基于Simulink的太赫兹调制技术仿真研究

基于Simulink的太赫兹调制技术仿真研究

李井生，宋正勋

(长春理工大学电子信息工程学院，长春130022)

摘要：太赫兹(THz)波段通信是近年来才受到关注的，对于太赫兹波通信而言，如何将信息编码到太赫兹载波是太赫兹通信技术面临的首要问题，因此合适的THz波调制方法对THz通信系统起着至关重要的作用。本文利用Matlab的Simulink工具箱，分别在16QAM和QPSK调制技术下建立了THz通信系统仿真模型，传输的信号速率为10Gbps，发射功率0dBm，通信频段在280GHz-296GHz，带宽约为20GHz，最后得到了系统仿真图。并对16QAM和QPSK的THz通信系统调制性能进行了分析。

关键词：THz通信；Simulink；16QAM；QPSK；误码性能

收稿日期:2014-03-13

基金项目:吉林省科技发展计划项目(201115157)；长春市科技创新平台项目(11KP04)

作者简介:李井生(1988-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，主要从事光通信系统理论与无线通信技术方面的研究；宋正勋(1967-)，男，山东蓬莱人，教授，主要从事光通信系统理论与无线通信技术方面的研究。

中图分类号：E963文献标志码：A

0引言

太赫兹(THz)波是电磁频率在0.1～10THz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波，波段介于微波与远红外光之间，在通信方面，THz通信传输的容量大，可提供高达10Gb/s的无线传输速率，而且THz波束更窄，方向性更好，可以探测更小的目标以及更精确地定位，具有较好的保密性及抗干扰能力[1]。发展太赫兹通信技术已成为各发达国家研究的热点。

调制技术是THz通信应用领域的重要组成部分。2010年，中国计量学院设计了一种基于硅材料光子晶体的光控太赫兹调制器，对波长为808nm，平均功率为150mw的半导体激光辐射进行调制，该太赫兹调制器的调制速度可高达0.8kb/s[2]；2011年，中国工程物理研究院电子工程研究所基于宽带数字调制解调技术，研制了国内首个140GHz 10Gbps高速通信传输系统实验样机，完成了500m距离无线实时传输和软件解调实验[3]；2008年，NTT公司开始了基于载波为125GHz的BPSK调制解调单片微波集成电路(MMIC)研制，并于2009年取得成功[4]。目前，针对THz调制器或者低阶数字调制技术的研究工作还很不完善，致使相关应用的发展速度缓慢。由于太赫兹自身硬件的原因，产生的THz波功率较低，对频带要求较高，处于THz通信频段低端(大约几百GHz)。而高阶调制方式能更有效的利用带宽，抗信道失真能力强，功率提升潜力大，因此，采用适合的调制方式以提高THz通信性能，具有重要的意义和价值。

QAM调制方式综合了ASK与PSK的优点，并通过采用多进制方式提高频带利用率和信息传输速率，在频带利用率和误码率等指标上具有很高的优越性，是目前高速调制解调器中比较好的调制方式。而相干相移键控(PSK)技术的功率利用率最高，其中因QPSK技术较成熟、复杂度适中被广泛应用。

本文针对16QAM和QPSK调制技术，先简述其调制原理，进而借助Simulink仿真软件对THz通信系统进行搭建，并详细分析各调制性能的有效性和可靠性。

116QAM和QPSK基本原理

1.1QAM基本原理

正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)是用两个独立的基带波形对两个互相正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输[5]。16QAM是由幅度与相位共同载荷一个符号信息，为非等幅包络。图1为16QAM原理图。

图1　16QAM原理

1.2QPSK基本原理

正交相移键控(QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)是利用载波的四种不同相位差来表示输入的数字信息。QPSK为等(载波)包络信号，它的星点均在一个同心圆上，信息只载荷在载波的相位上。图2为QPSK原理图。

图2　QPSK原理

2系统仿真与结果分析

为了更好的比较各系统的调制性能，参数统一设定。根据IARU得出了在太赫兹各个频段通信衰减情况可知，在275-300GHz频带上衰减为6dB，因此利用倍频混频技术把通信频段定在280GHz-296GHz，载波频率为288GHz；信源采用功率为0dBm，带宽为B=5GHz的二进制信号发生器；经调制和加噪后，再通过带宽20GHz的太赫兹带通滤波器将信号还原。图3、图4分别为16QAM和QPSK的Simulink系统仿真框图。

图3　16QAM仿真框图

图4　QPSK仿真框图

误码率是反映数据通信系统特性的指标。在仿真过程中，误码率大小会随着高斯白噪声基带信道信噪比、调制方式等而改变，因此误码率的测试结果是评价试验系统的重要标准。图5为16QAM和QPSK调制误码率比较。

图5　16QAM和QPSK误码率曲线

经系统仿真后，除了系统各模块产生的延时，信源信号与在信道调制解调下的输出信号波形几乎无变化。如图5所示，在信噪比小于0时，它们的误码性能几乎一样，随着信噪比逐渐增大(大于0)，误码率呈快速下降趋势，QPSK调制系统好于16QAM系统误码性能，在信噪比为15dB左右时，误码可达到10-8，以后甚至更小。

3结语

本文利用Matlab的Simulink模块，在给定仿真条件下运行了仿真系统，对调制性能进行了分析和比较。在相同信噪比的条件下，16QAM的加性白噪声的功率远大于QPSK的加性白噪声的功率，故16QAM调制解调系统一般工作在大信噪比的环境下，其误码率将很小，也就是说，两个系统在同等噪声条件下，16QAM的抗噪声性能更优越。但是16QAM的功率利用率比QPSK调制方式要低，所以需要配置较大功率的高功放。

参考文献:

[1]姚建铨, 迟楠, 杨鹏飞，等. 太赫兹通信技术的研究与展望[J]. 中国激光，2009，36(9)：2213-2233.

[2]Jiusheng Li, Guisheng Tao. Terahertz wave modulator based on optically controlled photonic crystal slab[J]. Microwave and Optical Technology Letters. 2010,52(10): 2226-2227.

[3]王成, 刘杰, 吴尚昀,等. 0.14THz 10Gbps无线通信系统[J]. 信息与电子工程，2011(3)：265-269.

[4]应一凡. 太赫兹技术在室内无线通信中的应用[J]. 电脑知识与技术，2011(7)：1530-1533.

[5]樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M]. 北京:国防工业出版社, 2007.

责任编辑：吴旭云

Research on Simulation of Terahertz Modulation Techniques Based on Simulink

LI Jingsheng, SONG Zhengxun

(College of Electronics and Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

Abstract：Terahertz (THz) band communication has been concerned in recent years. For THz wave communication, how to integrate information coding to terahertz carrier is the chief issue in terahertz communication technology, so the appropriate method for THz wave modulation plays a crucial role in THz communication system. This paper uses Simulink toolbox of Matlab to establish the THz communication system simulation model by 16QAM and QPSK modulation techniques, in which the transmitted signal rate is 10Gbps, the output power is 0dBm, the communication band is in 280GHz-296GHz, bandwidth is about 20GHz and finally system simulation diagram is got. It analyzes the THz communication system modulation performance of QPSK and 16QAM.

Keywords：THz communication; Simulink; 16QAM; QPSK; ber performance