基于Simulink的太赫茲調(diào)制技術(shù)仿真研究

基于Simulink的太赫茲調(diào)制技術(shù)仿真研究

李井生，宋正勛

(長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春130022)

摘要：太赫茲(THz)波段通信是近年來才受到關(guān)注的，對于太赫茲波通信而言，如何將信息編碼到太赫茲載波是太赫茲通信技術(shù)面臨的首要問題，因此合適的THz波調(diào)制方法對THz通信系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。本文利用Matlab的Simulink工具箱，分別在16QAM和QPSK調(diào)制技術(shù)下建立了THz通信系統(tǒng)仿真模型，傳輸?shù)男盘査俾蕿?0Gbps，發(fā)射功率0dBm，通信頻段在280GHz-296GHz，帶寬約為20GHz，最后得到了系統(tǒng)仿真圖。并對16QAM和QPSK的THz通信系統(tǒng)調(diào)制性能進行了分析。

關(guān)鍵詞：THz通信；Simulink；16QAM；QPSK；誤碼性能

收稿日期:2014-03-13

基金項目:吉林省科技發(fā)展計劃項目(201115157)；長春市科技創(chuàng)新平臺項目(11KP04)

作者簡介:李井生(1988-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，主要從事光通信系統(tǒng)理論與無線通信技術(shù)方面的研究；宋正勛(1967-)，男，山東蓬萊人，教授，主要從事光通信系統(tǒng)理論與無線通信技術(shù)方面的研究。

中圖分類號：E963文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

太赫茲(THz)波是電磁頻率在0.1～10THz(波長在3mm～30μm)之間的電磁波，波段介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，在通信方面，THz通信傳輸?shù)娜萘看螅商峁└哌_(dá)10Gb/s的無線傳輸速率，而且THz波束更窄，方向性更好，可以探測更小的目標(biāo)以及更精確地定位，具有較好的保密性及抗干擾能力[1]。發(fā)展太赫茲通信技術(shù)已成為各發(fā)達(dá)國家研究的熱點。

調(diào)制技術(shù)是THz通信應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分。2010年，中國計量學(xué)院設(shè)計了一種基于硅材料光子晶體的光控太赫茲調(diào)制器，對波長為808nm，平均功率為150mw的半導(dǎo)體激光輻射進行調(diào)制，該太赫茲調(diào)制器的調(diào)制速度可高達(dá)0.8kb/s[2]；2011年，中國工程物理研究院電子工程研究所基于寬帶數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，研制了國內(nèi)首個140GHz 10Gbps高速通信傳輸系統(tǒng)實驗樣機，完成了500m距離無線實時傳輸和軟件解調(diào)實驗[3]；2008年，NTT公司開始了基于載波為125GHz的BPSK調(diào)制解調(diào)單片微波集成電路(MMIC)研制，并于2009年取得成功[4]。目前，針對THz調(diào)制器或者低階數(shù)字調(diào)制技術(shù)的研究工作還很不完善，致使相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展速度緩慢。由于太赫茲自身硬件的原因，產(chǎn)生的THz波功率較低，對頻帶要求較高，處于THz通信頻段低端(大約幾百GHz)。而高階調(diào)制方式能更有效的利用帶寬，抗信道失真能力強，功率提升潛力大，因此，采用適合的調(diào)制方式以提高THz通信性能，具有重要的意義和價值。

QAM調(diào)制方式綜合了ASK與PSK的優(yōu)點，并通過采用多進制方式提高頻帶利用率和信息傳輸速率，在頻帶利用率和誤碼率等指標(biāo)上具有很高的優(yōu)越性，是目前高速調(diào)制解調(diào)器中比較好的調(diào)制方式。而相干相移鍵控(PSK)技術(shù)的功率利用率最高，其中因QPSK技術(shù)較成熟、復(fù)雜度適中被廣泛應(yīng)用。

本文針對16QAM和QPSK調(diào)制技術(shù)，先簡述其調(diào)制原理，進而借助Simulink仿真軟件對THz通信系統(tǒng)進行搭建，并詳細(xì)分析各調(diào)制性能的有效性和可靠性。

116QAM和QPSK基本原理

1.1QAM基本原理

正交幅度調(diào)制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)是用兩個獨立的基帶波形對兩個互相正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸[5]。16QAM是由幅度與相位共同載荷一個符號信息，為非等幅包絡(luò)。圖1為16QAM原理圖。

圖1　16QAM原理

1.2QPSK基本原理

正交相移鍵控(QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)是利用載波的四種不同相位差來表示輸入的數(shù)字信息。QPSK為等(載波)包絡(luò)信號，它的星點均在一個同心圓上，信息只載荷在載波的相位上。圖2為QPSK原理圖。

圖2　QPSK原理

2系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

為了更好的比較各系統(tǒng)的調(diào)制性能，參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定。根據(jù)IARU得出了在太赫茲各個頻段通信衰減情況可知，在275-300GHz頻帶上衰減為6dB，因此利用倍頻混頻技術(shù)把通信頻段定在280GHz-296GHz，載波頻率為288GHz；信源采用功率為0dBm，帶寬為B=5GHz的二進制信號發(fā)生器；經(jīng)調(diào)制和加噪后，再通過帶寬20GHz的太赫茲帶通濾波器將信號還原。圖3、圖4分別為16QAM和QPSK的Simulink系統(tǒng)仿真框圖。

圖3　16QAM仿真框圖

圖4　QPSK仿真框圖

誤碼率是反映數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)特性的指標(biāo)。在仿真過程中，誤碼率大小會隨著高斯白噪聲基帶信道信噪比、調(diào)制方式等而改變，因此誤碼率的測試結(jié)果是評價試驗系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。圖5為16QAM和QPSK調(diào)制誤碼率比較。

圖5　16QAM和QPSK誤碼率曲線

經(jīng)系統(tǒng)仿真后，除了系統(tǒng)各模塊產(chǎn)生的延時，信源信號與在信道調(diào)制解調(diào)下的輸出信號波形幾乎無變化。如圖5所示，在信噪比小于0時，它們的誤碼性能幾乎一樣，隨著信噪比逐漸增大(大于0)，誤碼率呈快速下降趨勢，QPSK調(diào)制系統(tǒng)好于16QAM系統(tǒng)誤碼性能，在信噪比為15dB左右時，誤碼可達(dá)到10-8，以后甚至更小。

3結(jié)語

本文利用Matlab的Simulink模塊，在給定仿真條件下運行了仿真系統(tǒng)，對調(diào)制性能進行了分析和比較。在相同信噪比的條件下，16QAM的加性白噪聲的功率遠(yuǎn)大于QPSK的加性白噪聲的功率，故16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)一般工作在大信噪比的環(huán)境下，其誤碼率將很小，也就是說，兩個系統(tǒng)在同等噪聲條件下，16QAM的抗噪聲性能更優(yōu)越。但是16QAM的功率利用率比QPSK調(diào)制方式要低，所以需要配置較大功率的高功放。

參考文獻(xiàn):

[1]姚建銓, 遲楠, 楊鵬飛，等. 太赫茲通信技術(shù)的研究與展望[J]. 中國激光，2009，36(9)：2213-2233.

[2]Jiusheng Li, Guisheng Tao. Terahertz wave modulator based on optically controlled photonic crystal slab[J]. Microwave and Optical Technology Letters. 2010,52(10): 2226-2227.

[3]王成, 劉杰, 吳尚昀,等. 0.14THz 10Gbps無線通信系統(tǒng)[J]. 信息與電子工程，2011(3)：265-269.

[4]應(yīng)一凡. 太赫茲技術(shù)在室內(nèi)無線通信中的應(yīng)用[J]. 電腦知識與技術(shù)，2011(7)：1530-1533.

[5]樊昌信, 曹麗娜. 通信原理[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2007.

責(zé)任編輯：吳旭云

Research on Simulation of Terahertz Modulation Techniques Based on Simulink

LI Jingsheng, SONG Zhengxun

(College of Electronics and Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

Abstract：Terahertz (THz) band communication has been concerned in recent years. For THz wave communication, how to integrate information coding to terahertz carrier is the chief issue in terahertz communication technology, so the appropriate method for THz wave modulation plays a crucial role in THz communication system. This paper uses Simulink toolbox of Matlab to establish the THz communication system simulation model by 16QAM and QPSK modulation techniques, in which the transmitted signal rate is 10Gbps, the output power is 0dBm, the communication band is in 280GHz-296GHz, bandwidth is about 20GHz and finally system simulation diagram is got. It analyzes the THz communication system modulation performance of QPSK and 16QAM.

Keywords：THz communication; Simulink; 16QAM; QPSK; ber performance