雷明政，方苗苗,2，朱敏,2**，蔡沅成,2，張教,2，華炳昌，田亮

（1.網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111；2.東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著5G“萬(wàn)物互聯(lián)”的快速發(fā)展，“萬(wàn)物智聯(lián)”的6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展潮流來(lái)勢(shì)洶洶，預(yù)計(jì)智能交通、智能工廠等新興產(chǎn)業(yè)的不斷興起和蓬勃發(fā)展，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，通信帶寬、容量及接入需求將會(huì)急劇增長(zhǎng)[1]。有研究表明，6G 將要提供較于5G 的100 倍的接入訪問(wèn)速度和1 000 倍的容量。在支持?jǐn)?shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)的帶寬容量和速率需求上，太赫茲通信憑借更多的頻譜資源，有著廣泛的應(yīng)用前景。而且，由于太赫茲波段特性，太赫茲系統(tǒng)更易于小型化集成和部署[2]。

傳統(tǒng)太赫茲通信系統(tǒng)采用純電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由于電子器件發(fā)展限制等原因，全電子太赫茲通信系統(tǒng)存在信號(hào)頻率和帶寬受限、室內(nèi)部署困難等電子瓶頸問(wèn)題[3-4]。為另辟新徑繼續(xù)提升通信性能，光子輔助太赫茲通信系統(tǒng)開(kāi)始成為人們的研究熱點(diǎn)；其關(guān)鍵的光學(xué)外差信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)展現(xiàn)了信號(hào)頻率可靈活調(diào)諧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)越特性，且由于光纖的低傳輸損耗及非視距傳播，延長(zhǎng)了無(wú)線(xiàn)通信的距離，便利了室內(nèi)部署，有著廣闊的前景[5-6]。

在光子太赫茲通信系統(tǒng)中，通過(guò)光本振進(jìn)行外差上變頻可以提高光電轉(zhuǎn)換靈敏度，且增強(qiáng)與PON（Passive Optical Networks，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）的兼容性[7]；但另一方面也會(huì)由于采用自由運(yùn)行的激光器，不可避免地面臨高相位噪聲的危害，這也是商業(yè)落實(shí)光子太赫茲通信的一大難題[8]。采用OFC（Optical Frequency Comb，光頻梳）代替自由運(yùn)行激光器的方法，雖能根本上避免相位噪聲問(wèn)題，但OFC 對(duì)結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)的極高要求，也急劇增加了發(fā)射機(jī)的復(fù)雜性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度[9-10]。低成本、可靈活調(diào)諧的自由運(yùn)行激光器顯然占據(jù)了獨(dú)特的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，受到光子太赫茲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的歡迎[11]。

在太赫茲信號(hào)接收端，根據(jù)信號(hào)檢測(cè)方式的不同，分為相干接收和非相干接收。相干接收系統(tǒng)由于固定采用相干混頻進(jìn)行下變頻，太赫茲本地振蕩器必不可少，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；而且，由于光子太赫茲發(fā)射端激光器線(xiàn)寬和頻偏的影響，產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)會(huì)引入附加的嚴(yán)重相位噪聲，使接收端DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）解調(diào)變得更加繁瑣[12-13]。而非相干接收系統(tǒng)，通過(guò)接收信號(hào)的自混頻方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)下變頻，減少了太赫茲本地振蕩器等器件需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化；同時(shí)，自混頻大大減少了光外差拍頻產(chǎn)生的相位噪聲，降低了信號(hào)恢復(fù)的DSP復(fù)雜性和成本，比相干探測(cè)系統(tǒng)更具發(fā)展?jié)摿14]。但是，非相干包絡(luò)檢測(cè)也帶來(lái)一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題—SSBI（Signal-Signal Beat Interference，信號(hào)-信號(hào)拍頻串?dāng)_）。

從消除非相干太赫茲包絡(luò)檢波引入的SSBI 的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)接收的信號(hào)在數(shù)字域進(jìn)行均衡和非相干包絡(luò)檢測(cè)是兩種行之有效的辦法。前者通過(guò)采用Volterra 算法或KK 算法雖能很好地恢復(fù)信號(hào)，得到不錯(cuò)的通信性能，但由于UE（User Equipment，用戶(hù)端）DSP 解調(diào)處理流程繁瑣、功耗高、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模部署[15-18]。

結(jié)合上述分析，結(jié)合未來(lái)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信需求，并針對(duì)SSBI 問(wèn)題，本文提出了一種多帶非相干光子太赫茲通信系統(tǒng)（本文的非相干是針對(duì)接收端來(lái)說(shuō)）。通過(guò)采用FDM（Frequency-Division Multiplexing，頻分復(fù)用）方式進(jìn)行多副載波自適應(yīng)調(diào)制，增大信息容量，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信資源調(diào)度分配，以適用于多類(lèi)終端用戶(hù)場(chǎng)景。此外，通過(guò)光域自適應(yīng)濾波，抑制非相干包絡(luò)檢波時(shí)多帶之間的SSBI，實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)的低算法復(fù)雜度和低功耗接收，有利于太赫茲接收終端的大規(guī)模部署。

1 多帶非相干太赫茲通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本文提出的太赫茲通信系統(tǒng)在發(fā)射端采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光外差上變頻，在接收端采用了對(duì)發(fā)射端激光器相位噪聲不敏感的非相干包絡(luò)檢波。以往報(bào)道的包絡(luò)檢波太赫茲通信系統(tǒng)，大多僅采用單一的調(diào)制信號(hào)格式[19-27]。雖實(shí)現(xiàn)了良好性能的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但應(yīng)用場(chǎng)景單一，并不能滿(mǎn)足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信的多場(chǎng)景發(fā)展要求。本文采用了一種多帶自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制，既迎合了集中分布式的未來(lái)多樣化終端發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的范圍覆蓋，又提升了頻譜資源的利用效率，增大系統(tǒng)容量，節(jié)約軟硬件資源。此外，針對(duì)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)太赫茲包絡(luò)檢波，本文提出了一種光域自適應(yīng)SSB 濾波機(jī)理，抑制多帶之間的SSBI，簡(jiǎn)化了DSP 信號(hào)解調(diào)流程，大大降低了系統(tǒng)功耗和復(fù)雜度，更利于技術(shù)的商業(yè)化落實(shí)和普及。

1.1 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)太赫茲通信技術(shù)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，各用戶(hù)場(chǎng)景的智能移動(dòng)終端設(shè)備數(shù)量及數(shù)據(jù)需求趨于多樣化，特別是當(dāng)下多媒體通過(guò)直播進(jìn)行信息實(shí)時(shí)傳播方式的興起，在充分利用頻譜資源且滿(mǎn)足多用戶(hù)場(chǎng)景的通信容量需求方面，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信號(hào)自適應(yīng)調(diào)制通信技術(shù)的發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。

本文通過(guò)采用FDM 方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信資源調(diào)度分配，以適用于多類(lèi)終端用戶(hù)場(chǎng)景。但是，由于光纖色散影響，在基于包絡(luò)檢波的多帶光子太赫茲系統(tǒng)中，包絡(luò)檢波下變頻后所得頻率越高的信號(hào)頻帶受光纖色散的影響越大，這限制了多帶太赫茲信號(hào)的傳輸距離及不同頻帶可接受的調(diào)制階數(shù)[28-30]。對(duì)于包絡(luò)檢波下變頻后所得頻率越低的頻帶，可應(yīng)用越高的數(shù)據(jù)密度，采用更高階調(diào)制格式，這些信號(hào)所占據(jù)的頻段被稱(chēng)作通信系統(tǒng)的“強(qiáng)”通道；與之相反，所得頻率越高的頻帶，可采用的調(diào)制階數(shù)越低，這些信號(hào)所占據(jù)的頻段稱(chēng)作為“弱”通道。如果所有信號(hào)頻段采用統(tǒng)一的調(diào)制格式，則不同頻帶必須一致采用可接受的最小階調(diào)制，“強(qiáng)”通道不能極致發(fā)揮其容量?jī)?yōu)勢(shì)，整個(gè)系統(tǒng)的容量受最“弱”通道的限制，嚴(yán)重拉低了其他較強(qiáng)信號(hào)通道的寶貴頻譜利用效率。由此，根據(jù)用戶(hù)需求以及每個(gè)信號(hào)頻帶的通道響應(yīng)情況，自適應(yīng)調(diào)整各頻帶的通信調(diào)制階數(shù)。由低到高的數(shù)據(jù)密度（低階調(diào)制信號(hào)到高階調(diào)制信號(hào)）對(duì)應(yīng)應(yīng)用于信噪比由弱到強(qiáng)的通道，提高下行通道的數(shù)據(jù)容量和頻譜效率，同時(shí)亦實(shí)現(xiàn)了太赫茲點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的覆蓋通信。

圖1 展示了一種自適應(yīng)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)太赫茲通信的多用戶(hù)應(yīng)用場(chǎng)景。由信號(hào)發(fā)射中心發(fā)射多帶中頻通信信號(hào)，進(jìn)入光纖進(jìn)行分布式傳輸；結(jié)合系統(tǒng)傳輸響應(yīng)，并針對(duì)多種不同的用戶(hù)場(chǎng)景所需的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)地光域信號(hào)處理，然后在遠(yuǎn)端天線(xiàn)單元通過(guò)外差上變頻將多帶中頻信號(hào)上變頻至不同的太赫茲頻段，最后在用戶(hù)端對(duì)接收到的太赫茲信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波處理及目標(biāo)信號(hào)的數(shù)據(jù)解調(diào)。根據(jù)目標(biāo)需求，對(duì)不同的信號(hào)頻帶可自適應(yīng)地分配不同的調(diào)制格式。終端設(shè)備數(shù)量較多、數(shù)據(jù)需求大的用戶(hù)場(chǎng)景需要高階的調(diào)制格式，而隨著數(shù)據(jù)密度需求的降低，調(diào)制信號(hào)階數(shù)要求隨之遞減。如：對(duì)于大型體育館，人員基數(shù)大，實(shí)時(shí)直播需求高，移動(dòng)通信終端設(shè)備多，網(wǎng)上沖浪活躍度高，分配64QAM乃至更高階的信號(hào)；對(duì)于學(xué)生平板跟學(xué)的智慧教室、學(xué)校等用戶(hù)，全天所需網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較高且設(shè)備較密集，可分配16QAM 信號(hào)或者更高階信號(hào)；對(duì)于活動(dòng)放松的休閑公園，人少且極少上網(wǎng)，數(shù)據(jù)需求低且設(shè)備分散，分配4QAM 信號(hào)。采用這種自適應(yīng)調(diào)制并對(duì)應(yīng)多種用戶(hù)場(chǎng)景的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多帶太赫茲通信系統(tǒng)可以用更少的軟硬件資源增大系統(tǒng)傳輸容量，增強(qiáng)通信性能魯棒性，提升動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)靈活性。

圖1 自適應(yīng)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)太赫茲通信應(yīng)用場(chǎng)景示例

1.2 SSBI抑制技術(shù)

ED（Envelope Detector，包絡(luò)檢波器）是非相干探測(cè)系統(tǒng)中用于進(jìn)行太赫茲信號(hào)下變頻的常用電器件，由非線(xiàn)性器件和LPF（Low-Pass Filter，低通濾波器）組成，其中非線(xiàn)性器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)相乘，完成信號(hào)的頻譜搬移，再通過(guò)LPF 濾除非線(xiàn)性器件輸出的高頻分量，整體作用相當(dāng)于一個(gè)輸出為L(zhǎng)PF 的平方律檢波器[14]。通常SSBI項(xiàng)將與目標(biāo)信號(hào)有極大的頻譜重疊，嚴(yán)重影響接收信號(hào)的質(zhì)量，且決定了較高的DSP 解調(diào)復(fù)雜度。

設(shè)置保護(hù)間隔是已有工作中最常見(jiàn)的消除SSBI 的方法，但效果的好壞與頻譜資源的利用恰成反比，想要更好地消除SSBI，就必須設(shè)置更大的保護(hù)間隔，造成頻譜資源的浪費(fèi)，故僅通過(guò)大保護(hù)間隔消除SSBI 在頻譜資源緊張的當(dāng)下并不可??；而通過(guò)接收端DSP 算法設(shè)計(jì)，利用KK 或Volterra 等非線(xiàn)性算法消除SSBI，則會(huì)導(dǎo)致接收端DSP 復(fù)雜性和功耗飆升。本系統(tǒng)采用一種設(shè)置較小保護(hù)間隔與SSB 自適應(yīng)光濾波相結(jié)合的方法抑制多帶太赫茲系統(tǒng)中的SSBI。CO（Central Office，中央單元）的DSP 模塊產(chǎn)生單邊帶的虛載波和多帶中頻信號(hào)，并對(duì)虛載波與相鄰的信號(hào)頻帶之間，以及頻帶相互之間插入合適的保護(hù)間隔；DSP 產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A（Digital-to-Analog Conversion，數(shù)模轉(zhuǎn)換）后通過(guò)電光映射后轉(zhuǎn)換成SSB 光信號(hào)，并送入光纖傳輸?shù)絉AU（Radio Access Unit，射頻接入單元）；在每個(gè)RAU 應(yīng)用一個(gè)光SSB 濾波器來(lái)自適應(yīng)篩選信號(hào)的光譜范圍，將目標(biāo)頻帶信號(hào)自適應(yīng)保持在接收頻譜范圍內(nèi)的最外側(cè)位置，并通過(guò)光外差上變頻產(chǎn)生太赫茲信號(hào)；在用戶(hù)接收端，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)奶掌澬盘?hào)通過(guò)ED 下變頻至中頻頻率，再經(jīng)過(guò)A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換，Analog-to-Digital Conversion）轉(zhuǎn)換后進(jìn)行DSP 離線(xiàn)處理。其中，經(jīng)過(guò)ED 平方律探測(cè)后，引入的SSBI 將從直流項(xiàng)分布到目標(biāo)信號(hào)頻帶附近的頻率，對(duì)接收信號(hào)的質(zhì)量影響較小，也簡(jiǎn)化了后續(xù)的DSP 處理。

為了更能直觀明了地理解，以S1、S2為目標(biāo)信號(hào)，結(jié)合圖示及公式進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。以接收單邊帶頻分復(fù)用雙副載波太赫茲信號(hào)為例，對(duì)應(yīng)的平方率包絡(luò)檢測(cè)公式如下：

C表示接收太赫茲信號(hào)的電虛載波，S1和S2分別表示距離電虛載波由近及遠(yuǎn)的頻帶信號(hào)1 和頻帶信號(hào)2，|?|2表示平方律檢測(cè)算子，表示信號(hào)的共軛，表示信號(hào)實(shí)部。從公式推導(dǎo)最后結(jié)果來(lái)看，每項(xiàng)依次為直流項(xiàng)、頻帶信號(hào)1 自身拍頻干擾（SSBI1）、頻帶信號(hào)2 自身拍頻干擾（SSBI2）、頻帶信號(hào)1 和2 相互間拍頻干擾（SSBI3）以及兩個(gè)目標(biāo)的期望信號(hào)。直流項(xiàng)一般可以通過(guò)電路的直流模塊或者DSP 輕松去除。

從式(1)及圖2 可以看到，SSBI3 與目標(biāo)信號(hào)1 在頻域重疊，嚴(yán)重影響信號(hào)1 的性能；但是目標(biāo)信號(hào)2 不受SSBI 影響。當(dāng)用光SSB 帶通濾波器自適應(yīng)地以目標(biāo)信號(hào)S1為通帶最右側(cè)的頻帶信號(hào)，接收到的太赫茲信號(hào)進(jìn)入ED 進(jìn)行信號(hào)下變頻時(shí)，如式(2)所示：

圖2 目標(biāo)信號(hào)S1和S2的SSBI抑制機(jī)理

結(jié)合式(2)及圖2 可以看到，經(jīng)過(guò)光SSB 帶通濾波器，并設(shè)置合適的保護(hù)間隔后，完美消除了SSBI3 對(duì)目標(biāo)信號(hào)1 的影響，因而，可通過(guò)簡(jiǎn)單的離線(xiàn)DSP 解調(diào)即可良好地恢復(fù)出目標(biāo)信號(hào)S1。當(dāng)以S2,S3,....,Sn為目標(biāo)信號(hào)時(shí)，亦可采用保護(hù)間隔結(jié)合自適應(yīng)光SSB 濾波技術(shù)消除SSBI，提升通信性能并降低接收端DSP 復(fù)雜性。

2 多帶非相干光子太赫茲通信實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

圖3 是本文所提出的多帶非相干光子太赫茲通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)主要分為三個(gè)模塊：CO、RAU 和UE。CO 產(chǎn)生自適應(yīng)調(diào)制SSB 光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的線(xiàn)性映射，并將光信號(hào)送入單模光纖；RAU 接收光纖傳輸?shù)男盘?hào)，進(jìn)行自適應(yīng)光濾波，并實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到太赫茲的轉(zhuǎn)換和無(wú)線(xiàn)發(fā)射；UE 接收太赫茲無(wú)線(xiàn)信號(hào)，進(jìn)行包絡(luò)檢波，最后實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)DSP 解調(diào)。

圖3 多帶非相干光子太赫茲通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在CO，通過(guò)DSP 在數(shù)字域產(chǎn)生了一個(gè)虛載波，并使用FDM 方式，距離虛載波由近及遠(yuǎn)產(chǎn)生了三個(gè)頻帶的單邊帶中頻信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)的傳輸響應(yīng)，三個(gè)中頻信號(hào)分別設(shè)置為5.75 G Buad 的64QAM、16QAM 和4QAM；虛載波與相鄰頻帶之間的保護(hù)間隔為6.35 GHz，頻帶與頻帶之間的保護(hù)間隔分為1.5 GHz 和2.5 GHz 兩種情況；產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過(guò)AWG（Arbitrary Waveform Generator，任意波形發(fā)生器）以92 GSa/s 的采樣率上采樣完成D/A，生成一個(gè)由電虛載波和三頻帶中頻信號(hào)組合的模擬信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)IQ 調(diào)制器調(diào)制來(lái)自可調(diào)諧ECL1（External Cavity Laser，外腔激光器）的發(fā)射功率為14.5 dBm 的193.5 THz 光載波；經(jīng)過(guò)載波抑制SSB 調(diào)制，電信號(hào)線(xiàn)性映射為單邊帶光信號(hào)，并經(jīng)過(guò)EDFA1（Erbium-doped fiber amplifiers，摻鉺光纖放大器）放大，用于補(bǔ)償電光調(diào)制的損耗。值得注意的是，在放大之前，使用了PC1（Polarization Controller，偏振控制器）進(jìn)行光偏振態(tài)對(duì)準(zhǔn)，以最大化EDFA1（Erbium-doped fiber amplifiers，摻餌光纖放大器）的放大效率。

經(jīng)過(guò)EDFA1 放大的單邊帶光信號(hào)隨后經(jīng)過(guò)20 km SMF（單模光纖，Single-Mode Fiber）傳輸至RAU；考慮到SMF 的非線(xiàn)性效應(yīng)，EDFA1 的輸出功率固定在5 dBm。在RAU，接收到的光信號(hào)注入輸出功率固定在6 dBm 的EDFA2，以補(bǔ)償SMF 的傳輸損耗。隨后采用TOF（Tunable Optical Filter，可調(diào)諧光濾波器），以4QAM、16QAM、64QAM 分別作為目標(biāo)信號(hào)，并根據(jù)目標(biāo)信號(hào)中心頻率、帶寬及保護(hù)間隔，合理設(shè)置TOF 的中心波長(zhǎng)及3 dB 通帶帶寬，使調(diào)制后信號(hào)的光載波和目標(biāo)信號(hào)頻帶分別位于TOF 的通帶內(nèi)兩側(cè)，來(lái)模擬自適應(yīng)光濾波，為太赫茲接收端包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)SSBI 的抑制提前做好準(zhǔn)備。需要指出的是，SSBI 的抑制與發(fā)射波形的調(diào)制階數(shù)無(wú)關(guān)，只與發(fā)射波形的頻率、帶寬和保護(hù)間隔有關(guān)；而且，TOF 的滾降系數(shù)越大，SSBI 抑制更加理想，信號(hào)頻帶排列可以更緊湊，頻譜效率更高。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，實(shí)驗(yàn)時(shí)這里先后對(duì)這三種調(diào)制格式分別進(jìn)行了信號(hào)濾波處理，以模擬點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。在頻帶保護(hù)間隔為2.5 GHz 條件下，依次以4QAM、16QAM、64QAM 作為目標(biāo)信號(hào)，通過(guò)調(diào)諧TOF 的中心波長(zhǎng)和3 dB 帶寬，使光載波和目標(biāo)信號(hào)頻帶分別位于TOF 的通帶內(nèi)兩側(cè)，對(duì)應(yīng)的濾波效果如圖4（a）所示。ECL2 產(chǎn)生功率為10 dBm 的193.790 THz光波，作為光本振信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)光外差太赫茲上變頻。光本振經(jīng)過(guò)PC2 進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)諧后，直接與濾波后的SSB 光信號(hào)通過(guò)3 dB OC（Optical Coupler，光耦合器）進(jìn)行耦合。圖4（b）展示了目標(biāo)信號(hào)為64QAM 的耦合信號(hào)光譜。各耦合信號(hào)分別順序進(jìn)入EDFA3 進(jìn)行整體功率補(bǔ)償，并通過(guò)VOA（Variable Optical Attenuator，可調(diào)諧光衰減器）來(lái)測(cè)試下行通信的光纖鏈路功率裕度，并用以判斷接收光功率對(duì)通信性能的影響。VOA 輸出的光信號(hào)進(jìn)入U(xiǎn)TC-PD（Uni-Travelling-Carrier Photodiode，單行載流子光電探測(cè)器）進(jìn)行光本振與SSB 光信號(hào)間的外差拍頻，完成CO 所發(fā)射中頻信號(hào)的上變頻，產(chǎn)生中心頻率約為290 GHz 的多帶無(wú)線(xiàn)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)均采用增益為26 dBi 的喇叭天線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)分為天線(xiàn)B2B（Back-to-Back，背靠背）和2 m 無(wú)線(xiàn)距離兩種情況。

圖4 不同節(jié)點(diǎn)的信號(hào)光譜圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，在B2B 情況下測(cè)試了信號(hào)之間的頻帶保護(hù)間隔對(duì)通信性能的影響。在測(cè)試中，通過(guò)調(diào)節(jié)VOA，分別測(cè)試了RAU 中ROP（Received Optical Power，接收光功率）變化對(duì)不同頻段太赫茲信號(hào)性能的影響。通信性能采用20% SD-FEC（Soft Decision-Forward Error Correction，軟判決-前向糾錯(cuò)）閾值2×10-3和7% HDFEC（Hard Decision-FEC，硬判決-前向糾錯(cuò))閾值3.8×10-3作為通信性能指標(biāo)BER 的衡量標(biāo)準(zhǔn)。另外，在上述測(cè)試基礎(chǔ)上，繼續(xù)驗(yàn)證了在2.5 GHz 頻帶保護(hù)間隔下，2 m 無(wú)線(xiàn)傳輸損耗對(duì)通信性能的影響。對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，UTC-PD 的最大輸入光功率被限制為12 dBm，以免光功率過(guò)高損壞器件。實(shí)驗(yàn)具體結(jié)果具體分析如下。

（1）SSBI 抑制

在背靠背無(wú)線(xiàn)接收端，接收到的太赫茲無(wú)線(xiàn)信號(hào)通過(guò)ED 實(shí)現(xiàn)信號(hào)下變頻，生成帶有SSBI 的中頻信號(hào)。在2.5 GHz頻帶保護(hù)間隔條件下，分別以4QAM、16QAM、64QAM為目標(biāo)信號(hào)的接收頻譜如圖5 所示。由于所使用光濾波器的滾降系數(shù)有限，考慮實(shí)際傳輸響應(yīng)，對(duì)目標(biāo)信號(hào)邊帶進(jìn)行自適應(yīng)光濾波時(shí)，保留了部分外側(cè)相鄰邊帶，以減少光濾波對(duì)目標(biāo)信號(hào)的損傷。包絡(luò)檢波后的信號(hào)再被送入LNA（Low Noise Amplifier，低噪聲放大器），補(bǔ)償光-太赫茲轉(zhuǎn)換以及太赫茲傳輸損耗，并用實(shí)時(shí)示波器以128 GSa/s 的采樣速率進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字化處理和采集。由于包絡(luò)檢波的非相干太赫茲?rùn)z測(cè)方式對(duì)外差拍頻的兩束激光器的相位噪聲不敏感，所以解調(diào)過(guò)程無(wú)需使用頻偏估計(jì)和載波相位恢復(fù)等均衡過(guò)程。從圖5 可以看到，光自適應(yīng)濾波前，SSBI 與目標(biāo)信號(hào)頻譜嚴(yán)重混疊，目標(biāo)信號(hào)64QAM 和16QAM 與其頻帶內(nèi)的SSBI 功率比分別為5.52 dB 和10.65 dB，SSBI 將嚴(yán)重影響目標(biāo)信號(hào)的通信質(zhì)量。光自適應(yīng)濾波后，SSBI 位于目標(biāo)信號(hào)頻譜的左側(cè)，目標(biāo)信號(hào)64QAM 和16QAM 與其頻帶內(nèi)的SSBI 功率比分別降為21.38 dB 和22.34 dB，SSBI 對(duì)目標(biāo)信號(hào)的通信質(zhì)量影響較小。為了進(jìn)一步衡量自適應(yīng)光濾波對(duì)SSBI 的抑制效果，給出了自適應(yīng)光濾波前后目標(biāo)信號(hào)64QAM和16QAM 的星座圖及其對(duì)應(yīng)的誤碼率，如圖6 所示。光自適應(yīng)濾波前，目標(biāo)信號(hào)64QAM 和16QAM 的星座點(diǎn)呈現(xiàn)出混沌狀態(tài)，誤碼率分別為4.52×10-2和3.39×10-2。若要進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能，則需要使用Volterra 或KK等SSBI 抑制算法。光自適應(yīng)濾波后，目標(biāo)信號(hào)64QAM和16QAM 的星座點(diǎn)清晰可見(jiàn)，誤碼率分別降至3.17×10-3和3.28×10-4。因而，不再需要采用SSBI 抑制算法，這也使得接收端的DSP 變得更加簡(jiǎn)單，功耗更低。

圖5 包絡(luò)檢波輸出目標(biāo)信號(hào)4QAM、16QAM、64QAM對(duì)應(yīng)頻譜

圖6 目標(biāo)信號(hào)16QAM和64QAM的SSBI抑制前后星座圖及BER對(duì)比

（2）1.5 GHz 和2.5 GHz 信號(hào)頻帶保護(hù)間隔多帶太赫茲傳輸

圖7 左側(cè)展示了在B2B 條件下，分別采用1.5 GHz 和2.5 GHz 信號(hào)頻帶保護(hù)間隔，4QAM、16QAM、64QAM 三個(gè)目標(biāo)信號(hào)的通信性能。測(cè)試中，ROP 從6 dBm 以1 dB 為步長(zhǎng)逐漸增加到12 dBm。如圖可見(jiàn)，當(dāng)頻帶保護(hù)間隔分別為1.5 GHz 和2.5 GHz 時(shí)，接收信號(hào)BER 均隨ROP 的遞增而降低，即在正常接收光功率范圍內(nèi)，隨著ROP 增大可以提升太赫茲信號(hào)的傳送質(zhì)量；而且，相同頻帶的目標(biāo)信號(hào)在保護(hù)間隔為2.5 GHz 的BER 整體低于1.5 GHz 時(shí)的BER，這是因?yàn)楸Ｗo(hù)間隔的增加為自適應(yīng)光SSB濾波提供了更寬的裕度，減少了光濾波對(duì)目標(biāo)信號(hào)的損傷。當(dāng)ROP 大于等于9 dBm時(shí)，所有解調(diào)信號(hào)BER 全部低于2×10-2的SD-FEC 閾值，且ROP 在12 dBm 左右，都可達(dá)到3.8×10-3的HD-FEC 閾值；其中，QAM4、QAM16 的誤碼率均遠(yuǎn)低于HD-FEC，整體通信性能良好。這里還發(fā)現(xiàn)，頻帶間隔為2.5 GHz 的三種調(diào)制信號(hào)的BER 曲線(xiàn)，在ROP 較小時(shí)高階QAM 信號(hào)的BER較小，這是由于高階QAM 信號(hào)頻帶距離虛載波近，相干性好，且器件在低頻時(shí)傳輸響應(yīng)更好，這也是可以利用信號(hào)自適應(yīng)調(diào)制、提升通信容量和頻譜利用率的關(guān)鍵。但是，低階QAM 信號(hào)BER 曲線(xiàn)的整體改善速率明顯優(yōu)于高階QAM信號(hào)，當(dāng)ROP 大于等于8 dBm 時(shí)，BER 由大到小分別對(duì)應(yīng)高階到低階QAM 信號(hào)。這是由于低階QAM 信號(hào)歐式距離本身較大，增大ROP 可以大幅改善信噪比，降低BER；高階QAM 歐氏距離本身較小，增大ROP 雖然可以改善信噪比，提升通信性能，但存在閾值；頻帶保護(hù)間隔1.5 GHz 的BER 曲線(xiàn)變化亦如是。圖7 右側(cè)展示了在兩種頻帶保護(hù)間隔距離下，最小BER（ROP 為12 dBm）所對(duì)應(yīng)的各信號(hào)解調(diào)星座圖?？梢钥吹?，QAM4、QAM16 信號(hào)星座點(diǎn)聚攏；QAM64 在頻帶保護(hù)間隔1.5 GHz 時(shí)星座點(diǎn)與2.5 GHz 時(shí)比較發(fā)散，但BER 均在HD-FEC 附近，通信性能良好，系統(tǒng)的總傳輸速率達(dá)69 Gbit/s。通過(guò)使用更優(yōu)性能的光濾波器，或者使用預(yù)均衡技術(shù)抵消光濾波對(duì)目標(biāo)信號(hào)的損傷，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的太赫茲通信性能，進(jìn)一步減小頻帶之間的保護(hù)間隔。

圖7 信號(hào)頻帶間隔1.5 GHz和2.5 GHz對(duì)應(yīng)的BER曲線(xiàn)（左側(cè)）和對(duì)應(yīng)各信號(hào)最小BER解調(diào)星座圖（右側(cè)）

（3）B2B 和2 m 太赫茲無(wú)線(xiàn)傳輸

圖8 左側(cè)展示了在信號(hào)頻帶保護(hù)間隔為2.5 GHz 條件下，4QAM、16QAM、64QAM 三個(gè)目標(biāo)信號(hào)的通信性能。測(cè)試中，ROP 從6 dBm 以1 dB 的步長(zhǎng)逐漸增加到12 dBm。如圖可見(jiàn)，在B2B 和2 m 無(wú)線(xiàn)距離兩種測(cè)試條件下，接收信號(hào)BER 均隨ROP 的遞增而降低；而且，相同頻帶的目標(biāo)信號(hào)在B2B 傳輸時(shí)的BER 整體低于2 m 無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)的BER，這是由于無(wú)線(xiàn)鏈路的傳輸使接收的太赫茲無(wú)線(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生了功率和非線(xiàn)性損耗，降低了接收信號(hào)的質(zhì)量。當(dāng)BER 滿(mǎn)足20% SD-FEC 時(shí)，與B2B 傳輸相比，2 m 的無(wú)線(xiàn)傳輸距離造成了約2 dBm 的光功率消耗。當(dāng)ROP 為12 dBm 時(shí)，各信號(hào)BER 都可達(dá)到3.8×10-3的HD-FEC 閾值，其中QAM4、QAM16 的BER 均遠(yuǎn)低于HD-FEC。圖8 右側(cè)展示了在兩種傳輸距離下最小BER（ROP為12 dBm）所對(duì)應(yīng)的各信號(hào)解調(diào)星座圖。無(wú)線(xiàn)傳輸2 m 時(shí)各信號(hào)的星座點(diǎn)與B2B 時(shí)相比較發(fā)散，但BER 均小于HDFEC；整體來(lái)看信號(hào)點(diǎn)聚集，通信性能比較好。從測(cè)試的結(jié)果也可以看到，通過(guò)多帶自適應(yīng)調(diào)制和SSB 光濾波，可以滿(mǎn)足不同速率和不同無(wú)線(xiàn)距離等多需求場(chǎng)景的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)覆蓋傳輸。

圖8 無(wú)線(xiàn)傳輸距離為0（B2B）和2 m的BER變化曲線(xiàn)（左側(cè)）和對(duì)應(yīng)各信號(hào)最小BER解調(diào)星座圖（右側(cè)）

3 結(jié)束語(yǔ)

6G 移動(dòng)通信突出的超寬帶、超高速發(fā)展需求帶來(lái)大帶寬、易重構(gòu)的超靈活光子太赫茲通信技術(shù)發(fā)展浪潮，但低復(fù)雜度包絡(luò)檢波太赫茲引入的SSBI 嚴(yán)重影響接收信號(hào)質(zhì)量?；诖耍疚奶岢隽艘环N多帶非相干光子太赫茲通信系統(tǒng)中的SSBI 抑制技術(shù)，具體闡述了應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景的自適應(yīng)調(diào)制和自適應(yīng)光濾波原理，用以解決多用頻帶資源分配調(diào)度問(wèn)題，在頻譜資源有限的條件下，提升通信容量和頻譜效率，并降低用戶(hù)接收復(fù)雜度和功耗。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該原理的可行性，在7% HD-FEC 條件下實(shí)現(xiàn)了300 GHz 頻段多帶太赫茲信號(hào)的2 m 無(wú)線(xiàn)傳輸。