基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统及通信方法

摘要

本发明提供一种基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统及通信方法，所述基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统包括：多通道基带信号采集单元和多通道基带信号模拟单元用于产生太赫兹多载波通信基带信号以及采集多载波基带信号；第一多通道中频变频放大滤波单元和第二多通道中频变频放大滤波单元用于生成中频多载波信号、增益控制以及谐杂波控制；太赫兹频段差频变频器单元用于完成太赫兹频段信号生产；太赫兹频段天线单元用于实现无线信号发送和接收；本发明提供的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统一方面能够节省太赫兹多载波通信系统开发成本，另一方面能够降低高码率通信的调制和解调难度。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统及通信方法。

背景技术

太赫兹频段的高宽带特性使其在高速通信领域存在巨大的应用潜力，当前太赫兹通信存在的主要问题是辐射功率低、无线传输损耗严重以及调制解调困难、辐射功率低、损耗严重是太赫兹频段固有的现象。其中，调制解调困难主要集中在太赫兹频段器件研制困难、成本高昂，以及为了最大限度使用太赫兹频段的带宽性能，一般太赫兹通信采用高阶调制、高信息速率（高达20Gbps以上）等波形体制，这对基带信号处理调制解调方法带来了严峻的考验。高阶调制以及高带宽除了信号处理实现难度较大之外，其在太赫兹频段传输还存在较大的群时延波动和频谱失真，需要额外设计算法进行补偿，可见现有的太赫兹通信信号处理难度较大，同时硬件成本较高。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统及通信方法。

具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统，包括：多通道基带信号采集单元、多通道基带信号模拟单元、与所述多通道基带信号采集单元连接的第一多通道中频变频放大滤波单元、与所述多通道基带信号模拟单元连接的第二多通道中频变频放大滤波单元以及与所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元连接的太赫兹频段差频变频器单元和太赫兹频段天线单元；其中：

所述多通道基带信号采集单元和所述多通道基带信号模拟单元用于产生太赫兹多载波通信基带信号以及采集多载波基带信号；

所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元用于生成中频多载波信号、增益控制以及谐杂波控制；

所述太赫兹频段差频变频器单元用于完成太赫兹频段信号生产；

所述太赫兹频段天线单元用于实现无线信号发送和接收。

进一步地，所述太赫兹频段差频变频器单元用于采用差频模式完成太赫兹频段信号生产。

进一步地，所述太赫兹频段差频变频器单元包括太赫兹上变频器和太赫兹下变频器；其中，所述太赫兹上变频器用于接收所述第一多通道中频变频放大滤波单元的输入信号；所述太赫兹下变频器用于发送所述第二多通道中频变频放大滤波单元的输入信号。

进一步地，所述太赫兹频段天线单元包括太赫兹发送天线和太赫兹接收天线；所述太赫兹发送天线用于实现无线信号发送；所述太赫兹接收天线用于实现无线信号接收。

进一步地，所述太赫兹频段天线单元用于通过太赫兹波束对准实现无线信号发送和接收。

进一步地，所述多通道基带信号采集单元和所述多通道基带信号模拟单元用于在预设采样率条件下通过多路并行的方式实现太赫兹通信。

进一步地，所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元还用于恢复中频多载波信号，对多载波信号进行抗混叠载波和谐杂波抑制。

进一步地，所述太赫兹频段差频变频器单元用于使所述太赫兹下变频器输出的信号分布形式和发送一致。

第二方面，本发明实施例提供一种基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统的通信方法，包括：

基于多通道基带信号模拟单元生成基带多通道中频信号；

接收所述基带多通道中频信号基于第一多通道中频变频放大滤波单元生成n路多载波中频上变频信号，并对每路多载波中频上变频信号进行滤波处理得到多载波中频合路信号；n为正整数；

接收所述多载波中频合路信号基于太赫兹频段差频变频器单元和太赫兹频段天线单元调整所述多载波中频合路信号输出电平，变为模拟信号并输出；

基于多通道基带信号采集单元接收与太赫兹频段天线单元和太赫兹频段天线单元对应的输出信号进行解调处理。

进一步地，还包括：设置太赫兹频段发送通道参数。

由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统及通信方法，所述基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统包括：多通道基带信号采集单元和多通道基带信号模拟单元用于产生太赫兹多载波通信基带信号以及采集多载波基带信号；第一多通道中频变频放大滤波单元和第二多通道中频变频放大滤波单元用于生成中频多载波信号、增益控制以及谐杂波控制；太赫兹频段差频变频器单元用于完成太赫兹频段信号生产；太赫兹频段天线单元用于实现无线信号发送和接收；本发明提供的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统一方面能够节省太赫兹多载波通信系统开发成本，另一方面能够降低高码率通信的调制和解调难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统的一种结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的四通道基带信号多载波中频上变频频谱搬移示意图；

图3为本发明一实施例提供的四通道基带信号多载波中频下变频频谱搬移示意图；

图4为本发明一实施例提供的太赫兹频段上变频器结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的太赫兹频段下变频器结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的多载波发送信号单路EVM测试结果示意图；

图7为本发明一实施例提供的多载波接收信号解调星座图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先对附图进行解释说明，图1中FPGA表示基带信号处理芯片，用于基带信号处理和数据源生成，DAC表示数模转换芯片，用于产生中频信号，ADC表示模数转换芯片，用于中频信号采集；图2和图3中B表示信号带宽，S1~S4分别表示四个中频载波信号；图4和图5中PA表示功率放大器，I/Q表示信号的实部和虚部，LNA表示低噪放；图6中横轴是符号速率，单位是Gsps，纵轴是EVM，表示误差向量幅度，单位是d%，d是纵轴的数值。

图1示出了本发明实施例提供的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统的一种结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统，包括：多通道基带信号采集单元、多通道基带信号模拟单元、与所述多通道基带信号采集单元连接的第一多通道中频变频放大滤波单元、与所述多通道基带信号模拟单元连接的第二多通道中频变频放大滤波单元以及与所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元连接的太赫兹频段差频变频器单元和太赫兹频段天线单元；其中：

所述多通道基带信号采集单元和所述多通道基带信号模拟单元用于产生太赫兹多载波通信基带信号以及采集多载波基带信号；

所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元用于生成中频多载波信号、增益控制以及谐杂波控制；

所述太赫兹频段差频变频器单元用于完成太赫兹频段信号生产；

所述太赫兹频段天线单元用于实现无线信号发送和接收。

在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例提供一种基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统，通过该通信系统设计方法可以在有效的利用频谱资源条件下，降低了信号处理难度、降低硬件成本和设计难度。

具体的，该通信系统包括多通道基带信号采集单元、多通道基带信号模拟单元、与所述多通道基带信号采集单元连接的第一多通道中频变频放大滤波单元、与所述多通道基带信号模拟单元连接的第二多通道中频变频放大滤波单元以及与所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元连接的太赫兹频段差频变频器单元和太赫兹频段天线单元；通过多通道基带信号采集单元和多通道基带信号模拟单元可以产生太赫兹多载波通信基带信号以及完成多载波基带信号采集，完成高码率太赫兹基带信号处理流程；通过第一多通道中频变频放大滤波单元和第二多通道中频变频放大滤波单元可以生成中频多载波信号、增益控制以及谐杂波抑制；通过太赫兹频段差频变频器单元可以完成太赫兹频段信号生产，进一步的采用差频模式防止信号混叠；通过太赫兹频段天线单元可以进行太赫兹波束对准，实现无线信号发送和接收。

在本实施例中，通过差频的方式降低了太赫兹频段对滤波器的要求，通过多载波的方式实现了高码率的太赫兹通信。

在本实施例中，可以理解的是，为了克服现有高码率采样芯片的技术瓶颈、降低基带信号处理复杂度以及节约太赫兹通信硬件成本；通过收发太赫兹变频器本振设置一定频率间隔来消除频率混叠的影响；通过在中频基带环节添加滤波器的方式替代了太赫兹频段滤波器的设计；通过多载波通信可以在较低的采样率下实现更高的通信速率。

在本实施例中，需要说明的是，基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统能够在最大限度利用太赫兹频段资源情况下，不需要额外的太赫兹频段滤波器设计，能够节省太赫兹通信系统开发成本；通过多载波基带处理的方法，降低了高码率通信的调制解调难度。

由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统，所述多通道基带信号采集单元和所述多通道基带信号模拟单元用于产生太赫兹多载波通信基带信号以及采集多载波基带信号；所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元用于生成中频多载波信号、增益控制以及谐杂波控制；所述太赫兹频段差频变频器单元用于完成太赫兹频段信号生产；所述太赫兹频段天线单元用于实现无线信号发送和接收。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述太赫兹频段差频变频器单元用于采用差频模式完成太赫兹频段信号生产。

在本实施例中，可以理解的是，采用差频模式完成太赫兹频段信号生产能够防止信号混叠，同时，采用差频的方式，从而简化了太赫兹频段物理器件的设计。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述太赫兹频段差频变频器单元包括太赫兹上变频器和太赫兹下变频器；其中，所述太赫兹上变频器用于接收所述第一多通道中频变频放大滤波单元的输入信号；所述太赫兹下变频器用于发送所述第二多通道中频变频放大滤波单元的输入信号。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述太赫兹频段天线单元包括太赫兹发送天线和太赫兹接收天线；所述太赫兹发送天线用于实现无线信号发送；所述太赫兹接收天线用于实现无线信号接收。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述太赫兹频段天线单元用于通过太赫兹波束对准实现无线信号发送和接收。

在本实施例中，可以理解的是，通过太赫兹波束对准实现无线信号发送和接收有利于保证无线信号准确的发送和接收。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述多通道基带信号采集单元和所述多通道基带信号模拟单元用于在预设采样率条件下通过多路并行的方式实现太赫兹通信。

在本实施例中，需要说明的是，预设采样率条件≤5GHz，采用传统的单载波方式，要实现20Gbps的基带信号采样，需要的采样率至少为20GHz，现有硬件条件很难达到，同时信号处理难度大。因此本实施例采用5GHz采样率的多载波方案，在较低采样率条件下（5GHz远远小于20GHz），通过多路并行的方式实现高码率的太赫兹通信需求。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述第一多通道中频变频放大滤波单元和所述第二多通道中频变频放大滤波单元还用于恢复中频多载波信号，对多载波信号进行抗混叠载波和谐杂波抑制。

在本实施例中，可以理解的是，通过多通道中频变频放大滤波单元（即第一多通道中频变频放大滤波单元和第二多通道中频变频放大滤波单元）完成中频多载波信号的生成和恢复，对多载波信号进行抗混叠滤波和谐杂波抑制处理，达到良好的发送EVM指标需求（ErrorVectorMagnitude，误差矢量幅度，是接收端衡量信号质量的一个很重要的参数），同时可以控制中频的收发增益，使ADC/DAC（模拟／数字转换器）以及太赫兹频段变频器工作在合适的工作点上，从而实现理想的传输性能。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述太赫兹频段差频变频器单元用于使所述太赫兹下变频器输出的信号分布形式和发送一致。

在本实施例中，需要说明的是，通过设置合适的差频频点，使太赫兹下变频输出的信号分布形式和发送一致，达到共性化设计的目的，节约成本和开发周期，还能较低项目开发风险。

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

为验证本系统设计的有效性和可行性，以4路载波实现20Gbps高速太赫兹通信为例，对这种实现方法给出具体的实施步骤，实施例中用到的技术参数如下：调制方式为16QAM；多载波路数=4；每路载波数据速率

通过本发明公开的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统， 具体实现步骤如下：

步骤一，产生基带多通道中频信号。太赫兹基带信号由FPGA内部生成，数据源可由 用户自定义，这里设待发送的每路基带波形为

步骤二，产生4路多载波中频上变频信号，每路信号单独进行滤波处理，保证多载波合路信号具有较高的谐杂波抑制。合路后的信号频谱示意图如图2所示，将4路1.25GHz低中频信号依次搬移到1.25GHz、3.75GHz、6.25GHz、8.75GHz频点上。图6是其中四路载波信号发送EVM的测试结果，从图中可以看出发送信号的EVM可以做到优于5%@

步骤三，将多载波中频合路信号送至太赫兹频段上变频器。调整合路信号输出电平，使其满足太赫兹频段上变频器的输入电平要求，然后按照图4所示结构，设置太赫兹频段发送通道参数。参考本振

以第1路载波信号为例，此时太赫兹频段发射信号表达式 (3)如下：

则

步骤四，太赫兹发送信号经过太赫兹频段天线发送之后，经由相对应频段的接收 天线进行接收变为模拟信号，按照图5所示结构设置太赫兹频段接收通道参数。参考本振F

其他几路多载波信号发送信号和接收信号的表达形式仍然可以用式（3）和式（4）表示，这里不单独讨论。

由于步骤4缺少太赫兹频段滤波环节，从式（4）可以看出，如果

步骤五，太赫兹频段下变频器输出信号进入中频多载波下变频器单元，多载波中频输出频谱如图3所示。这里需要注意的是，太赫兹多载波信号经过太赫兹上下变频器之后，频谱发生了倒置，因此子载波信号的排列顺序从左往右依次是S

步骤六，中频下变频器输出的信号频点均为1.25GHz，分别接入到4路ADC进行采样，采样数据再进入FPGA中进行后续的解调处理流程。图7是其中一路信号解调的星座图。

本实施例中滤波环节主要在中频发送和接收变频通道进行处理，另外在FPGA需要设计相应的匹配滤波结构，以达到最佳匹配接收的效果。这种基于差频的超外差系统设计具有较强的通用性和灵活性，子载波数量可以根据用户需求进行调整，本实施例中子载波数量是4，每路子载波信息速率5Gbps，总数据速率高达20Gbps。实际上，通过调整子载波数量或者每路子载波的带宽，可以在调制方式不变的情况下，将数据速率做到40Gbps以上。同时，因为整个系统采用模块化、结构化设计，只需要增加中频变频器通道数和基带处理通道，在设计上保持共性化，极大的节省了开发周期和成本，具有很好的经济实用推广价值。

在上述实施例基础上，本发明一实施例提供一种基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统的通信方法；该方法包括：基于多通道基带信号模拟单元生成基带多通道中频信号；

接收所述基带多通道中频信号基于第一多通道中频变频放大滤波单元生成n路多载波中频上变频信号，并对每路多载波中频上变频信号进行滤波处理得到多载波中频合路信号；n为正整数；

接收所述多载波中频合路信号基于太赫兹频段差频变频器单元和太赫兹频段天线单元调整所述多载波中频合路信号输出电平，变为模拟信号并输出；

基于多通道基带信号采集单元接收与太赫兹频段天线单元和太赫兹频段天线单元对应的输出信号进行解调处理。

在本实施例中，举例来说：

通过本发明公开的基于差频的外差式太赫兹多载波通信系统， 具体实现步骤如下：

步骤一，产生基带多通道中频信号。太赫兹基带信号由FPGA内部生成，数据源可由 用户自定义，这里设待发送的每路基带波形为

步骤二，产生4路多载波中频上变频信号，每路信号单独进行滤波处理，保证多载波合路信号具有较高的谐杂波抑制。合路后的信号频谱示意图如图2所示，将4路1.25GHz低中频信号依次搬移到1.25GHz、3.75GHz、6.25GHz、8.75GHz频点上。图6是四路（即通道1~4）载波信号发送EVM的测试结果，从图中可以看出发送信号的EVM可以做到优于5%@

步骤三，将多载波中频合路信号送至太赫兹频段上变频器。调整合路信号输出电平，使其满足太赫兹频段上变频器的输入电平要求，然后按照图4所示结构，设置太赫兹频段发送通道参数。参考本振

以第1路载波信号为例，此时太赫兹频段发射信号表达式 (3)如下：

则

步骤四，太赫兹发送信号经过太赫兹频段天线发送之后，经由相对应频段的接收 天线进行接收变为模拟信号，按照图5所示结构设置太赫兹频段接收通道参数。参考本振F

其他几路多载波信号发送信号和接收信号的表达形式仍然可以用式（3）和式（4）表示，这里不单独讨论。

由于步骤4缺少太赫兹频段滤波环节，从式（4）可以看出，如果

步骤五，太赫兹频段下变频器输出信号进入中频多载波下变频器单元，多载波中频输出频谱如图3所示。这里需要注意的是，太赫兹多载波信号经过太赫兹上下变频器之后，频谱发生了倒置，因此子载波信号的排列顺序从左往右依次是S

步骤六，中频下变频器输出的信号频点均为1.25GHz，分别接入到4路ADC进行采样，采样数据再进入FPGA中进行后续的解调处理流程。图7是其中一路信号解调的星座图。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，还包括：设置太赫兹频段发送通道参数。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。