yè)大學設(shè)計了基于InP材料的高速通訊芯片，在300 GHz 的工作頻率實現(xiàn)了全世界最快的傳輸速率100 Gbps．2017年，德國Braunschweig太赫茲通信實驗室使用基于單片微波集成電路(MMIC)的模擬前端在300 GHz載波頻率下傳輸數(shù)據(jù)速率高達64 Gb/s 的寬帶復合調(diào)制信號，最大發(fā)射機符號速率為32 Gbps[11]．國內(nèi)研究300 GHz通信的有中國工程物理研究院，2012年完成了基于16進制正交幅度調(diào)制(16-ary quadrature amplitude modulation，16QAM)的0.34 THz 的3 Gbps實時解調(diào)通信實驗，能夠?qū)崿F(xiàn)50 m距離上的無線傳輸；2016年利用肖特基二極管設(shè)計了340 GHz的二進制開關(guān)鍵控(on-off keying，OOK)接收機，實現(xiàn)了高達18 Gbps的高速OOK無線通信[12-14]．

基于300 GHz頻段的太赫茲通信的優(yōu)良特點，本文設(shè)計了兩種310 GHz載頻信號的無線通信系統(tǒng)，發(fā)射端分別采用了基于美國Virginia Diodes Inc(VDI)公司生產(chǎn)的倍頻放大模塊AMC 557的高功率發(fā)射機和基于VDI諧波混頻器的零中頻(zero intermediate frequency， ZIF)發(fā)射機，接收端均采用諧波混頻零中頻接收機以提高系統(tǒng)靈敏度，根據(jù)仿真結(jié)果和鏈路預算得知，基于AMC 557高功率發(fā)射鏈和超外差接收的通信鏈路，可進行OOK調(diào)制5 Gbps的10 m傳輸距離，四進制振幅鍵控(4-ary amplitude shift keying，4ASK)調(diào)制速率可達10 Gbps，該系統(tǒng)適用于室內(nèi)短距離Gbp量級高速無線傳輸；基于超外差諧波混頻收發(fā)的通信鏈路，非歸零碼(nonreturn to zero code，NRZ)調(diào)制速率高達20 Gbps，但通信距離將大幅縮短為0.2 m，在鏈路中增加太赫茲透鏡提高增益可以使通信距離延伸至2 m，而且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易于集成，更適合10 Gbps以上的近距離收發(fā)超高速無線通信．

1 310 GHz無線通信系統(tǒng)

方案一設(shè)計了基于AMC 557倍頻鏈的高功率發(fā)射機，如圖1所示．微波信號源產(chǎn)生一個頻率為19.375 GHz，功率為10 dBm的正弦信號，經(jīng)過倍頻器與預失真處理過的中頻信號進行混頻，再經(jīng)過放大器、功放和3次倍頻，產(chǎn)生中心頻率為310 GHz的載波信號，帶寬為20 GHz，輸出功率為40 mW，信號通過喇叭天線發(fā)射．對于簡單的OOK信號，可以直接輸入基帶碼流至混頻器中頻端．對于復雜調(diào)制信號，需要對初始碼流進行數(shù)字預失真處理，以補償倍頻鏈帶來的強非線性．預失真處理的信號經(jīng)過高速數(shù)模轉(zhuǎn)換(digital to analog converter，DAC)，輸入至零中頻上混頻器的中頻端口．為了簡化結(jié)構(gòu)，本文選擇零中頻混頻避免載波調(diào)制及二次混頻，有利于實現(xiàn)實時信號傳輸．

本方案發(fā)射機利用VDI公司倍頻放大器AMC 557的參數(shù)仿真，VDI發(fā)射前端采用的是基于肖特基變?nèi)荻O管的多級倍頻結(jié)構(gòu)，可以很好地模擬前端的非線性．因此，根據(jù) AMC 557的系統(tǒng)框圖和輸出性能構(gòu)建了AMC 557中去除前端3倍頻器的由3個肖特基變?nèi)荻O管倍頻器組成的8倍頻鏈作為發(fā)射前端，如圖1所示．

圖1 基于倍頻鏈的高功率發(fā)射機原理框圖

1.1 基于AMC 557高功率發(fā)射鏈和超外差接收的通信系統(tǒng)

基于AMC 557高功率發(fā)射鏈和超外差接收的310 GHz無線通信系統(tǒng)如圖2所示．發(fā)射端采用圖1所示的基于AMC 557倍頻鏈的高功率發(fā)射機，接收端采用超外差混頻接收機，為了覆蓋300～320 GHz 頻帶，接收機的本振中心頻率選擇為310 GHz，中頻帶寬選擇0～10 GHz．考慮到接收中頻低噪聲放大器的噪聲，接收端整體噪聲溫度估計為 6 000 K．為了使得零中頻接收機的本振與接收信號本振同相，使用模擬移相器來調(diào)整本振相位．

將圖2中零中頻上混頻器端口直接輸入 5 Gbps 基帶碼流信號，經(jīng)過零中頻上混頻后信號帶寬約10 GHz (中心頻率左右第一零點頻率間隔)，其數(shù)字碼流的時域波形和頻譜如圖3所示．圖4給出了OOK信號零中頻解調(diào)時域波形和頻譜．根據(jù)頻譜圖可以看出解調(diào)后的信號與輸入信號時域波形和頻譜大致吻合，本文認為當前系統(tǒng)具備 5 Gbps，OOK 調(diào)制的能力．

圖2 基于AMC 557高功率發(fā)射鏈和超外差接收的310 GHz無線通信系統(tǒng)

圖3 輸入5 Gbps數(shù)字碼流時域波形圖(a)和頻譜圖(b)

圖4 5 Gbps, OOK零中頻解調(diào)信號(實線)與IF輸入信號(虛線)時域波形比較圖(a)和5 Gbps, OOK零中頻解調(diào)信號頻譜圖(b)

通過數(shù)字預失真技術(shù)，當前系統(tǒng)可以實現(xiàn)高階調(diào)制．為了探究通信速率對系統(tǒng)解調(diào)信號的影響，本文選取2、5和10 Gbps 3個不同速率初始數(shù)字碼流對其進行4ASK信號調(diào)制解調(diào)，最后觀察分析接收端解調(diào)得到信號的時域波形和頻譜圖如圖5所示．

圖5 不同速率的4ASK解調(diào)信號與IF輸入信號時域波形比較圖(a. 2 Gbps; c. 5 Gbps; e. 10 Gbps)和頻譜圖(b. 2 Gbps; d. 5 Gbps; f. 10 Gbps)

圖5(a～f)分別表示在2、5和10 Gbps 狀態(tài)下的4ASK信號解調(diào)時域波形和基帶頻譜．從圖中可知，隨著通信頻率的升高，解調(diào)信號的失真程度逐漸增加，這主要是由于在不同符號間切換時，需要一定的穩(wěn)定時間，在該時間內(nèi)，信號的幅度和相位均偏離理想值，最終使得零中頻接收的效果惡化．可以采用直接檢波的方式應對穩(wěn)定時間內(nèi)信號相位的非線性，但是會降低檢測靈敏度，也可以在數(shù)字預失真上開展研究，這將是未來的研究點之一．

1.2 基于VDI諧波混頻超外差收發(fā)的通信鏈路

方案二設(shè)計了基于VDI諧波混頻超外差收發(fā)的310 GHz無線通信系統(tǒng)，如圖6所示．發(fā)射端采用了基于VDI諧波混頻器的零中頻發(fā)射機，通過諧波混頻器的中頻端口輸入信號進行調(diào)制，從而避免鏡像抑制的問題．由于采用OOK調(diào)制會導致頻譜效率太低，4ASK 調(diào)制又需要一定的信號處理，不易于實現(xiàn)實時傳輸，所以圖6采用了一種基于NRZ和零中頻混頻器的調(diào)制方法，可以在OOK調(diào)制的基礎(chǔ)上，提高頻譜效率一倍以上，且易于實時實現(xiàn)．

不同于方案一的先混頻再倍頻的高功率倍頻鏈設(shè)計，這里采用VDI公司的諧波混頻器參數(shù)仿真，基于次諧波混頻原理，次諧波混頻器由倍頻和混頻封裝構(gòu)成[15]，根據(jù)三角函數(shù)積化和差公式，頻率分別為f1和f2的余弦信號相乘，數(shù)學表達式為：

(1)

在本振信號19.375 GHz達到155 GHz時與輸入信號IF2進行次諧波混頻，通過零中頻上混頻輸出得到中心頻率為310 GHz帶寬為20 GHz的調(diào)制信號．

將圖6中的系統(tǒng)IF輸入20 Gbps NRZ碼流信號進行調(diào)制解調(diào)實驗，圖7和圖8給出了發(fā)射和零中頻接收解調(diào)后的時域信號與原始輸入信號之間的對比以及最終輸出信號的頻譜．由圖可知，當接收和發(fā)射相位匹配時，零中頻解調(diào)工作正常．從波形可以看出，當前系統(tǒng)具備20 Gbps 信號發(fā)射的能力，發(fā)射功率約為-15 dBm．值得注意的是，在實際的系統(tǒng)中，由于鏈路損耗及接收系統(tǒng)噪聲的因素，解調(diào)波形會惡化．

2 系統(tǒng)鏈路預算與分析比較

2.1 基于AMC 557高功率發(fā)射鏈和超外差接收的 5 Gbps/10 Gbps通信鏈路

圖6 基于VDI諧波混頻超外差收發(fā)的310 GHz無線通信系統(tǒng)

方案一采用圖2所示的310 GHz無線通信系統(tǒng)，發(fā)射機輸出功率為40 mW，發(fā)射天線預計采用26 dBi的VDI 波導喇叭天線，信號帶寬為10 GHz，采用OOK和4ASK調(diào)制方式調(diào)制速率分別為5和10 Gbps；接收天線預計采用26 dBi的VDI 波導喇叭天線，中頻帶寬0～20 GHz．VDI檢波器(WR2.8)和次諧波混頻器(SHM)的噪聲溫度為800～1 500 K，加上LNA引入的噪聲，6 000 K的接收系統(tǒng)噪聲溫度是比較正常的數(shù)值．鏈路預算如下表1所示．

即使當系統(tǒng)瞬時工作帶寬為20 GHz時，在10 m 處的SNR依然有25.7 dB，這是非常充裕的鏈路預算．另外，通過加入太赫茲透鏡可以進一步增加傳輸距離．

2.2 基于VDI諧波混頻超外差收發(fā)的通信鏈路

方案二采用圖6所示的310 GHz無線通信系統(tǒng)，發(fā)射機輸出功率為-15 dBm，發(fā)射天線預計采用26 dBi的VDI 波導喇叭天線，信號帶寬為20 GHz，NRZ調(diào)制速率為20 Gbps；接收天線預計采用26 dBi的VDI波導喇叭天線，中頻帶寬0～20 GHz．鏈路預算如下表2所示．

表1 基于AMC 557高功率發(fā)射鏈和超外差接收的通信鏈路預算

表2 基于VDI諧波混頻超外差收發(fā)的20 Gbps通信鏈路預算

從上表可以看出，通信距離縮短為0.2 m．如果在鏈路中增加太赫茲透鏡，將帶來20 dB以上的鏈路增益，可以使得通信距離延伸至2 m．

綜上所述，兩種設(shè)計方案都可實現(xiàn)310 GHz高速無線通信，方案一的系統(tǒng)發(fā)射功率更高，傳輸距離更長，易于實現(xiàn)10 m距離上的Gbps量級的無線信號傳輸；方案二的系統(tǒng)發(fā)射機結(jié)構(gòu)較為簡單，便于集成，發(fā)射功率小傳輸距離有限，但通信速率在方案一上翻倍，能進行20 Gbps的超高速無線傳輸，適用于對速率要求高的短距離超高速無線通信領(lǐng)域．

3 結(jié)束語

針對310 GHz這個高帶寬、低損耗、高速率的太赫茲通信窗口，本文設(shè)計了基于AMC 557高功率發(fā)射鏈和超外差接收以及基于VDI諧波混頻超外差收發(fā)兩種通信鏈路，通過鏈路預算和理論分析，比較了這兩種310 GHz無線通信系統(tǒng)的傳輸能力．當然目前設(shè)計的310 GHz無線通信系統(tǒng)性能的仿真分析尚存在誤差，與實際太赫茲無線通信相比，存在傳輸環(huán)境、多徑信道傳輸及器件損耗等待考慮因素，這將在以后做進一步研究．未來的研究將會多關(guān)注于數(shù)字預失真處理、高階調(diào)制方式和太赫茲通信信道的改進，以構(gòu)建實時、可調(diào)、高速、完備的310 GHz無線通信系統(tǒng)．