太赫茲無(wú)線傳輸信道特性及通信高速信號(hào)處理技術(shù)分析

張 麗，李冰冰

（1.鄭州軌道工程職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450121；2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷迭代，如何提高無(wú)線通信的吞吐量已經(jīng)成為通信行業(yè)工作人員需要著重思考的問(wèn)題，目前被廣泛運(yùn)用的60 GHz頻譜能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸速率提升至6 Gb/s，但可用頻譜僅為9 GHz。針對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)研究人員開始積極尋找全新的信號(hào)傳輸波段，而太赫茲就成為了提高信號(hào)無(wú)線傳輸速度的一個(gè)重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，太赫茲技術(shù)的信號(hào)寬度更大，能夠保障終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的精準(zhǔn)定位，并提升感知圖像的分辨率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 太赫茲無(wú)線傳輸信道特征

通常情況下，研究人員在分析無(wú)線通信工作頻段電磁波傳輸衰減問(wèn)題時(shí)，需要先考慮無(wú)線傳輸信道中的傳輸消耗問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的鏈路性能、射頻器件類型等因素進(jìn)行分析與判斷。與傳統(tǒng)的60 GHz頻段相比，太赫茲波段的物理性質(zhì)十分特別，不僅傳播距離超長(zhǎng)，而且頻率更低，頻帶更寬。正是由于太赫茲波段具有上述特點(diǎn)，使其成為通信領(lǐng)域研究人員重點(diǎn)關(guān)注的研究對(duì)象[1]。為了探究太赫茲在大氣中傳播時(shí)的損失，研究人員先要借助相關(guān)公式計(jì)算大氣中太赫茲波傳播損失量?；谡婵窄h(huán)境中的無(wú)線信號(hào)傳輸理論計(jì)算模型，推導(dǎo)真實(shí)空間環(huán)境中太赫茲波在經(jīng)過(guò)散射以及反射之后的信號(hào)值[2]。在真空環(huán)境下的信號(hào)傳輸理想模型中，信息接收功率為

式中：PL為信號(hào)接收功率；PT為信號(hào)發(fā)射功率；GT為發(fā)射端的天線增益；GR為接收端的天線增益。利用式（1）可以推導(dǎo)出電磁波在真實(shí)空間中的傳輸損耗，通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)波段小于10 cm（功率頻率超過(guò)3 GHz）時(shí)，信號(hào)在大氣中的衰減較為明顯，在范德華力的影響下，信號(hào)折射率出現(xiàn)變化。這種狀態(tài)下，太赫茲波傳播過(guò)程中的反射率將會(huì)提高，若此時(shí)其工作頻率超過(guò)10 GHz，則信號(hào)衰減更為明顯[3]。

基于上述現(xiàn)象，研究人員著手研究太赫茲波在大氣環(huán)境中的衰減總吸收量，計(jì)算公式為

式中：θc為連續(xù)體吸收系數(shù)；θl為線吸收系數(shù)。

目前，國(guó)際上對(duì)于太赫茲波的研究尚處于起步階段，缺少對(duì)于連續(xù)體吸收電磁波的權(quán)威解釋。這種情況下，研究人員通過(guò)建立吸收模型、調(diào)整模型參數(shù)等方式對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，能夠產(chǎn)生連續(xù)體吸收現(xiàn)象的因素有很多，其中就包括大氣中的各種分子，如N2和O2與O2和O2之間的碰撞[4]。研究人員根據(jù)大氣環(huán)境的濕度，將連續(xù)體吸收分為干空氣連續(xù)體吸收、水汽連續(xù)體吸收兩類，計(jì)算公式為

式中：e為水汽壓強(qiáng)；p為大氣加強(qiáng)；常量λ與ξ分別為壓強(qiáng)、相對(duì)濕度[5]。

在計(jì)算線吸收系數(shù)時(shí)，研究人員假定頻率為f，則對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為

式中：N為分子密度；Sj為譜線限度；g0(f·f0)為單條譜線吸收函數(shù)。

研究人員運(yùn)用蒙特卡洛方法，模擬等離子體中電子與離子的碰撞情況，并對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行分析。設(shè)定兩種不同的環(huán)境：第一種為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為296 K；第二種為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，相對(duì)濕度為50%，模擬0.1～0.35 THz波段下大氣傳輸衰減模擬數(shù)據(jù)[6]。通過(guò)模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，在不同形狀以及厚度的環(huán)境下，太赫茲波在大氣中的衰減基本保持不變。

當(dāng)電磁波吸收達(dá)到峰值時(shí)，連續(xù)體吸收效果不明顯，此時(shí)大氣窗口去連續(xù)體吸收效果也不顯著[7]。因此研究人員得出結(jié)論，連續(xù)體吸收是太赫茲電磁波大氣傳輸信號(hào)衰減領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究課題，其與大氣窗口的通信有著緊密的關(guān)系。

2 太赫茲物理層基帶設(shè)計(jì)

2.1 物理層整體設(shè)計(jì)方案

研究人員創(chuàng)建了一個(gè)基于6 GHz帶寬的太赫茲信道，該信道能夠?qū)崿F(xiàn)20 Gb/s的通信速率。在此基礎(chǔ)上，研究人員嘗試設(shè)計(jì)太赫茲物理層基帶，但由于無(wú)線傳輸為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)撵o止模式，因此這里不考慮多普勒頻移問(wèn)題[8]。此外，太赫茲具有良好的定向性，因此忽略多徑影響。

依照實(shí)驗(yàn)需求，研究人員為了將太赫茲空口速率提升至20 Gb/s以上，基于16QAM技術(shù)，將基帶信號(hào)帶寬調(diào)制5 GHz以上，設(shè)定采用率為6.4 GHz，計(jì)算由于晶振產(chǎn)生的最大偏頗數(shù)值為64 kHz。

本次研究中，信號(hào)帶寬為5～10 GHz，使用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)（1024個(gè)點(diǎn)）進(jìn)行調(diào)制，則子載波間隔最小值為

偏頗最大占比則為

該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的匹配數(shù)值占比將小于1.31%，因此可以省略對(duì)于基帶頻段的頻率校正，即便存在一些頻率偏差，也在可接受范圍內(nèi)。根據(jù)上述研究，工作人員結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求，詳細(xì)調(diào)整太赫茲電磁波物理層參數(shù)。

在確定太赫茲電磁波物理層參數(shù)的基礎(chǔ)上，研究人員使用ADC與DAC進(jìn)行模擬域變換。由于FPGA內(nèi)部的邏輯資源存在一定局限性，研究人員經(jīng)過(guò)充分考慮決定使用DAC型號(hào)。該型號(hào)最多支持16個(gè)信號(hào)通道，滿足設(shè)計(jì)需求[9]。

2.2 設(shè)計(jì)物理層幀格式

研究人員基于物理層幀格式，結(jié)合本次設(shè)計(jì)實(shí)際要求，對(duì)太赫茲信道物理層幀格式（圖1）進(jìn)行調(diào)整。該格式中，單獨(dú)一個(gè)數(shù)據(jù)串行幀就包含341 057個(gè)采樣點(diǎn)，分別為數(shù)據(jù)塊、訓(xùn)練序列以及前導(dǎo)序列。該物理層幀格式中的前導(dǎo)碼為PN序列，且每一個(gè)PN長(zhǎng)度均為1 024字節(jié)，確保信息傳輸時(shí)間始終保持同步[10]。長(zhǎng)訓(xùn)練序列則由兩個(gè)長(zhǎng)度為1 024的字節(jié)串組成。

圖1 物理層幀格式

3 實(shí)現(xiàn)信道編解碼FPGA的具體方式

3.1 RS編碼

本次研究涉及商式h(x)與余式r(x)，其定義為

這就表示新生成的多項(xiàng)式能夠被源碼字多項(xiàng)式整除。因此，如果RS檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)r(x)不為0，就表示信號(hào)通道存在問(wèn)題。在實(shí)現(xiàn)FPGA過(guò)程中，研究人員以RS(10,8)作為研究對(duì)象，生成多項(xiàng)式g(x)=(x+a)(x+a2)，經(jīng)過(guò)8級(jí)位移完成信號(hào)輸出[11]。后續(xù)計(jì)算由完成了n-k運(yùn)算的寄存器負(fù)責(zé)，通過(guò)計(jì)數(shù)器錄入信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，再由選擇器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換信息元。通過(guò)這種方式確保編碼設(shè)備重置時(shí)，觸發(fā)器與轉(zhuǎn)化器處于初始狀態(tài)。RS編碼基于二進(jìn)制形式，因此在輸入分組信號(hào)之后，RS編碼裝置開始計(jì)算輸出碼字的前k位數(shù)值，并使用r(x)進(jìn)行求余計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果保存在寄存器中。

3.2 RS譯碼

研究人員根據(jù)RS編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)譯碼電路，該電路主要由差錯(cuò)圖樣計(jì)算模塊、糾錯(cuò)模塊、方程求解模塊以及緩存模塊等構(gòu)成，如圖2所示[12]。

圖2 解碼器電路結(jié)構(gòu)

RS解碼器接收到碼字序列后，伴隨式計(jì)算模塊正式啟動(dòng)，根據(jù)關(guān)鍵方式計(jì)算錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式，并根據(jù)錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式推導(dǎo)計(jì)算錯(cuò)誤值，完成對(duì)于譯碼的糾錯(cuò)。其中，伴隨式計(jì)算模塊的計(jì)算原理為

4 結(jié) 論

本文著重探討了太赫茲無(wú)線傳輸信道的特點(diǎn)，基于FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)太赫茲通信基帶鏈路，創(chuàng)建了一個(gè)信號(hào)傳輸速度高達(dá)20.8 Gb/s的無(wú)線通信系統(tǒng)。為達(dá)到這一目標(biāo)，相關(guān)研究人員首先分析了太赫茲電磁波在大氣環(huán)境中的衰減特點(diǎn)，并根據(jù)其衰減特性將220 GHz頻段確定為通信窗口?；谔掌潫o(wú)線傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，基于OFDM系統(tǒng)物理層數(shù)字基帶，設(shè)計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)，為太赫茲無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供技術(shù)支持。