基于光頻梳的太赫茲通信高階調制信號處理

薛帥寧

重慶市氣象信息與技術保障中心 重慶 401147

引言

隨著5G網絡時代的到來，物聯網（Internet of Things,IoT）和未來新型智慧城市隨之崛起，高速無線通信和可訪問傳感互聯將進一步得到升級和統一。根據思科公司給出的預測報告，通信數據從2016年的1.2ZB將快速增長到2021年的3.3ZB，全面信息化的社交將促進無線網絡數據流量呈指數級增長。越來越多的學者集中探索用于無線通信的載波頻率，用以滿足不斷增長的帶寬需求[1-2]。眾所周知，在移動通信領域中，24~100GHz頻段被稱為5G毫米波（millimeter wave, mm-wave）頻段。根據香農公式，毫米波/太赫茲波（Terahertz，THz >300 GHz）具有更大的帶寬，有著更高速的信息通信能力，被公認為未來最有希望適應指數級增長的無線通信數據流量候選頻段[3]。采用微波光子學的毫米波/太赫茲無線接入系統不僅可以受益于光纖傳輸系統具有的帶寬大，損耗低和抗電磁干擾等優點，而且還可以提供高速光纖傳輸，無線通信以及靈活的訪問和傳感系統。可以預測，基于光子毫米/太赫茲波的寬帶高速接入通信和高分辨率傳感系統將在建設未來的智慧城市，發展下一代網絡和物聯網架構方面發揮極其重要的作用[4-5]。

更多的無線網絡容量需求被認為是5G無線發展的動力，包括可能遷移到具有巨大帶寬的毫米波/太赫茲頻段，以及極端的基站和設備密度。毫米波/太赫茲頻段的最大挑戰是高自由空間路徑損耗（FSPL），以及由于水蒸氣分子、氧氣和氮氣引起的大氣吸收。根據西茲等人的研究結果可知太赫茲波段有極高的自由空間損耗[6]。當發射機功率有限時，這樣的系統需要定向和直射天線系統來加強收發雙方的功率，而不是在低GHz射頻上使用的全向天線的方法。此外，光通信和光子方法的所有資源均可適用于太赫茲無線通信，例如使用高頻譜效率數據調制格式，用于多通道太赫茲無線鏈路的波分復用技術以及用于相干光接收機信號來使用數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）技術進行信號補償。其他相關研究應用有：2016年，夏姆斯等人利用220~280GHz的頻帶寬度實現了5路子信道總共100Gb/s的傳輸速率和2cm的無線信道傳輸距離，并認為無線信道傳輸距離可以通過調整發送和接收天線擴展到大于1m，其誤比特率仍小于前向糾錯碼的限制[7]。天津大學世伽等人通過實驗實現了16QAM調制的375~450GHz帶寬的太赫茲無線通信系統，其無線傳輸距離為50cm和最高4路子信道總共80Gbit/s的傳輸速率，所有信道的誤比特率都低于硬判決前向糾錯閾值（3.8×10-3）[8]。2018年中國復旦大學李新宇等人提出并實現了2×2MIMO太赫茲無線傳輸系統傳輸速率達到了120Gb/s，采用頻帶為375~500GHz的PDM-QPSK調制，無線傳輸距離達到了

142cm[9]。

基于以上研究成果，本文提出一種基于微波光子方法生成的太赫茲無線信號，頻段為350GHz，使用16QAM調制，數據率達到80Gbit/s的下行鏈路系統。系統中采用光頻梳（Optical Frequency Comb，OFC）生成間隔為25GHz的光梳，選取其中合適的頻率間隔，采用350GHz頻率間隔，對其中一個作為調制信號的光源，先進行信號調制，另一個作為光本振（Local Oscillator）信號，二者一起送入單行載流子光電探測器（Uni-Travelling Carrier Photoelectric Detector, UTC-PD），拍頻生成太赫茲通信信號，并通過天線輻射到自由空間中。再通過遠端接收天線接收到無線信號后送入肖特基二極管與本振信號進行混頻，變頻到50GHz中頻信號后進行數字信號處理，恢復原有信號。

2 實驗原理

圖1 所示為實驗方案，共分為4個部分：光頻梳發生器、16QAM信號調控、太赫茲信號傳輸以及太赫茲信號處理。其中IM為光強度調制器，PM為光相位調制器，本文采用波分解復用器，WSS為波長選擇開關，EDFA為摻鉺光纖放大器，OBPF為光帶通濾波器，DDMZM為雙驅馬赫-曾德爾調制器，UTCPD為單行載流子光電探測器，DSP為數字信號處理單元。

圖1 16 QAM 350GHz太赫茲通信鏈路實驗方案

如上圖1所示，光頻梳發生器是為了產生多齒平坦等間距光頻梳，采用窄帶激光器中心頻率為193.1THz，帶寬為100kHz，功率為0dBm。首先送入光強度調制器且光強度調制器與25GHz微波源相連，經過強度調制后的光強，其光強電場變化如式1所示。

其中：V1(t)為輸入信號，其功率變化為：

第二階段的相位調制光頻域，可以表示為：

其中：e為強度調制后的輸出光信號，而后生成光頻梳信號。再通過波長選擇開關（Wavelength Selective Switch, WSS）選擇兩個間隔為300GHz的光頻梳齒分別作為光本振信號和信號載波。將信號載波送入推挽式馬赫曾德爾調制器（Push-pull Mach-Zender ），將16QAM信號頻帶信號調制到光載波上，其中小信號調制條件下的DSB調制如下式所示：

其中：VRF為調制信號，將調制后的光信號與光本振信號進行耦合，然后將耦合后的光譜圖送入UTC-PD拍頻后產生的太赫茲信號譜圖如下圖2所示，可以清晰地看出經過UTC-PD拍頻后產生了350GHz的數據率為80Gbit/s的16QAM信號。該信號經過傳輸，由接收喇叭天線接收后，經由肖特基勢壘混頻器（Schottky Barrier Mixer，SBM）與300GHz微波本振信號進行混頻，下變頻到50GHz的中頻信號后送入DSP數字信號處理單元進行下一步處理。處理過程包括中頻至基帶下變頻，匹配濾波，時鐘恢復和下采樣，信道均衡，頻偏恢復以及相位噪聲補償等，然后得到恢復信號。

3 仿真結果

采用VPI Transmission Maker 9.2搭建實驗仿真平臺。測量了不同輸入光功率下，解調信號的誤差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM），測量結果如下圖3所示。

圖3 不同光功率下的誤差向量幅度圖

從圖中可以發現，當光功率接近11dBm時，EVM值趨于穩定，繼續提升光功率不能提升16QAM信號質量。對比光功率為3.8dBm處的星座圖和24dBm處的星座圖，可以看出光功率為3.8dBm時每個星座點的收斂性遠不如光功率為24dBm時，其誤碼率也必定大于光功率為24dBm太赫茲信號，所以選取最佳平衡光功率為11dBm。

在此基礎上，本文還通過使用不同的光源方案對該太赫茲鏈路進行實驗，其原理圖如圖4所示。

圖4 由兩束自由激光生成太赫茲信號原理圖

這里使用兩束不同頻率的自由激光生成太赫茲信號，但是發現在生成的太赫茲信號中存在較嚴重的相位噪聲，需要經過DSP信號處理后，相位噪聲才能得以消除，實現準確的信號估計。在DSP信號處理算法中，我們增加了信道均衡算法，并且比較了遞推最小二乘算法（Recursive least squares，RLS）和最小均方誤差算法（Least Mean Square，LMS），如圖5所示。

在圖5中藍色×點表示接收到的尚未經過信道均衡的16QAM太赫茲信號結果，綠色點表示經過信道均衡后的16QAM太赫茲信號結果，黑色星號表示16QAM信號的星座圖。我們可以清晰地看到因為兩束自由激光的相位噪聲造成的誤差結果，如果點數較多，就會形成三個同心圓的接收星座圖，而采用光頻梳方案則不會產生這樣的相位噪聲。所以光頻梳方案不僅減小了16QAM太赫茲信號的誤碼率，也降低了數字信號處理的復雜度，節省了信號處理時間，能夠達到實時信號處理要求。

圖5 信道均衡算法比較圖

4 結束語

本文在VPI Transmission Maker 9.2中成功搭建了350GHz，16QAM太赫茲信號的通信鏈路，實現了80Gbit/s的通信數據率，通過對輸入UTC-PD的不同的光功率進行測試，得出最佳誤差向量幅度時最優的輸入光功率。測試發現當輸入光功率為11dBm時，能夠達到較優的EVM值，且此時輸入光功率值較低。同時測試了不同光源的太赫茲信號生成方案，發現基于光頻梳的太赫茲信號生成方案減少了太赫茲信號的相位噪聲，減輕了數字信號處理的壓力，增強了太赫茲信號的實時信號處理能力。