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140GHz高速无线通信技术研究

上传者:曹宏涛
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140GHz高速无线通信技术研究

第33卷第9期2011年9月

电子与信息学报

JournalofElectronics&InformationTechnology

Vbl.33No.9Sept.2011

140

GHz高速无线通信技术研究

林长星

邓贤进

王成’肖仕伟

(中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳621900)

摘要:太赫兹频段的宽带特性使得其在高速无线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、大气衰减严重及调制解调凼难。该文在提出了基于“肖特基二极管次谐波混频技术+16QAM高速数字调制解调技术”的太赫兹波超高速信息传输系统实现方案,该方案提高了太赫兹通信的频谱效率。并在国内首次实现了140GHz无线通信实验系统,以实验方法验证了太赫兹信道的幅相失真特性完全满足高阶数字信号的传输要求。该系统在0.5m距离上实现了10Gbps无线传输实验和高清视频传输,辐射功率一3dBm,系统误码率小

于le-6。

关键词:无线通信;太赫兹;高速信息传输;肖特基二极管混频器:高速数字调制解调中图分类号:TN92

DOI:10.3724/SP.J.1146.2010.01431

文献标识码:A

文章编号:1009-5896(2011)09-2263-05

140GHzDataRate

Wang

(Instituteof

Cheng

WirelessCommunication

LinChang-xing

Deng

TechnologyResearch

XiaoShi—wei

Xian-jin

ElectronicEngineering,ChinaAcademy西EngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

a31

Abstract:UtilizingthewidebandcharacteristicofTerahertzspectrumis

rate

importantresearchaspectofhighdataattenuation

and

lack

of

informationtransmission.Low

are

radiation

power.highatmosphere

efficient

modulation/demodulationmethods

importantlimiting

factorsofTHzcommunication.Thispaperproposesto

16

realizeTHzcommunicationbasedon“Schottkydiodesubharmonicmixer+highdatarateQAMQAM

digital

modulation/demodulation”scheme

transmissionrealizedKey

over

over

withtheadvantageofimprovingthespectrumefficiency.A140GHzwireless

rate

communicationsystemisdeveloped,whichhasvalidatedthepossibilityofhighdata

THzchannel.10Gbpswireless

datatransmissionand

error

16

signal

highdifination

videotransmissionis

0.5m,with一3dBmtransmissionpoweranddata

ratelessthanle一6.

words:Wirelesscommunication;Terahertz;High

datarateinformation

transmission;Schottky

diodemixer;

Highspeeddigitalmodulation/demodulationtechnology

1引言

Gbps量级的高速无线通信的主要实现方法有V波段,E波段高速毫米波无线通信和自由空间光通信FSO[1】。澳大利亚CSIRO

ICT

远小于光波长,受到烟尘、云雾、信号对准等问题的影响要小得多。

日本NTT于2004年首先实现了基于UTC—PDGbps无线通信系统【3】o

2009年,NTT通过电子学方法再次实现了120GHz

10

Centre研制出

非线性光混频的120

GHz10

了传输速率达6Gbps的85GHz点对点通信链路|2】o美国AOptix公司研制的FSO无线传输系统LCT一5,实现了10

Gbps,5

Gbps无线通信系统…,该系统的核心为基于0.1

MMIC集成芯片,目前该系统已经

km距离的无线通信。

LLmInPHEMT

太赫兹(THz)频段由于其自身的物理特性,在通信、

雷达、特征频谱检测等领域具有巨大的应用潜力。太赫兹高速信息传输主要利用了太赫兹频段的宽带特性以实现大容量高速通信。与V波段、E波段高速毫米波无线通信相比,THz通信带宽优势明显,可达到极高通信速率;与FSO相比,THz频段波长

通过了800m传输距离实验验证。美国Asyrmatos通信系统公司能够提供工作在140GHz频段的10Gbps数据传输率收发系统,传输距离可达4.8km。

基于肖特基二极管技术的THz器件和收发前端已经发展得较为成熟。2008年,Braunschweig太赫兹通讯实验室使用肖特基二极管次谐波混频技术在GHz频率上成功实现了6MHz带宽模拟彩色视频基带信号的传输161,实验距离超过22In。2010年,

300

2010-12.19收到,2011-05-11改回+通信作者:王成c-w04(国163.corn

JPL的Thomas等人l7J研制了835-900GHz的肖特

万方数据

电子与信息学报第33卷

基平衡混频器,转换损耗低达到9.25dB。VDI研制的肖特基接收机/发射机已经可以工作在500GHz以上频段。

近年来,基于MMIC技术的THz超外差接收

前端和固态器件的发展也十分迅速。NorthropGrumman研制的220GHz固态功率放大器的输出功率已经达到了50mW[8]。2010年,IAF研制了基于MMIC技术的260-304GHz接收机,其性能已经可以与肖特基接收机相比【9102008年,加拿大多伦多大学发表了基于SiGe

HBT

MMIC技术的165

GHz/170

GHz

Transceiverll0,11】和基于SiGe

BiCMOSMMIC技术的140G}HzTransceiver[12j。

在140

GHz

Transceiver上实现了数米距离内的4

Gbps无线通信。

目前的太赫兹通信系统主要特点为:工作在THz低端(数百GHz范围内)、采用低阶ASK或模拟调制的近距离通信系统。这是由THz通信面临的THz高端大气衰减严重、调制解调困难和辐射功率低等现状决定的。全MMIC集成的收发设备国内尚无研制条件,而基于肖特基二极管的收发设备在工作频段和性能上均优于MMIC集成收发设备。针对这种特点,本文提出了“肖特基二极管次谐波混频技术+16QAM高速数字调制解调技术”方案,并研制了140GHz无线通信实验系统,目前该系统已经实现了0.5in距离内的10Gbps无线数据传输和高清视频传输实验,发射功率一3dBm,误码率小于

le一6。

2140

GHz高速无线通信实验系统

目前已经实现的太赫兹通信系统大都采用直接

载波ASK调制或者是模拟载波调制,简单的调制方式可以降低系统复杂度,但付出了频谱效率的代价,导致系统能够达到的最大传输速率下降,数字通信中常用的信道失真补偿等方法也难以使用。采用肖特基二极管次谐波混频技术和16QAM高速数字调制解调技术的优点在于:(1)频谱效率提高,NTTl20

GHz10

Gbps系统占用带宽为17GHz,本系统占

用带宽为3.6GHz,能够有效利用物理带宽;(2)抗

信道失真能力强,通过数字信号处理补偿手段,补

偿信道幅度相位失真;(3)功率提升潜力大,在提高频谱效率的前提下,当前系统可以满足电真空器件

的工作带宽要求,可以提升至较大辐射功率。

16

QAM高阶调制方式的使用也使得系统复杂

度增加,在目前所研制的140GHz无线通信系统中采用软解调方法进行10Gbps传输实验验证。无线传输实验系统框图如图1和图2所示。

万方数据

寝减器H嚣j盘兹擐名盛

QA、IE广6OHzlr

B。W=3.6GHz

聘一5(IB

IF信号1d可

—出GH。天线增益25。lB1删411G机Hz悃

lKa奉振输It{

———-一

圆琵

RF频带:

『=司

000000

任意波形发,1.器

c!刍

All。G7122B

DA速;=20Gsp6

图1140

GHz无线通信系统发射端

10G1J"凋制信号

Ka小振发4器B、、’=:{.6GHz.PouI=一0

dBm

年l川t蜘i放J、链路吲1蓑赭旧

Ka夺搬输n¨

32.4GHz

IF信号

天线增益25tIB.

i堡r30

dBm27dB

l归孽

采样数据

AD迎,々:一50G,1)一采样长度=20M_=j己样点

图2

140

GHz无线通信系统接收端

该系统由发射端和接收端组成。在发射端通过软件方法对待传输数据文件进行里德一索洛蒙码

“RS(204,188)”编码和16QAM调制,以生成波形文件。通过任意波形发生器AWG7122B根据波形

文件DA输出,产生中心频率为6GHz,带宽3.6

GHz的中频(IF)信号。该中频信号经过Ka频段本

振和中频处理模块的中频链路放大之后,传递至140GHz发射机,通过肖特基二极管次谐波混频器上变频到133.8~137.4GHz频段并发射,辐射功率为一3dB增益的宽波束喇叭,其远场距离计算为0.5625m,本实验中无线传输距离取为O.5In。在接收端,接收信号通过

140

GHz接收机内的肖特基二极管次谐波混频器下

变频后恢复出IF信号。IF信号输出功率为-30dBm,通过IF放大链路后,其输出功率放大为一0.5dBm,以满足示波器的采样电平需求。宽带示波器DP071254B对IF信号进行采样,生成采样文件,

并将其传输到计算机进行软件解调和解码,恢复出

原始数据文件。

140

GHz发射机/接收机的系统框图如图3所

示,其核心为基于肖特基二极管的140GHz二次谐波混频器,该混频器本振信号LO为64.8GHz,可

dBm。发射端和接收端所用天线为25

第9期

Ka奉振LO输入

i}◇j}因墨连卜侈#场

王成等:140GHz高速无线通信技术研究

14nnH,M,

13;H.1374GHz.

65GHz倍频器

65

GHz放人器67

GHz带通滤波器

I毒温是警器

170

低130噪-卢lc。放}G人H器z

OHz㈣

中频信号IF输H{

4.2—7.HGHz.-5dBm

(b)接收机

图3140GHz发射机和接收机

实现3~10GHz的中频IF信号到RF

132.6~139.6

线如图4(b)所示,IF输入功率为-30dBm,从测试结果可以看出,直连通道增益大于0

dB。

GHz频段的频谱搬移。发射机/接收机64.8GHz本振信号由外部输入的32.4GHz本振信号经过倍频放大得到,本振源的杂散、相位噪声和频率稳定性能对整体系统性能起到了非常重要的影响。由于次谐波混频器j二变频会产生上下边带信号,故使用137GHz带通滤波器实现发射机下边带抑制,抑制度大于40dB。发射机整体上变频增益为2dB,接收机整体下变频增益为一2dB。发射机最大输出功率为0

天线噪声温度假定为290K,放大器噪声系数为6dB,次谐波混频器DSB噪声温度为600K,在考虑尤源器件损耗的情况下,计算得到接收机噪声温度为2200K。以135.4GHz中心频率、3.6

GHz

带宽计算,0.5m无线通信链路的链路性能如表1所示。

表1项日

工作频段输出功率

天线有效全向辐射功率空间链路整体损耗接收端载噪比接收通道IF输出功率

O.5

dBm(实际应用回退至一3dBm),由140GHz固态

LNA获得。

发射机和接收机所需的32.4GHz本振由Ka本振和中频处理模块给出。该模块基于锁相倍频技术实现,初始信号由100MHzOCXO参考晶振锁定的15.625-16.875GHz锁相环PLL给出,经过二

in无线通信实验链路性能

数值

133.8~137.4GHz

一3dBm

22

dBm

倍频、放大、滤波后获得Ka频段(31.25-33.75GHz)

本振信号。该模块的第2个作用是提供中频放大链路,发射端IF放大链路最大增益为27dB,接收端IF放大链路最大增益为57

dB。

一21dB45.6dB一26dBm

本系统使用了16QAM高阶调制方式来实现10Gbps高速数据通信,由于信道的幅相均衡性能对

16

实测结果显示,接收端中频输出功率为-26.5dBm,与计算结果符合得较好。图5所示为宽带示波器DP071254B采样得到的接收IF信号波形和频谱,采样速率为50Gsps,采样长度为20M采样点。发射端单帧数据大小为2Mbit,发射重复频率为5kHz,带宽3.6GHz,传输码率达10Gbps。

通过软件16QAM解调后得到的信号星座图如图6所示。从星座图上可以看出,经过信道均衡之

QAM高阶调制解调的影响十分显著,所以需要

结合使用信道失真特性补偿和信源编码以有效降低系统误码率。信道失真特性补偿由16QAM软件解

调程序内的均衡算法实现,信源编码采用RS(204,188)编码。

3实验结果

140

GHz发射机的输出功率测试曲线如图4(a)

后,依然存在约le-4的比特误码率,经过RS(204.188)译码之后,比特错误均被纠正,解调图片无比

特误码。重复实验结果显示,系统传输误码率小于

1e一6。

所示,在-5dBm的IF信号输入下,RF输出功率达至lJ-3dBm,发射机上变频增益为2dB,饱和输出功率达到0dBm。将发射机和接收机直连,通过矢量网络分析仪获得直连通道的小信号增益测试曲

按照Liebe等人【13】的电磁波大气传输研究成果,

在140GHz大气窗口、101.3kPa大气压、在空气

万方数据

电子与信息学报第33卷

fGHzl

(GHz)

fhl发射机_时女l|5[机“连小信oj垧益

a1发射机最大输Ⅲ功车

图4发射机输出功率和直连小信号增益测试曲线

n}采样什≈时域波形(1n采样衍0频卅

图5IF采样信号时域波形和频谱

05

in

10

Gbps无线数据传输实验和高清视频传输

实验。根据实验测试数据和理论公式推算,该系统

在使用高增益天线的情况下,可以实现1.5km的

10

-5

5-5

Gbps无线传输。

参考文献

5-5o5

幅度(01v,出v)幅度(01V/div)

扣埔帅撕瑚妯刚“旧妣翮跳阿‘鲁揪畜

图6解调星座圈

幅度(01V/div】

【1】

Wells

JFasterthanfiberthefutureof

multi—Gb/s

wireless

IEEEMicrowaveMagazine,2009,lD(3):104—122

【2】Dyaflyuk

V,BunionJ

D,PathiktdangaraJ,et

communication

aiA

multi西gabit

millimeter—wave

systemwith

On

相对湿度25%以下,大气传输损耗小于1dB/km。若发射端和接收端均使用51dB增益环焦天线,考虑到器件损耗和其他因素,最后计算到在1

5km距

improvedspectralefficiency.IEEE

Transactions

MocrowaveTheory

and

Techniques,2007,55(12):2813—2821

【3】

KukutsuT,HirataA,KosugiT,etaL

using

10-Gbit/s

wireless

离上的接收载噪比为31.7dB,满足数字解调的需要,在当前系统基础上可以实现l_5km无线通信。

在该系统基础上,我们还进行了高清视频传输实验,传输频点为137.75GHz,高清视频码流数率为40Mbps,采用QPSK调制和MPEG一2编码,结

果显示图像质量清晰。

transmissionsystemsMMICtechnologies

120-GHz—bandphotodiodeand

CompoundSemiconductorIntegrated

11—14,2009:卜4at

MM—w&ve

CircuitSymposium,Greensboro,NC,Oct

[4】

KosugiT,HirataA,NagatsumaT,et

long-rangewireless

systemsIEEEMicrowaveMagazine,2009

10f21:68—76

4结束语

本文基于对现有太赫兹高速无线传输系统的分

【51

Hirata

A,YamaguchiR,KosugiT,etaL

10-Gbit/s

wireless

linkusingInPHEMTMMICsforgenerating120-GHz-band

IEEE

Transactions

millimeter-wavesignal

on胁crowat_ff

析,提出了基于肖特基二极管混频技术和高速数字

调制解调技术的140GHz无线通信系统。描述了系统原理和具体实现架构,并在该系统基础上实现了

【6】

TheOry

Jastrow

and

Techniques,2009,57(5)1102一1109

300

C,MunterK,PiesiewiczR,etaLGHzchannel

measurementandtransmission

system38rdInternational

万方数据

第9期

王成等:140GHz高速无线通信技术研究

2267

Conference

on

Infared,MillimeterandTerahertzWaves,

Pasadena,CA,Sept.15—19,2008:1—2.

Thomas

B,MaestriniA,Gill

J,et

aL.A

broadband835—900-GHzfundamental

balanced

mixer

based

on

monolithicGaAs

membrane

Schottky

diodes.IEEE

Transactions

on

Microwave

Theoryand

Techniques,2010,

58(7):1917—1924.

RadisicV,LeongK

MKH,MeiXiaobing,eta1..A50mW

220GHzpoweramplifier

module.IEEEMTT—SInternational

MicrowaveSymposiumDigest(MTT),Anaheim,CA,uSA,May23—28,2010:45—48.

KalIfass

I.,Ibsmann

A,MasslerH,eta1..An

a11.active

MMIC.basedchip

set

fora

wideband260—304G}Hzreceiver.

Proceedingsof

the

5th

European

Microwave

Integrated

Circuits

Conference,Paris,nanee,Sept.27—28,2010:53—56.

【1o】

LaskinE,ChevalierP,ChantreA,eta1..165一GHztransceiver

in

SiGe

technology.膪EEJournal吖Solid-State

Circuits,

2008,43(5):1087一l100.

【11】

LaskinE,TangKW,Yau

KHK,eta1..170-GHztransceiverwith

on—chip

antennas

in

SiGe

technology.IEEE

Radio

万方数据

Fi'equency

IntegratedCircuitsSymposium,Atlanta,GA,

2008:637—640.

【12】Laskin

E,Chevalier

P’Sautreuil

B,et

aL.A140-GHz

double-sidebandtransceiverwithamplitude

andfrequency

modulation

operating

over

fewmeters.IEEE

Bipolar/Bi

CMOSCircuitandTechnologyMeeting,Capri,Italy,Oct.

12—14.2009:178.

[13】LiebeHJandLaytonDH.Millimeter-wavepropertiesoftheatmosphere:laboratory

studiesandpropagationmodeling.

NTIAReport.1987:87—224.

王成:男,1987年生,硕上生,研究方向为太赫兹通信、毫米波太赫兹固态器件.

林长星:

男,1986年生,博士生,研究方向为太赫兹通信、数字调制解调算法、高速实时信号处理硬件设计.

邓贤进:

男,1973年生,助理研究员,研究方向为电磁场理论、微波技术、收发信道系统技术、通信系统技术研究等.

肖仕伟:

男,1972年生,研究员,研究方向为电磁场理论、微波技术、收发信道系统技术、通信系统技术研究等.

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