超高速太赫兹通信系统中调制方式的探讨

孙禹，詹亚锋，陆宇颖，姚建铨，

（1.清华大学航天航空学院，北京100084；2.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072）

超高速太赫兹通信系统中调制方式的探讨

孙禹1，詹亚锋1，陆宇颖2，姚建铨1，2

（1.清华大学航天航空学院，北京100084；2.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072）

针对传输速率为10 Gb/s太赫兹通信系统，给出了调制方式优选方案。首先详细介绍毫米波、自由空间激光通信中常用调制方式的特性，包括功率有效性、频带利用率、实现复杂度和峰均比；接着介绍太赫兹通信目前采用的调制方式，然后重点讨论在具体实现时，相位噪声、模/数转换器采样率、功率放大器非线性对调制方式选取的影响；最后在链路预算基础上结合具体器件参数，考虑相位噪声和功放非线性因素，对优选调制方式误码率性能进行仿真。

太赫兹通信；调制方式；链路预算；相位噪声；非线性功率放大器

0 引言

随着信息技术的发展以及空天技术的进步，人们对信息量的需求越来越大，无线通信业务包括移动互联网、卫星数据传输等都对信息速率提出了越来越高的要求。据估计，在2020年左右，无线通信对信息速率需求将达到[1]100 Gb/s。根据通信频段不同，无线通信可分为微波通信、太赫兹波（Terahertz，THz）通信以及自由空间激光通信等几类。受物理带宽限制，微波中的毫米波频段最大可用带宽为7 GHz（在60 GHz附近），需采用频谱效率高于14 b/s/Hz的通信体制来满足未来对100 Gb/s信息速率的需求，这给通信体制设计与实现带来极大挑战[2]。在100 GHz及以上的THz频段，拥有高达数十GHz的可用带宽，只需采用带宽效率适中的通信体制就可提供数Gb/s到100 Gb/s甚至更高的信息传输速率，这是目前毫米波通信所无法达到的。而相对于自由空间激光通信，THz波在传播过程中受烟雾沙尘及闪烁效应影响较小，可在恶劣环境下保持正常通信。

近几年大批THz通信演示验证系统纷纷涌现。已实现的THz通信系统主要分为全电子学与光电混合两大类，典型系统有德国KIT（Karlsruhe Institute of Tech⁃nology）的0.22 THz和0.24 THz通信验证系统[3⁃4]，日本NTT公司的0.3 THz通信系统[5⁃11]。最具代表性的是德国KIT大学的THz数据传输系统[12]：采用基于单向载流子传输光电二极管（Uni⁃traveling Carrier Photodiodes，UTC⁃PD）发射机和全电子学接收机芯片，以及QPSK、8QAM、16QAM调制方式的多载波通信体制，在0.24 THz实现了通信距离为20 m、最高数据传输速率为100 Gb/s的无线数据传输以及接收端的离线解调，有望用于解决光纤通信“最后一英里”问题。

尽管THz通信相对毫米波、自由空间激光通信有众多优势，但其能否得到大规模应用还取决于THz有关理论与技术能否取得突破性进展。目前实现THz通信还存在以下主要问题：

（1）THz辐射源输出功率较低，实现较复杂；

（2）THz检测器件灵敏度低，能量转换效率不高；

（3）采用的调制解调体制无法适应复杂环境下非线性信道传输特性。

针对目前THz通信体制亟需优化问题，本文首先对毫米波、自由空间激光通信中广泛采用的调制方式的特性进行分析，结合THz通信特点，确定了10 Gb/s 0.338 THz通信系统的优选调制方式。本文介绍毫米波、自由空间激光通信系统中广泛采用的调制方式的功率、带宽效率以及实现复杂度、峰均比等特性。总结了目前THz通信系统中常用的调制方式，然后考虑本振相位噪声、模/数转换器采样率和功放非线性等因素，给出三种优选调制方式。结合现有器件参数，在链路预算基础上，对三种优选调制方式误码率性能进行仿真，仿真结果将对后续系统实现有一定指导意义。

1 通信调制方式分析

1.1 调制方式概述

THz波段位于远红外与毫米波段之间，THz通信兼具毫米波、自由空间激光通信的部分特点，其调制方式可在毫米波、自由空间激光通信常用调制方式基础上进行优选，包括调幅、调相、调频以及它们之间的混合调制、脉冲位置调制等几大类，如表1所示。在调制方式优选过程中通常需综合考虑功率有效性、频带利用率、实现复杂度和峰均比等因素。

表1 各类调制方式表

1.2 调制方式功率有效性分析

自由空间激光通信中常用的调制方式有开关键控（On⁃Off Keying，OOK）以及脉冲位置调制（Pulse Posi⁃tion Modulation，PPM）等。

OOK是一种连续比特调制，在每一比特间隔内使光源脉冲开或关来对光信号进行调制。令每比特持续时间为Tb，光源脉冲持续时间为Tp，信息速率定义占空比x为Tp与Tb的比值：

自由空间激光通信中常用包络检波器对OOK信号进行非相干解调，其误码率为[13]：

PPM利用断续的周期性光脉冲的相对位置来传递信息：将一段长为n的二进制数据映射为由2n个时隙组成的PPM帧的特定时隙位置，发射端在特定时隙位置将信号以光脉冲形式发送出去，接收端检测到光脉冲后，判断其所在时隙位置，然后恢复出发送信号。M元PPM调制的误码率可表示为[14]：

在AWGN信道下，OOK（非相干解调）、2PPM、4PPM、8PPM对应的理论BER性能如图1所示，从图中可看出，在给定误码率下，PPM功率效率明显更高，且随着调制阶数的增加，功率效率会进一步提高。与OOK相比，PPM是一种具有更高功率效率的调制方式，利用断续的周期性激光脉冲作为载波，脉冲峰值功率可以很高，增加了可靠通信的距离。

图1 OOK，2PPM，4PPM，8PPM理论性能曲线图

新一代数字卫星广播标准DVB⁃S2采用APSK调制，APSK是一种幅度相位调制方式，与传统方型、十字型星座QAM相比，其星座图上的点沿半径向外发散，且位于不同的环上，又被称为星型QAM。对于M=16及M=32的两个典型实例，其星座图如图2与图3所示。MAPSK功率效率与星座图中每个环半径R以及每个环中各星座点间的向量夹角φ有关。DVB⁃S2标准对16APSK与32APSK参数做了以下设定：

16APSK参数设为γ=2,R1=0.554 7,R2=1.109 4；32APSK参数设为γ1=2,γ2=4,R1=0.322 33,R2=0.644 66, R3=1.289 32。在以上参数设置下，相应BER性能曲线如图4所示。

图2 16APSK信号星座图

图3 32APSK信号星座图

图4 16APSK，32APSK的BER性能曲线

毫米波通信中其他常用的MPSK、MCPFSK、MQAM等调制方式的BER性能曲线如图5所示。由图5可看出，在误码率给定下，低阶调制（BPSKQPSKOQPSK）比高阶调制（8PSK16QAM32QAM等）功率效率要高。高阶调制方式中，16APSK（γ=2）与16QAM性能接近，仅有0.5～1.0 dB左右的差距；MSQAM和MQAM在AWGN信道下性能一致。

1.3 调制方式频带利用率分析

OOK的频带利用率由占空比决定[14]：

采用归零码时，占空比满足0

图5 毫米波通信常用调制方式BER理论性能曲线

MPPM的频带利用率可表示成[14]：

毫米波通信中常用的MPSK、MQAM的频带利用率与调制信号阶数M、成型滤波器滚降系数α有关，它们之间的关系满足[13]：

一般α可取0.3～0.8左右。

表2总结了MPSK、MQAM等调制方式在未加成型滤波器的理想情况下所能达到的最大频带利用率以及在给定误码率10-7时所需的由表2可看出，MQAM，MPSK和MAPSK频带利用率较高，但功率效率较低，只能工作在较高的情况下。

表2 不同调制方式的频带利用率与Eb/N0表（BER=10⁃7）

MCPFSK的调制指数一般取0.5，使调制频率之间满足正交性的条件，此时，MCPFSK频带利用率与MFSK相同，可表示为[13]：

可见，MCPFSK频带利用率不高于1 b/s/Hz，使得这类调制方式不适用于带宽受限系统。

1.4 调制方式的实现复杂度、峰均比分析

在调制方式选择中，实现复杂度和峰均比也是需要考虑的重要因素。图6给出了不同调制方式的相对实现复杂度。

图6 不同调制方式的相对实现复杂度

由图6可得出如下结论：

（1）相干检测随着调制阶数增加，复杂度逐渐增加。非相干检测可采用包络检波、差分检测等无需载波同步的解调方式，复杂度低于相干检测，但误码率性能损失2～3 dB。

（2）当阶数相同时，MAPSK、MQAM比MPSK实现复杂度高，因前者要同时对幅度和相位进行检测，而后者只需对相位进行检测。

（3）叠加式QAM（SQAM，Superposed QAM）采用偏移成型滤波，在调制时对Q路信号延时半个符号周期后送入成型滤波器，在抗功放非线性方面比QAM更具优势。解调可采用维特比算法，复杂度比相同阶数的MAPSK、MQAM略高，采用I、Q两路分别解调的方式，每路分别解调的网格状态数较少，复杂度比MCPFSK相干检测低。

（4）MCPFSK相干检测采用I、Q两路联合维特比算法，网格状态数随阶数增加呈指数增长。

峰均比（Peak⁃to⁃average Power Ratio，PAPR）定义为调制信号峰值功率与平均功率之比（单位：dB）[15]：

式中s(t)表示调制信号。调制信号峰均比越大，受功放非线性影响越明显，使用功放时需引入较大的功率回退，降低了功放效率，同时要求功放有较大的线性工作范围，对功放设计要求很高。单载波调制信号峰均比与调制方式的选择以及成型滤波器滚降系数α有关，α越大，成型滤波器冲激响应波形起伏越小，峰均比也越小。在不加成型滤波器的理想情况下，不同调制方式的峰均比如表3所示。

表3 各类调制方式的峰均比

由表3可看出，虽然OOK、PPM具有实现简单、功率效率高等优点，但其峰均比较大，对非线性功放敏感。MPSK、CPFSK信号星座图包络恒定，在抗功放非线性方面有较大优势。MQAM的峰均比随着阶数增加而增加，为了减小功放非线性影响，可采用MSQAM。MAPSK与相同阶数的MQAM相比，峰均比较小，适用于采用非线性器件的通信系统。

1.5 小结

综上所述，高阶调制（8PSK16QAM32QAM等）频带利用率高，但实现复杂度较高，在给定误码率时要求的最低工作信噪比较大，适用于频带受限、信噪比较高的场合。低阶调制（BPSKQPSKOQPSK）实现复杂度较低，功率有效性较高，但频带利用率低，适用于频带不受限，信噪比较低的场合。MCPFSK对功放非线性不敏感，适用于采用非线性功放的通信系统，但实现复杂度大大提高，且满足频率正交时频带利用率低，在高信息速率下需要较大带宽。MSQAM、MAPSK与阶数相同的MQAM相比，在采用非线性功放时，性能损失较小，无需功率回退，可大大提高功放效率，同时实现复杂度适中，比较适合在高速调制解调系统中使用。

2 THz通信调制方式

当THz辐射源与检测器件确定后，调制解调方式是决定THz通信系统信息速率、带宽、通信距离等性能的主要因素。目前的THz通信系统主要采用以下三种调制方式：

（1）二元开关键控（OOK）调制，接收机常采用包络检波解调，具有实现简单的优点[6]；

（2）多元脉冲位置键控（PPK）调制，即先进行脉冲位置（PPM）调制，再进行开关键控（OOK）调制，接收机常采用非相干检测，易于实现高速数据传输[16]；

（3）多元相位（MPSK）和正交幅度调制（MQAM）[3,12，17⁃18]。

OOK与PPK虽然实现简单，且功率效率较高，但在实现高速数据传输时需要较大的带宽，对器件非线性特性敏感，难以实现复杂算法以适应实际应用中的信道环境；而MPSK和MQAM等调制方式可采用通信信号处理算法如载波定时同步、信道均衡等来改善信道失真等非理想特性。从已发表的THz通信验证系统可看出，未来THz通信的发展趋势仍是采用毫米波通信中常用的具有高频带利用率的高阶数字调制方式[19]。

在选择高阶数字调制方式构建THz通信系统时，需要考虑：相干接收机中THz本振相位噪声、模/数转换器（ADC）采样率、功放非线性等因素。

2.1 相位噪声

高阶调制THz通信系统大多采用相干接收机结构，THz本振由微波源振荡器倍频产生，倍频即为相位加倍的过程，在倍频后相位噪声会增大20 lgNdB，N为倍频数。在调制阶数的选择中，相位噪声是一个不可忽略的因素。

与低阶调制相比，高阶调制的星座图中信号点之间距离较小，对信号相位偏移更加敏感，表4列出了不同调制方式在正确解调下允许的最大相位偏移。

表4 不同调制方式在正确解调下允许的最大相位偏移

相位噪声对调制阶数选取的影响可由信号相位偏移标准差σφ表示，令Lφ(Δf)表示单边带相位噪声，其中Δf为相对于载波的频率偏移，则双边带相位噪声Sφ(fm)可表示为[20]：

其dB形式为：

当已知某些频率偏移点的Sφ(fm)时，可用它们之间的连线来线性拟合相位噪声谱。令fm1,fm2表示每段连线的起点与终点，b表示每段连线的斜率，则σφ可由下式求出[20]：

先对每段连线求出其相位偏移方差，然后将每段方差相加，最后开方即可得到σφ。

在目前常用的微波源振荡器中，介质谐振振荡器（Dielectric Resonator Oscillator，DRO）具有温度稳定性好、体积小等优点，可构成性能稳定、结构紧凑的稳频固态源。因THz波在338 GHz附近大气衰减较小[21]，因此取THz载波中心频率为338 GHz，接收机中的THz本振由微波源倍频生成：DRO首先产生21.125 GHz的振荡频率，在经过4个级联的2倍频器以及辅助的放大电路后，便可产生中心频率为338 GHz的THz本振信号。

下面以Lucix公司的内置DRO（LO⁃211⁃XC）为例，来分析相位噪声对调制阶数选取的影响，其性能参数如表5所示[22]。

表5 LO⁃191⁃XC振荡器性能参数

表6 相位偏移均方根误差σφ计算过程

由表4与σφ=5.310 0°可看出，为保证系统性能，应尽量避免采用阶数为128及更高的调制方式，调制阶数最好不超过64。

2.2 模/数转换器采样率

为适应实际应用需求，THz通信系统需要实时解调，而不是目前采用的离线数字解调技术[3，12，17⁃18]。实现实时解调的难点在于，超高速信息速率与现有ADC采样率之间存在矛盾。MCPFSK和低阶调制方式频带利用率低，在高信息速率下需要较大带宽，对ADC采样率要求很高，所以为平衡这一矛盾需采用具有较高调制效率的高阶数字调制方式。

目前基于超导器件的ADC采样率高达42.6 GS/s[23]，但对工作环境要求较高，无法在室温下工作。基于0.18m SiGeBiCMOS技术的ADC采样率可达到20 GS/s，量化精度为[24]5 b。安捷伦公司已商用化的ADC采样率最高为8 GS/s，量化精度为[25]10 b。为保证实现性能，综合考虑工作环境要求和量化精度，ADC采样率最好不应高于8 GS/s。

受FPGA最高工作时钟限制，在实现实时解调时，需对超高速数据进行并行化解调，以降低每路的时钟速率，另外，为保证解调器的工作性能，并行系统的工作时钟最好不要超过200 MHz。并行路数越大，硬件实现消耗资源越多，实现越复杂，在满足单路工作时钟不超过200 MHz条件的前提下，应尽量减小并行路数。当传输速率为10 Gb/s时，在采用较高调制效率的调制方式下的信息波特率、采样率、并行路数、并行系统单路工作时钟如表7所示，其中采用全数字接收机中常用的4倍符号速率进行采样。

表7 10 Gb/s信息速率下不同调制方式比较

由表7可看出，为实现10 Gb/s THz通信系统的实时解调，综合考虑ADC采样率和并行解调硬件资源消耗，可采用调制效率为5或6 b/symbol的调制方式，在采样率不高于8 GS/s下实现64路并行解调。

2.3 功率放大器非线性特性

目前基于固态电子学方法的连续波THz源输出信号功率较小，一般在几百μW到几mW量级[19]。为适应THz波传播过程中大气衰减较大的特点，在远距离通信中，发射机必须采用功率放大器链，以提高信号输出功率。

目前常用的功率放大器主要有行波管放大器（Traveling⁃wave Tube Amplifier，TWTA）和固态功率放大器（Solid⁃state Power Amplifier，SSPA）。TWTA具有放大功率大的优点，但可靠性差，非线性波动大，使用时常需要多个TWTA用作备份，且带宽受到一定限制；而SSPA具有线性性能好，工作频率范围较大，使用寿命长的优点，但放大功率有限。结合TWTA与SSPA的特点，可采用多级功率放大链：第一级采用SSPA，使输出功率达到十mW～百mW量级；第二级采用TWTA，输出功率进一步提高为几W～几十W量级，可基本满足大部分应用的需要；如果对输出功率要求更高，可以使用大功率回旋行波管进行第三级放大，此时输出功率可达kW量级[26]。

但是无论是采用TWTA还是SSPA，都必须考虑其固有的非线性特性对调制信号的影响，采用峰均比较小的32APSK，32SQAM/64SQAM信号，可有效降低非线性功放的影响。采用数字预失真技术也可进一步降低非线性功放的影响，并有望在THz通信系统中得到应用，其基本原理[27]如图7所示。

图7 数字预失真基本原理

预失真器和功放的非线性特性（AM/AM和AM/PM）互逆，根据功放的特性函数来设置预失真器的非线性特性F(|Vi|)，使其与功放特性曲线互补，形成线性放大，从而达到补偿功放非线性的效果。目前，关于数字预失真技术在THz通信系统中应用的研究正在进行中。

2.4 小结

在考虑相位噪声、ADC采样率、功放非线性等因素下，表8列出适用于10 Gb/s 0.338 THz通信系统的调制方式。

3 THz通信系统仿真

本节基于链路预算并结合具体器件参数，对表8中的3种调制方式的性能进行仿真。令载波中心频率f为338 GHz，通信距离d为1 km，收发天线为直径D= 13.49cm的抛物面天线。

表8 适用于10 Gb/s 0.338 THz通信系统的调制方式

根据自由路径衰减公式：

可得自由路径衰减约为142.978 3 dB。在338 GHz频段，THz波的大气衰减约为10 dB/km，当通信距离为1 km时大气衰减[21]Latten=10dB。

抛物面天线增益G与天线有效面积Ae满足如下关系[28]：

Ae与直径D满足[28]：

由式（15）、式（16）可得，直径为13.49 cm的收发天线增益Gt、Gr分别为50 dBi。

在文献[29]中，220 GHz链路的接收机等效噪声系数为7.5 dB；在文献[18]的340 GHz链路中，等效噪声系数经计算为12.83 dB。根据文献[29]与[18]中的噪声系数水平，这里将噪声系数NF设为10 dB，工作环境温度T设为300 K，则接收机热噪声功率可用下式求出：

在0.338 THz链路中，当发射机采用SSPA时，输出功率Pt可达到[30]10 dBm，此时接收机信噪比SNR可由下式得出：

仿真基本流程如图8所示。

图8 仿真原理框图

二进制信号经过调制器和滚降系数α=0.3的成型滤波器后，送入SSPA，输出功率为10 dBm的调制信号；SSPA仿真模型采用RAPP模型[31]，通过将线性增益设为10 dB，平滑因子设为0.156，输出饱和因子设为1.1，来拟合文献[30]中的AM/AM实测数据；最后由增益为50 dBi的天线发射。在经过自由路径和大气衰减后，由增益为50 dBi的天线接收，之后加入T=300 K，NF=10 dB的接收机热噪声，然后加入倍频后的DRO相位噪声，最后进行匹配滤波、解调和误码率统计。

10 Gb/s链路分别采用32APSK，32SQAM，64SQAM下的信号带宽B、接收机信噪比SNR和误码率仿真结果如表9所示。

表9 不同调制方式下的信号带宽、信噪比、误码率

4 结语

THz波段因其可用带宽大、受烟雾沙尘以及传输过程中闪烁效应影响较小的特点，是未来实现空间和空地超高速无线通信的重要备选频段。本文首先对目前无线通信中广泛采用的调制方式的特性进行分析；然后根据系统具体实现时的本振相位噪声、ADC采样率和功放非线性等因素，给出了适用于10 Gb/s 0.338 THz通信系统的三种调制方式：32APSK，32SQAM和64SQAM；最后在链路预算基础上结合具体器件参数，通过系统仿真给出了这三种调制方式的误码率。为进一步提高系统性能，可在满足系统带宽要求下，采用LDPC、Turbo等高增益信道编码，以增加系统的链路余量；同时采用数字预失真等功放线性化技术来降低功放非线性的影响。

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Discussion of modulation mode for ultra high⁃speed terahertz communication system

SUN Yu1，ZHAN Ya⁃feng1，LU Yu⁃ying2，YAO Jian⁃quan1，2
（1.School of Aerospace Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The optimization scheme of modulation mode is proposed for 10 Gbps terahertz communication system.The cha⁃racteristics of some common modulation modes in millimeter wave and free space laser communication are introduced，including power efficiency，band utilization，implementation complexity and peak⁃to⁃average power ratio.The modulation modes in current terahertz communication system is also introduced.The effect of phase noise，A/D converter sampling rate and power amplifier nonlinear on the selection of modulation mode is discussed emphatically.The phase noise and nonlinear factors of power amplifier are considered in combination with specific device parameters based on link budget.The bit⁃error⁃rate character of the optimization modulation mode is simulated.

terahertz communication；modulation mode；link budget；phase noise；nonlinearity power amplifier

TN928⁃34

A

1004⁃373X（2015）09⁃0001⁃08

孙禹（1990—），男，博士研究生。主要研究方向为太赫兹通信、紫外光通信。

詹亚锋（1976—），男，副研究员，博士。主要研究方向为深空通信、高性能编码调制技术、卫星通信。

2014⁃11⁃15

国家973项目（2013CB329000）；国家自然科学基金资助项目（61271265，61032003，61128001）；国家高技术研究发展计划（“863计划”）基金资助项目（2012AA121605）；清华大学自主科研基金资助项目（2011Z05112）

陆宇颖（1985—），女，博士研究生。主要研究方向为通信系统与数字信号处理、功率放大器技术。

姚建铨（1939—），男，中国科学院院士，教授。主要研究方向为太赫兹技术、全固态激光器及非线性光学频率变换技术、物联网技术。