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摘 要: 针对传输速率为10 Gb/s太赫兹通信系统,给出了调制方式优选方案。首先详细介绍毫米波、自由空间激光通信中常用调制方式的特性,包括功率有效性、频带利用率、实现复杂度和峰均比;接着介绍太赫兹通信目前采用的调制方式,然后重点讨论在具体实现时,相位噪声、模/数转换器采样率、功率放大器非线性对调制方式选取的影响;最后在链路预算基础上结合具体器件参数,考虑相位噪声和功放非线性因素,对优选调制方式误码率性能进行仿真。
关键词: 太赫兹通信; 调制方式; 链路预算; 相位噪声; 非线性功率放大器
中图分类号: TN928⁃34 文献标识码: A 文章编号: 1004⁃373X(2015)09⁃0001⁃08
Abstract: The optimization scheme of modulation mode is proposed for 10 Gbps terahertz communication system. The cha⁃racteristics of some common modulation modes in millimeter wave and free space laser communication are introduced, including power efficiency, band utilization, implementation complexity and peak⁃to⁃average power ratio. The modulation modes in current terahertz communication system is also introduced. The effect of phase noise, A/D converter sampling rate and power amplifier nonlinear on the selection of modulation mode is discussed emphatically. The phase noise and nonlinear factors of power amplifier are considered in combination with specific device parameters based on link budget. The bit⁃error⁃rate character of the optimization modulation mode is simulated.
Keywords: terahertz communication; modulation mode; link budget; phase noise; nonlinearity power amplifier
0 引 言
随着信息技术的发展以及空天技术的进步,人们对信息量的需求越来越大,无线通信业务包括移动互联网、卫星数据传输等都对信息速率提出了越来越高的要求。据估计,在2020年左右,无线通信对信息速率需求将达到[1]100 Gb/s。根据通信频段不同,无线通信可分为微波通信、太赫兹波(Terahertz,THz)通信以及自由空间激光通信等几类。受物理带宽限制,微波中的毫米波频段最大可用带宽为7 GHz(在60 GHz附近),需采用频谱效率高于14 b/s/Hz的通信体制来满足未来对100 Gb/s信息速率的需求,这给通信体制设计与实现带来极大挑战[2]。在100 GHz及以上的THz频段,拥有高达数十GHz的可用带宽,只需采用带宽效率适中的通信体制就可提供数Gb/s到100 Gb/s甚至更高的信息传输速率,这是目前毫米波通信所无法达到的。而相对于自由空间激光通信,THz波在传播过程中受烟雾沙尘及闪烁效应影响较小,可在恶劣环境下保持正常通信。
近几年大批THz通信演示验证系统纷纷涌现。已实现的THz通信系统主要分为全电子学与光电混合两大类,典型系统有德国KIT(Karlsruhe Institute of Technology)的0.22 THz和0.24 THz通信验证系统[3⁃4],日本NTT公司的0.3 THz通信系统[5⁃11]。最具代表性的是德国KIT大学的THz数据传输系统[12]:采用基于单向载流子传输光电二极管(Uni⁃traveling Carrier Photodiodes,UTC⁃PD)发射机和全电子学接收机芯片,以及QPSK、8QAM、16QAM调制方式的多载波通信体制,在0.24 THz实现了通信距离为20 m、最高数据传输速率为100 Gb/s的无线数据传输以及接收端的离线解调,有望用于解决光纤通信“最后一英里”问题。
尽管THz通信相对毫米波、自由空间激光通信有众多优势,但其能否得到大规模应用还取决于THz有关理论与技术能否取得突破性进展。目前实现THz通信还存在以下主要问题:
(1) THz辐射源输出功率较低,实现较复杂;
(2) THz检测器件灵敏度低,能量转换效率不高;
(3) 采用的调制解调体制无法适应复杂环境下非线性信道传输特性。
针对目前THz通信体制亟需优化问题,本文首先对毫米波、自由空间激光通信中广泛采用的调制方式的特性进行分析,结合THz通信特点,确定了10 Gb/s 0.338 THz通信系统的优选调制方式。本文介绍毫米波、自由空间激光通信系统中广泛采用的调制方式的功率、带宽效率以及实现复杂度、峰均比等特性。总结了目前THz通信系统中常用的调制方式,然后考虑本振相位噪声、模/数转换器采样率和功放非线性等因素,给出三种优选调制方式。结合现有器件参数,在链路预算基础上,对三种优选调制方式误码率性能进行仿真,仿真结果将对后续系统实现有一定指导意义。