基于光頻梳的太赫茲通信高階調(diào)制信號(hào)處理

薛帥寧

重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心 重慶 401147

引言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)（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(lián)將進(jìn)一步得到升級(jí)和統(tǒng)一。根據(jù)思科公司給出的預(yù)測(cè)報(bào)告，通信數(shù)據(jù)從2016年的1.2ZB將快速增長(zhǎng)到2021年的3.3ZB，全面信息化的社交將促進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。越來越多的學(xué)者集中探索用于無線通信的載波頻率，用以滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需求[1-2]。眾所周知，在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，24~100GHz頻段被稱為5G毫米波（millimeter wave, mm-wave）頻段。根據(jù)香農(nóng)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(rèn)為未來最有希望適應(yīng)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的無線通信數(shù)據(jù)流量候選頻段[3]。采用微波光子學(xué)的毫米波/太赫茲無線接入系統(tǒng)不僅可以受益于光纖傳輸系統(tǒng)具有的帶寬大，損耗低和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)?？梢灶A(yù)測(cè)，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(tǒng)將在建設(shè)未來的智慧城市，發(fā)展下一代網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)方面發(fā)揮極其重要的作用[4-5]。

更多的無線網(wǎng)絡(luò)容量需求被認(rèn)為是5G無線發(fā)展的動(dòng)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(shè)備密度。毫米波/太赫茲頻段的最大挑戰(zhàn)是高自由空間路徑損耗（FSPL），以及由于水蒸氣分子、氧氣和氮?dú)庖鸬拇髿馕铡８鶕?jù)西茲等人的研究結(jié)果可知太赫茲波段有極高的自由空間損耗[6]。當(dāng)發(fā)射機(jī)功率有限時(shí)，這樣的系統(tǒng)需要定向和直射天線系統(tǒng)來加強(qiáng)收發(fā)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(shù)據(jù)調(diào)制格式，用于多通道太赫茲無線鏈路的波分復(fù)用技術(shù)以及用于相干光接收機(jī)信號(hào)來使用數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）技術(shù)進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償。其他相關(guān)研究應(yīng)用有：2016年，夏姆斯等人利用220~280GHz的頻帶寬度實(shí)現(xiàn)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(rèn)為無線信道傳輸距離可以通過調(diào)整發(fā)送和接收天線擴(kuò)展到大于1m，其誤比特率仍小于前向糾錯(cuò)碼的限制[7]。天津大學(xué)世伽等人通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了16QAM調(diào)制的375~450GHz帶寬的太赫茲無線通信系統(tǒng)，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(cuò)閾值（3.8×10-3）[8]。2018年中國(guó)復(fù)旦大學(xué)李新宇等人提出并實(shí)現(xiàn)了2×2MIMO太赫茲無線傳輸系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到了120Gb/s，采用頻帶為375~500GHz的PDM-QPSK調(diào)制，無線傳輸距離達(dá)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(hào)，頻段為350GHz，使用16QAM調(diào)制，數(shù)據(jù)率達(dá)到80Gbit/s的下行鏈路系統(tǒng)。系統(tǒng)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(duì)其中一個(gè)作為調(diào)制信號(hào)的光源，先進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，另一個(gè)作為光本振（Local Oscillator）信號(hào)，二者一起送入單行載流子光電探測(cè)器（Uni-Travelling Carrier Photoelectric Detector, UTC-PD），拍頻生成太赫茲通信信號(hào)，并通過天線輻射到自由空間中。再通過遠(yuǎn)端接收天線接收到無線信號(hào)后送入肖特基二極管與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，變頻到50GHz中頻信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，恢復(fù)原有信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 所示為實(shí)驗(yàn)方案，共分為4個(gè)部分：光頻梳發(fā)生器、16QAM信號(hào)調(diào)控、太赫茲信號(hào)傳輸以及太赫茲信號(hào)處理。其中IM為光強(qiáng)度調(diào)制器，PM為光相位調(diào)制器，本文采用波分解復(fù)用器，WSS為波長(zhǎng)選擇開關(guān)，EDFA為摻鉺光纖放大器，OBPF為光帶通濾波器，DDMZM為雙驅(qū)馬赫-曾德爾調(diào)制器，UTCPD為單行載流子光電探測(cè)器，DSP為數(shù)字信號(hào)處理單元。

圖1 16 QAM 350GHz太赫茲通信鏈路實(shí)驗(yàn)方案

如上圖1所示，光頻梳發(fā)生器是為了產(chǎn)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(qiáng)度調(diào)制器且光強(qiáng)度調(diào)制器與25GHz微波源相連，經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制后的光強(qiáng)，其光強(qiáng)電場(chǎng)變化如式1所示。

其中：V1(t)為輸入信號(hào)，其功率變化為：

第二階段的相位調(diào)制光頻域，可以表示為：

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

其中：VRF為調(diào)制信號(hào)，將調(diào)制后的光信號(hào)與光本振信號(hào)進(jìn)行耦合，然后將耦合后的光譜圖送入U(xiǎn)TC-PD拍頻后產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)譜圖如下圖2所示，可以清晰地看出經(jīng)過UTC-PD拍頻后產(chǎn)生了350GHz的數(shù)據(jù)率為80Gbit/s的16QAM信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過傳輸，由接收喇叭天線接收后，經(jīng)由肖特基勢(shì)壘混頻器（Schottky Barrier Mixer，SBM）與300GHz微波本振信號(hào)進(jìn)行混頻，下變頻到50GHz的中頻信號(hào)后送入DSP數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)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(shí)鐘恢復(fù)和下采樣，信道均衡，頻偏恢復(fù)以及相位噪聲補(bǔ)償?shù)?，然后得到恢?fù)信號(hào)。

3 仿真結(jié)果

采用VPI Transmission Maker 9.2搭建實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。測(cè)量了不同輸入光功率下，解調(diào)信號(hào)的誤差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM），測(cè)量結(jié)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)光功率接近11dBm時(shí)，EVM值趨于穩(wěn)定，繼續(xù)提升光功率不能提升16QAM信號(hào)質(zhì)量。對(duì)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(shí)每個(gè)星座點(diǎn)的收斂性遠(yuǎn)不如光功率為24dBm時(shí)，其誤碼率也必定大于光功率為24dBm太赫茲信號(hào)，所以選取最佳平衡光功率為11dBm。

在此基礎(chǔ)上，本文還通過使用不同的光源方案對(duì)該太赫茲鏈路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(hào)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(hào)，但是發(fā)現(xiàn)在生成的太赫茲信號(hào)中存在較嚴(yán)重的相位噪聲，需要經(jīng)過DSP信號(hào)處理后，相位噪聲才能得以消除，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)估計(jì)。在DSP信號(hào)處理算法中，我們?cè)黾恿诵诺谰馑惴?，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(lán)色×點(diǎn)表示接收到的尚未經(jīng)過信道均衡的16QAM太赫茲信號(hào)結(jié)果，綠色點(diǎn)表示經(jīng)過信道均衡后的16QAM太赫茲信號(hào)結(jié)果，黑色星號(hào)表示16QAM信號(hào)的星座圖。我們可以清晰地看到因?yàn)閮墒杂杉す獾南辔辉肼曉斐傻恼`差結(jié)果，如果點(diǎn)數(shù)較多，就會(huì)形成三個(gè)同心圓的接收星座圖，而采用光頻梳方案則不會(huì)產(chǎn)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(hào)的誤碼率，也降低了數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜度，節(jié)省了信號(hào)處理時(shí)間，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)信號(hào)處理要求。

圖5 信道均衡算法比較圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在VPI Transmission Maker 9.2中成功搭建了350GHz，16QAM太赫茲信號(hào)的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)了80Gbit/s的通信數(shù)據(jù)率，通過對(duì)輸入U(xiǎn)TC-PD的不同的光功率進(jìn)行測(cè)試，得出最佳誤差向量幅度時(shí)最優(yōu)的輸入光功率。測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入光功率為11dBm時(shí)，能夠達(dá)到較優(yōu)的EVM值，且此時(shí)輸入光功率值較低。同時(shí)測(cè)試了不同光源的太赫茲信號(hào)生成方案，發(fā)現(xiàn)基于光頻梳的太赫茲信號(hào)生成方案減少了太赫茲信號(hào)的相位噪聲，減輕了數(shù)字信號(hào)處理的壓力，增強(qiáng)了太赫茲信號(hào)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力。