超高速太赫茲通信系統中調制方式的技術探討論文
摘 要： 針對傳輸速率為10 Gb/s太赫茲通信系統，給出了調制方式優選方案。首先詳細介紹毫米波、自由空間激光通信中常用調制方式的特性，包括功率有效性、頻帶利用率、實現復雜度和峰均比；接著介紹太赫茲通信目前采用的調制方式，然后重點討論在具體實現時，相位噪聲、模/數轉換器采樣率、功率放大器非線性對調制方式選取的影響；最后在鏈路預算基礎上結合具體器件參數，考慮相位噪聲和功放非線性因素，對優選調制方式誤碼率性能進行仿真。
關鍵詞： 太赫茲通信； 調制方式； 鏈路預算； 相位噪聲； 非線性功率放大器
0 引 言
隨著信息技術的發展以及空天技術的進步，人們對信息量的需求越來越大，無線通信業務包括移動互聯網、衛星數據傳輸等都對信息速率提出了越來越高的要求。據估計，在2020年左右，無線通信對信息速率需求將達到100 Gb/s。根據通信頻段不同，無線通信可分為微波通信、太赫茲波（Terahertz，THz）通信以及自由空間激光通信等幾類。受物理帶寬限制，微波中的毫米波頻段最大可用帶寬為7 GHz（在60 GHz附近），需采用頻譜效率高于14 b/s/Hz的通信體制來滿足未來對100 Gb/s信息速率的需求，這給通信體制設計與實現帶來極大挑戰。在100 GHz及以上的THz頻段，擁有高達數十GHz的可用帶寬，只需采用帶寬效率適中的通信體制就可提供數Gb/s到100 Gb/s甚至更高的信息傳輸速率，這是目前毫米波通信所無法達到的。而相對于自由空間激光通信，THz波在傳播過程中受煙霧沙塵及閃爍效應影響較小，可在惡劣環境下保持正常通信。
近幾年大批THz通信演示驗證系統紛紛涌現。已實現的THz通信系統主要分為全電子學與光電混合兩大類，典型系統有德國KIT（Karlsruhe Institute of Technology）的0.22 THz和0.24 THz通信驗證系統，日本NTT公司的0.3 THz通信系統。最具代表性的是德國KIT大學的THz數據傳輸系統：采用基于單向載流子傳輸光電二極管（Uni?traveling Carrier Photodiodes，UTC?PD）發射機和全電子學接收機芯片，以及QPSK、8QAM、16QAM調制方式的多載波通信體制，在0.24 THz實現了通信距離為20 m、最高數據傳輸速率為100 Gb/s的無線數據傳輸以及接收端的離線解調，有望用于解決光纖通信“最后一英里”問題。
盡管THz通信相對毫米波、自由空間激光通信有眾多優勢，但其能否得到大規模應用還取決于THz有關理論與技術能否取得突破性進展。目前實現THz通信還存在以下主要問題：
（1） THz輻射源輸出功率較低，實現較復雜；
（2） THz檢測器件靈敏度低，能量轉換效率不高；
（3） 采用的調制解調體制無法適應復雜環境下非線性信道傳輸特性。
針對目前THz通信體制亟需優化問題，本文首先對毫米波、自由空間激光通信中廣泛采用的調制方式的特性進行分析，結合THz通信特點，確定了10 Gb/s 0.338 THz通信系統的優選調制方式。本文介紹毫米波、自由空間激光通信系統中廣泛采用的調制方式的功率、帶寬效率以及實現復雜度、峰均比等特性。總結了目前THz通信系統中常用的調制方式，然后考慮本振相位噪聲、模/數轉換器采樣率和功放非線性等因素，給出三種優選調制方式。結合現有器件參數，在鏈路預算基礎上，對三種優選調制方式誤碼率性能進行仿真，仿真結果將對后續系統實現有一定指導意義。
1 通信調制方式分析
1.1 調制方式概述
THz波段位于遠紅外與毫米波段之間，THz通信兼具毫米波、自由空間激光通信的部分特點，其調制方式可在毫米波、自由空間激光通信常用調制方式基礎上進行優選，包括調幅、調相、調頻以及它們之間的混合調制、脈沖位置調制等幾大類，如表1所示。在調制方式優選過程中通常需綜合考慮功率有效性、頻帶利用率、實現復雜度和峰均比等因素。
表2總結了MPSK、MQAM等調制方式在未加成型濾波器的理想情況下所能達到的最大頻帶利用率以及在給定誤碼率10-7時所需的由表2可看出，MQAM，MPSK和MAPSK頻帶利用率較高，但功率效率較低，只能工作在較高的情況下。
由圖6可得出如下結論：
（1） 相干檢測隨著調制階數增加，復雜度逐漸增加。非相干檢測可采用包絡檢波、差分檢測等無需載波同步的解調方式，復雜度低于相干檢測，但誤碼率性能損失2～3 dB。
（2） 當階數相同時，MAPSK、MQAM比MPSK實現復雜度高，因前者要同時對幅度和相位進行檢測，而后者只需對相位進行檢測。
（3） 疊加式QAM（SQAM，Superposed QAM）采用偏移成型濾波，在調制時對Q路信號延時半個符號周期后送入成型濾波器，在抗功放非線性方面比QAM更具優勢。解調可采用維特比算法，復雜度比相同階數的MAPSK、MQAM略高，采用I、Q兩路分別解調的方式，每路分別解調的網格狀態數較少，復雜度比MCPFSK相干檢測低。
（4） MCPFSK相干檢測采用I、Q兩路聯合維特比算法，網格狀態數隨階數增加呈指數增長。
式中表示調制信號。調制信號峰均比越大，受功放非線性影響越明 顯，使用功放時需引入較大的功率回退，降低了功放效率，同時要求功放有較大的線性工作范圍，對功放設計要求很高。單載波調制信號峰均比與調制方式的選擇以及成型濾波器滾降系數有關，越大，成型濾波器沖激響應波形起伏越小，峰均比也越小。在不加成型濾波器的理想情況下，不同調制方式的峰均比如表3所示。
1.5 小 結
綜上所述，高階調制（8PSK＼16QAM＼32QAM等）頻帶利用率高，但實現復雜度較高，在給定誤碼率時要求的最低工作信噪比較大，適用于頻帶受限、信噪比較高的場合。低階調制（BPSK＼QPSK＼OQPSK）實現復雜度較低，功率有效性較高，但頻帶利用率低，適用于頻帶不受限，信噪比較低的場合。MCPFSK對功放非線性不敏感，適用于采用非線性功放的通信系統，但實現復雜度大大提高，且滿足頻率正交時頻帶利用率低，在高信息速率下需要較大帶寬。MSQAM、MAPSK與階數相同的MQAM相比，在采用非線性功放時，性能損失較小，無需功率回退，可大大提高功放效率，同時實現復雜度適中，比較適合在高速調制解調系統中使用。
2 THz通信調制方式
當THz輻射源與檢測器件確定后，調制解調方式是決定THz通信系統信息速率、帶寬、通信距離等性能的主要因素。目前的THz通信系統主要采用以下三種調制方式：
（1） 二元開關鍵控（OOK）調制，接收機常采用包絡檢波解調，具有實現簡單的優點；
（2） 多元脈沖位置鍵控（PPK）調制，即先進行脈沖位置（PPM）調制，再進行開關鍵控（OOK）調制，接收機常采用非相干檢測，易于實現高速數據傳輸；
（3） 多元相位（MPSK）和正交幅度調制（MQAM）。
OOK與PPK雖然實現簡單，且功率效率較高，但在實現高速數據傳輸時需要較大的帶寬，對器件非線性特性敏感，難以實現復雜算法以適應實際應用中的信道環境；而MPSK和MQAM等調制方式可采用通信信號處理算法如載波定時同步、信道均衡等來改善信道失真等非理想特性。從已發表的THz通信驗證系統可看出，未來THz通信的發展趨勢仍是采用毫米波通信中常用的具有高頻帶利用率的高階數字調制方式。
在選擇高階數字調制方式構建THz通信系統時，需要考慮：相干接收機中THz本振相位噪聲、模/數轉換器（ADC）采樣率、功放非線性等因素。
2.1 相位噪聲
高階調制THz通信系統大多采用相干接收機結構，THz本振由微波源振蕩器倍頻產生，倍頻即為相位加倍的過程，在倍頻后相位噪聲會增大dB，為倍頻數。在調制階數的選擇中，相位噪聲是一個不可忽略的因素。
與低階調制相比，高階調制的星座圖中信號點之間距離較小，對信號相位偏移更加敏感，表4列出了不同調制方式在正確解調下允許的最大相位偏移。
在目前常用的微波源振蕩器中，介質諧振振蕩器（Dielectric Resonator Oscillator，DRO）具有溫度穩定性好、體積小等優點，可構成性能穩定、結構緊湊的穩頻固態源。因THz波在338 GHz附近大氣衰減較小，因此取THz載波中心頻率為338 GHz，接收機中的THz本振由微波源倍頻生成：DRO首先產生21.125 GHz的振蕩頻率，在經過4個級聯的2倍頻器以及輔助的放大電路后，便可產生中心頻率為338 GHz的THz本振信號。
下面以Lucix公司的內置DRO（LO?211?XC）為例，來分析相位噪聲對調制階數選取的影響，其性能參數如表5所示。
2.2 模/數轉換器采樣率
為適應實際應用需求，THz通信系統需要實時解調，而不是目前采用的離線數字解調技術。實現實時解調的難點在于，超高速信息速率與現有ADC采樣率之間存在矛盾。MCPFSK和低階調制方式頻帶利用率低，在高信息速率下需要較大帶寬，對ADC采樣率要求很高，所以為平衡這一矛盾需采用具有較高調制效率的高階數字調制方式。
目前基于超導器件的ADC采樣率高達42.6 GS/s，但對工作環境要求較高，無法在室溫下工作。基于0.18 SiGeBiCMOS技術的ADC采樣率可達到20 GS/s，量化精度為5 b。安捷倫公司已商用化的ADC采樣率最高為8 GS/s，量化精度為10 b。為保證實現性能，綜合考慮工作環境要求和量化精度，ADC采樣率最好不應高于8 GS/s。
受FPGA最高工作時鐘限制，在實現實時解調時，需對超高速數據進行并行化解調，以降低每路的時鐘速率，另外，為保證解調器的工作性能，并行系統的工作時鐘最好不要超過200 MHz。并行路數越大，硬件實現消耗資源越多，實現越復雜，在滿足單路工作時鐘不超過200 MHz條件的前提下，應盡量減小并行路數。當傳輸速率為10 Gb/s時，在采用較高調制效率的調制方式下的信息波特率、采樣率、并行路數、并行系統單路工作時鐘如表7所示，其中采用全數字接收機中常用的4倍符號速率進行采樣。
2.3 功率放大器非線性特性
目前基于固態電子學方法的連續波THz源輸出信號功率較小，一般在幾百μW到幾mW量級。為適應THz波傳播過程中大氣衰減較大的特點，在遠距離通信中，發射機必須采用功率放大器鏈，以提高信號輸出功率。
目前常用的功率放大器主要有行波管放大器（Traveling?wave Tube Amplifier，TWTA）和固態功率放大器（Solid?state Power Amplifier，SSPA）。TWTA具有放大功率大的優點，但可靠性差，非線性波動大，使用時常需要多個TWTA用作備份，且帶寬受到一定限制；而SSPA具有線性性能好，工作頻率范圍較大，使用壽命長的優點，但放大功率有限。結合TWTA與SSPA的特點，可采用多級功率放大鏈：第一級采用SSPA，使輸出功率達到十mW～百mW量級；第二級采用TWTA，輸出功率進一步提高為幾W～幾十W量級，可基本滿足大部分應用的需要；如果對輸出功率要求更高，可以使用大功率回旋行波管進行第三級放大，此時輸出功率可達kW量級。
但是無論是采用TWTA還是SSPA，都必須考慮其固有的非線性特性對調制信號的影響，采用峰均比較小的32APSK，32SQAM/64SQAM信號，可有效降低非線性功放的影響。采用數字預失真技術也可進一步降低非線性功放的影響，并有望在THz通信系統中得到應用，其基本原理如圖7所示。
預失真器和功放的非線性特性（AM/AM和AM/PM）互逆，根據功放的特性函數來設置預失真器的非線性特性使其與功放特性曲線互補，形成線性 放大，從而達到補償功放非線性的效果。目前，關于數字預失真技術在THz通信系統中應用的研究正在進行中。
2.4 小 結
在考慮相位噪聲、ADC采樣率、功放非線性等因素下，表8列出適用于10 Gb/s 0.338 THz通信系統的調制方式。
3 THz通信系統仿真
二進制信號經過調制器和滾降系數的成型濾波器后，送入SSPA，輸出功率為10 dBm的調制信號；SSPA仿真模型采用RAPP模型，通過將線性增益設為10 dB，平滑因子設為0.156，輸出飽和因子設為1.1，來擬合文獻中的AM/AM實測數據；最后由增益為50 dBi的天線發射。在經過自由路徑和大氣衰減后，由增益為50 dBi的天線接收，之后加入300 K，NF=10 dB的接收機熱噪聲，然后加入倍頻后的DRO相位噪聲，最后進行匹配濾波、解調和誤碼率統計。
10 Gb/s鏈路分別采用32APSK，32SQAM，64SQAM下的信號帶寬接收機信噪比SNR和誤碼率仿真結果如表9所示。
4 結 語
THz波段因其可用帶寬大、受煙霧沙塵以及傳輸過程中閃爍效應影響較小的特點，是未來實現空間和空地超高速無線通信的重要備選頻段。本文首先對目前無線通信中廣泛采用的調制方式的特性進行分析；然后根據系統具體實現時的本振相位噪聲、ADC采樣率和功放非線性等因素，給出了適用于10 Gb/s 0.338 THz通信系統的三種調制方式：32APSK，32SQAM和64SQAM；最后在鏈路預算基礎上結合具體器件參數，通過系統仿真給出了這三種調制方式的誤碼率。為進一步提高系統性能，可在滿足系統帶寬要求下，采用LDPC、Turbo等高增益信道編碼，以增加系統的鏈路余量；同時采用數字預失真等功放線性化技術來降低功放非線性的影響。
參考文獻
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