基于光频梳的太赫兹通信高阶调制信号处理

薛帅宁

重庆市气象信息与技术保障中心 重庆 401147

引言

随着5G网络时代的到来，物联网（Internet of Things,IoT）和未来新型智慧城市随之崛起，高速无线通信和可访问传感互联将进一步得到升级和统一。根据思科公司给出的预测报告，通信数据从2016年的1.2ZB将快速增长到2021年的3.3ZB，全面信息化的社交将促进无线网络数据流量呈指数级增长。越来越多的学者集中探索用于无线通信的载波频率，用以满足不断增长的带宽需求[1-2]。众所周知，在移动通信领域中，24~100GHz频段被称为5G毫米波（millimeter wave, mm-wave）频段。根据香农公式，毫米波/太赫兹波（Terahertz，THz >300 GHz）具有更大的带宽，有着更高速的信息通信能力，被公认为未来最有希望适应指数级增长的无线通信数据流量候选频段[3]。采用微波光子学的毫米波/太赫兹无线接入系统不仅可以受益于光纤传输系统具有的带宽大，损耗低和抗电磁干扰等优点，而且还可以提供高速光纤传输，无线通信以及灵活的访问和传感系统。可以预测，基于光子毫米/太赫兹波的宽带高速接入通信和高分辨率传感系统将在建设未来的智慧城市，发展下一代网络和物联网架构方面发挥极其重要的作用[4-5]。

更多的无线网络容量需求被认为是5G无线发展的动力，包括可能迁移到具有巨大带宽的毫米波/太赫兹频段，以及极端的基站和设备密度。毫米波/太赫兹频段的最大挑战是高自由空间路径损耗（FSPL），以及由于水蒸气分子、氧气和氮气引起的大气吸收。根据西兹等人的研究结果可知太赫兹波段有极高的自由空间损耗[6]。当发射机功率有限时，这样的系统需要定向和直射天线系统来加强收发双方的功率，而不是在低GHz射频上使用的全向天线的方法。此外，光通信和光子方法的所有资源均可适用于太赫兹无线通信，例如使用高频谱效率数据调制格式，用于多通道太赫兹无线链路的波分复用技术以及用于相干光接收机信号来使用数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）技术进行信号补偿。其他相关研究应用有：2016年，夏姆斯等人利用220~280GHz的频带宽度实现了5路子信道总共100Gb/s的传输速率和2cm的无线信道传输距离，并认为无线信道传输距离可以通过调整发送和接收天线扩展到大于1m，其误比特率仍小于前向纠错码的限制[7]。天津大学世伽等人通过实验实现了16QAM调制的375~450GHz带宽的太赫兹无线通信系统，其无线传输距离为50cm和最高4路子信道总共80Gbit/s的传输速率，所有信道的误比特率都低于硬判决前向纠错阈值（3.8×10-3）[8]。2018年中国复旦大学李新宇等人提出并实现了2×2MIMO太赫兹无线传输系统传输速率达到了120Gb/s，采用频带为375~500GHz的PDM-QPSK调制，无线传输距离达到了

142cm[9]。

基于以上研究成果，本文提出一种基于微波光子方法生成的太赫兹无线信号，频段为350GHz，使用16QAM调制，数据率达到80Gbit/s的下行链路系统。系统中采用光频梳（Optical Frequency Comb，OFC）生成间隔为25GHz的光梳，选取其中合适的频率间隔，采用350GHz频率间隔，对其中一个作为调制信号的光源，先进行信号调制，另一个作为光本振（Local Oscillator）信号，二者一起送入单行载流子光电探测器（Uni-Travelling Carrier Photoelectric Detector, UTC-PD），拍频生成太赫兹通信信号，并通过天线辐射到自由空间中。再通过远端接收天线接收到无线信号后送入肖特基二极管与本振信号进行混频，变频到50GHz中频信号后进行数字信号处理，恢复原有信号。

2 实验原理

图1 所示为实验方案，共分为4个部分：光频梳发生器、16QAM信号调控、太赫兹信号传输以及太赫兹信号处理。其中IM为光强度调制器，PM为光相位调制器，本文采用波分解复用器，WSS为波长选择开关，EDFA为掺铒光纤放大器，OBPF为光带通滤波器，DDMZM为双驱马赫-曾德尔调制器，UTCPD为单行载流子光电探测器，DSP为数字信号处理单元。

图1 16 QAM 350GHz太赫兹通信链路实验方案

如上图1所示，光频梳发生器是为了产生多齿平坦等间距光频梳，采用窄带激光器中心频率为193.1THz，带宽为100kHz，功率为0dBm。首先送入光强度调制器且光强度调制器与25GHz微波源相连，经过强度调制后的光强，其光强电场变化如式1所示。

其中：V1(t)为输入信号，其功率变化为：

第二阶段的相位调制光频域，可以表示为：

其中：e为强度调制后的输出光信号，而后生成光频梳信号。再通过波长选择开关（Wavelength Selective Switch, WSS）选择两个间隔为300GHz的光频梳齿分别作为光本振信号和信号载波。将信号载波送入推挽式马赫曾德尔调制器（Push-pull Mach-Zender ），将16QAM信号频带信号调制到光载波上，其中小信号调制条件下的DSB调制如下式所示：

其中：VRF为调制信号，将调制后的光信号与光本振信号进行耦合，然后将耦合后的光谱图送入UTC-PD拍频后产生的太赫兹信号谱图如下图2所示，可以清晰地看出经过UTC-PD拍频后产生了350GHz的数据率为80Gbit/s的16QAM信号。该信号经过传输，由接收喇叭天线接收后，经由肖特基势垒混频器（Schottky Barrier Mixer，SBM）与300GHz微波本振信号进行混频，下变频到50GHz的中频信号后送入DSP数字信号处理单元进行下一步处理。处理过程包括中频至基带下变频，匹配滤波，时钟恢复和下采样，信道均衡，频偏恢复以及相位噪声补偿等，然后得到恢复信号。

3 仿真结果

采用VPI Transmission Maker 9.2搭建实验仿真平台。测量了不同输入光功率下，解调信号的误差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM），测量结果如下图3所示。

图3 不同光功率下的误差向量幅度图

从图中可以发现，当光功率接近11dBm时，EVM值趋于稳定，继续提升光功率不能提升16QAM信号质量。对比光功率为3.8dBm处的星座图和24dBm处的星座图，可以看出光功率为3.8dBm时每个星座点的收敛性远不如光功率为24dBm时，其误码率也必定大于光功率为24dBm太赫兹信号，所以选取最佳平衡光功率为11dBm。

在此基础上，本文还通过使用不同的光源方案对该太赫兹链路进行实验，其原理图如图4所示。

图4 由两束自由激光生成太赫兹信号原理图

这里使用两束不同频率的自由激光生成太赫兹信号，但是发现在生成的太赫兹信号中存在较严重的相位噪声，需要经过DSP信号处理后，相位噪声才能得以消除，实现准确的信号估计。在DSP信号处理算法中，我们增加了信道均衡算法，并且比较了递推最小二乘算法（Recursive least squares，RLS）和最小均方误差算法（Least Mean Square，LMS），如图5所示。

在图5中蓝色×点表示接收到的尚未经过信道均衡的16QAM太赫兹信号结果，绿色点表示经过信道均衡后的16QAM太赫兹信号结果，黑色星号表示16QAM信号的星座图。我们可以清晰地看到因为两束自由激光的相位噪声造成的误差结果，如果点数较多，就会形成三个同心圆的接收星座图，而采用光频梳方案则不会产生这样的相位噪声。所以光频梳方案不仅减小了16QAM太赫兹信号的误码率，也降低了数字信号处理的复杂度，节省了信号处理时间，能够达到实时信号处理要求。

图5 信道均衡算法比较图

4 结束语

本文在VPI Transmission Maker 9.2中成功搭建了350GHz，16QAM太赫兹信号的通信链路，实现了80Gbit/s的通信数据率，通过对输入UTC-PD的不同的光功率进行测试，得出最佳误差向量幅度时最优的输入光功率。测试发现当输入光功率为11dBm时，能够达到较优的EVM值，且此时输入光功率值较低。同时测试了不同光源的太赫兹信号生成方案，发现基于光频梳的太赫兹信号生成方案减少了太赫兹信号的相位噪声，减轻了数字信号处理的压力，增强了太赫兹信号的实时信号处理能力。