CN106603156A - 基于极化编码的太赫兹数字通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于极化编码的太赫兹数字通信系统及方法。所述系统根据待传输的数字信号分别控制两个脉冲太赫兹源，两个脉冲太赫兹源分别在信号为0和1的时刻生成脉冲信号，然后将两个信号各自通过偏振单元形成线偏振信号且偏振方向正交，两路线偏振信号通过偏振分束器合成一路信号后进行发射，接收端接收信号后通过偏振分束器还原成两路信号，再通过太赫兹探测器分别解调出信号0和信号1完成数据传输。本发明具有不占带宽资源，直接快速调制，实现简单的优点，是对现有的太赫兹通信方案的一种全新的补充。通信的速率由脉冲太赫兹源的速率决定，脉冲太赫兹源的脉冲瞬时能量高，功率可以做得比较大，抗衰减能力比连续波要强。

Description

基于极化编码的太赫兹数字通信系统及方法
技术领域
本发明通信领域，特别是涉及一种基于极化编码的太赫兹数字通信系统，还涉及一种基于极化编码的太赫兹数字通信方法。
背景技术
对未被分配的空闲频谱资源的需求增长，将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹(THz)频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率，以满足高传输速率的需求。大量的研究表明，太赫兹通信技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比，具有很多的优点，比如说传输速率高、方向性好、安全性高、散射小，以及穿透性好等。
目前，太赫兹通信的编码方案主要有(ASK,OOK)二元调制方式以及(MQAM,MPSK)多元正交调制。二元调制方式虽然实现简单，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等高阶调制方式虽然效率比二元调制高，但是实现复杂，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。
发明内容
基于此，有必要针对现有的太赫兹通信的编码方案占用的带宽较高的问题，提供一种新型的基于极化编码的太赫兹数字通信系统。
一种基于极化编码的太赫兹数字通信系统，包括信号发射端和信号接收端，所述信号发射端包括：数字信号生成单元，用于根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；第一脉冲太赫兹源，用于接收所述数字信号，并在数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号；第二脉冲太赫兹源，用于接收所述数字信号，并在数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号；第一偏振单元，用于将从第一脉冲太赫兹源出射的第一太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至第一偏振分束器；第二偏振单元，用于将从第二脉冲太赫兹源出射的第二太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至所述第一偏振分束器；所述第一太赫兹信号转化成的线偏振信号与所述第二太赫兹信号转化成的线偏振信号的偏振方向形成正交；所述第一偏振分束器，用于将两路线偏振信号合成一路信号后出射给发射单元；所述发射单元，用于将信号进行发射；所述信号接收端包括：接收单元，用于接收发射单元发射的信号；第二偏振分束器，用于将接收单元接收到的信号还原成两路太赫兹信号，分别对应第一太赫兹信号和第二太赫兹信号；第一太赫兹探测器，设置在所述第二偏振分束器对应第一太赫兹信号的一路信号的出射路线上，在接收到太赫兹信号时生成响应并传输给解调单元；第二太赫兹探测器，设置在所述第二偏振分束器对应第二太赫兹信号的一路信号的出射路线上，在接收到太赫兹信号时生成响应并传输给所述解调单元；所述解调单元，在接收到第一太赫兹探测器的响应时解调出信号0，在接收到第二太赫兹探测器的响应时解调出信号1。
在其中一个实施例中，所述第一偏振分束器用于将两路线偏振信号中的一路进行反射、另一路进行透射后合成一路信号，所述第二偏振分束器对接收单元接收到的信号中相互正交的成分分别进行反射和透射，从而还原成两路太赫兹信号。
在其中一个实施例中，所述第一偏振分束器是将第一太赫兹信号的线偏振信号进行反射、将第二太赫兹信号的线偏振信号进行透射，所述第二偏振分束器是将第一太赫兹信号的成分进行反射、将第二太赫兹信号的成分进行透射，所述第一太赫兹探测器为第二偏振分束器的反射路的探测器，所述第二太赫兹探测器为第二偏振分束器的透射路的探测器。
在其中一个实施例中，所述发射单元包括聚焦透镜。
在其中一个实施例中，所述接收单元包括聚焦透镜。
还有必要提供一种基于极化编码的太赫兹数字通信方法。
一种基于极化编码的太赫兹数字通信方法，包括：根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；在所述数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号、在所述数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号；将第一太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至第一偏振分束器；将第二太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至所述第一偏振分束器；所述第一太赫兹信号转化成的线偏振信号与所述第二太赫兹信号转化成的线偏振信号的偏振方向形成正交；所述第一偏振分束器将两路线偏振信号合成一路信号后进行信号的发射；接收端接收发射的信号，并通过第二偏振分束器将接收到的信号还原成两路太赫兹信号，分别对应第一太赫兹信号和第二太赫兹信号；通过设置在所述第二偏振分束器对应第一太赫兹信号的一路信号的出射路线上的第一太赫兹探测器进行信号探测，并在探测到太赫兹信号时生成响应；通过设置在所述第二偏振分束器对应第二太赫兹信号的一路信号的出射路线上的第二太赫兹探测器进行信号探测，并在探测到太赫兹信号时生成响应；每当第一太赫兹探测器生成响应时解调出信号0，每当第二太赫兹探测器生成响应时解调出信号1。
在其中一个实施例中，所述在所述数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号的步骤是通过第一脉冲太赫兹源发射第一太赫兹信号，所述在所述数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号的步骤是通过第二脉冲太赫兹源发射第二太赫兹信号。
在其中一个实施例中，所述第一偏振分束器将两路线偏振信号合成一路信号后进行信号的发射的步骤，是使信号通过第一聚焦透镜后再发射；所述接收端接收发射的信号的步骤，包括通过第二聚焦透镜将接收到信号聚焦到所述第二偏振分束器上。
在其中一个实施例中，所述第一偏振分束器将两路线偏振信号合成一路信号后进行信号的发射的步骤中，所述第一偏振分束器将两路线偏振信号中的一路进行反射、另一路进行透射后合成一路信号，所述通过第二偏振分束器将接收到的信号还原成两路太赫兹信号的步骤中，所述第二偏振分束器将所述接收到的信号中相互正交的成分分别进行反射和透射，从而还原成两路太赫兹信号。
在其中一个实施例中，所述第一偏振分束器是将第一太赫兹信号的线偏振信号进行反射、将第二太赫兹信号的线偏振信号进行透射，所述第二偏振分束器是将第一太赫兹信号的成分进行反射、将第二太赫兹信号的成分进行透射，所述第一太赫兹探测器为第二偏振分束器的反射路的探测器，所述第二太赫兹探测器为第二偏振分束器的透射路的探测器。
上述基于极化编码的太赫兹数字通信系统，具有不占带宽资源，直接快速调制，实现简单的优点，是对现有的太赫兹通信方案的一种全新的补充。通信的速率由脉冲太赫兹源的速率决定，脉冲太赫兹源的脉冲瞬时能量高，功率可以做得比较大，抗衰减能力比连续波要强。
附图说明
图1是一实施例中基于极化编码的太赫兹数字通信系统的结构示意图；
图2是一实施例中基于极化编码的太赫兹数字通信方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1是一实施例中基于极化编码的太赫兹数字通信系统的结构示意图，包括信号发射端100和信号接收端200，其中信号发射端100包括数字信号生成单元110、第一脉冲太赫兹源122、第二脉冲太赫兹源124、第一偏振单元132、第二偏振单元134、第一偏振分束器140及发射单元150。
上述基于极化编码的太赫兹数字通信系统进行通信时，首先由数字信号生成单元110根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号。第一脉冲太赫兹源122和第二脉冲太赫兹源124产生的脉冲受该数字信号控制：第一脉冲太赫兹源122在数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号，经过第一偏振单元132转化为线偏振信号后出射至第一偏振分束器140；第二脉冲太赫兹源124在数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号，经过第二偏振单元134转化为线偏振信号后同样出射至第一偏振分束器140。其中第一太赫兹信号转化成的线偏振信号与第二太赫兹信号转化成的线偏振信号的偏振方向形成正交(例如第一太赫兹信号的角度为90度，第二太赫兹信号的角度为0度)。第一偏振分束器140将两路正交的线偏振信号合成一路太赫兹信号后出射给发射单元150，由发射单元150将太赫兹信号发射进入传播路径。
信号接收端200包括接收单元250、第二偏振分束器240、第一太赫兹探测器232、第二太赫兹探测器234、以及解调单元220。
太赫兹信号经传播路径到达信号接收端200，由接收单元250接收后传输至第二偏振分束器240。第二偏振分束器240将信号还原成两路太赫兹信号，这两路信号分别对应第一太赫兹信号和第二太赫兹信号。在第二偏振分束器240对应第一太赫兹信号的一路信号的出射路线上设置有第一太赫兹探测器232，在第二偏振分束器240对应第二太赫兹信号的一路信号的出射路线上设置有第二太赫兹探测器234，它们各自在接收到太赫兹信号时生成响应并传输给解调单元220。解调单元220在接收到第一太赫兹探测器232的响应时解调出信号0，在接收到第二太赫兹探测器234的响应时解调出信号1。在一个实施例中，第一太赫兹探测器232和第二太赫兹探测器234为采用肖特基势垒二极管(SBD)的探测器。
上述基于极化编码的太赫兹数字通信系统，具有不占带宽资源，直接快速调制，实现简单的优点，是对现有的太赫兹通信方案的一种全新的补充。用数字信号直接调制的脉冲太赫兹源作为通信的发射源，通信的速率由脉冲太赫兹源的速率决定。由于脉冲太赫兹源的脉冲瞬时能量高，发射单元150的发射功率可以做得比较大，抗衰减能力比连续波要强。
在一个实施例中，第一偏振单元132和第二偏振单元134为偏振片。
在一个实施例中，发射单元150包括聚焦透镜150，将第一偏振分束器140出射的信号进行一个收束后再导入传播空间中。接收单元250同样设置有聚焦透镜，通过聚焦透镜对信号进行收集后传输至第二偏振分束器240。
参见图1，第一偏振分束器140是将两路线偏振信号中的一路进行反射、另一路进行透射后合成一路信号，第二偏振分束器240对接收单元250接收到的信号中相互正交的成分分别进行反射和透射，从而还原成两路太赫兹信号。
在图1所示实施例中，第一偏振分束器140是将第一太赫兹信号的线偏振信号进行反射，将第二太赫兹信号的线偏振信号进行透射；第二偏振分束器240是将接收到的信号中第一太赫兹信号的成分进行反射、将第二太赫兹信号的成分进行透射。第一太赫兹探测器232设置于第二偏振分束器240的反射路，第二太赫兹探测器234为设置于第二偏振分束器240的透射路。
图2是一实施例中基于极化编码的太赫兹数字通信方法的流程图，包括下列步骤：
S110，根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号。
如果待传输的数据本身就为数字信号，则可以直接使用。
S120，在数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号，数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号。
在本实施例中，是设置两个脉冲太赫兹源，根据该数字信号分别控制这两个脉冲太赫兹源生成的脉冲信号，其中第一脉冲太赫兹源生成信号的时刻为数字信号为0的各时刻，第二脉冲太赫兹源生成信号的时刻为数字信号为1的各时刻。
S130，将第一太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至第一偏振分束器。
S140，将第二太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至第一偏振分束器。
第一太赫兹信号转化成的线偏振信号与第二太赫兹信号转化成的线偏振信号的偏振方向形成正交。在本实施例中，是在第一、第二脉冲太赫兹源的信号出射路线上分别设置偏振片，第一、第二太赫兹信号分别通过各自的偏振片后汇入第一偏振分束器。
S150，第一偏振分束器将两路线偏振信号合成一路信号后进行信号的发射。
步骤S110～S150是信号发射端执行的步骤。在一个实施例中，使信号通过第一聚焦透镜后发射至太赫兹信号的传播空间中。
S160，接收端接收发射的信号，并通过第二偏振分束器将接收到的信号还原成两路太赫兹信号。
在一个实施例中，是通过第二聚焦透镜将接收到信号聚焦到第二偏振分束器上。
S170，通过第一、第二太赫兹探测器进行信号探测，并在探测到太赫兹信号时生成响应。
通过设置在第二偏振分束器对应第一太赫兹信号的一路信号的出射路线上的第一太赫兹探测器进行信号探测，并在探测到太赫兹信号时生成响应。通过设置在第二偏振分束器对应第二太赫兹信号的一路信号的出射路线上的第二太赫兹探测器进行信号探测，并在探测到太赫兹信号时生成响应。
S180，每当第一太赫兹探测器生成响应时解调出信号0，每当第二太赫兹探测器生成响应时解调出信号1。
步骤S160～S180是信号接收端执行的步骤。
在一个实施例中，步骤S150是由第一偏振分束器将两路线偏振信号中的一路进行反射、另一路进行透射后合成一路信号。步骤S160是由第二偏振分束器将接收到的信号中相互正交的成分分别进行反射和透射，从而还原成两路太赫兹信号。
在一个实施例中，步骤S150是由第一偏振分束器将第一太赫兹信号的线偏振信号进行反射、将第二太赫兹信号的线偏振信号进行透射。步骤S160是由第二偏振分束器将第一太赫兹信号的成分进行反射、将第二太赫兹信号的成分进行透射。第一太赫兹探测器为第二偏振分束器的反射路的探测器，第二太赫兹探测器为第二偏振分束器的透射路的探测器。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于极化编码的太赫兹数字通信系统，包括信号发射端和信号接收端，其特征在于，所述信号发射端包括：
数字信号生成单元，用于根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；
第一脉冲太赫兹源，用于接收所述数字信号，并在数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号；
第二脉冲太赫兹源，用于接收所述数字信号，并在数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号；
第一偏振单元，用于将从第一脉冲太赫兹源出射的第一太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至第一偏振分束器；
第二偏振单元，用于将从第二脉冲太赫兹源出射的第二太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至所述第一偏振分束器；所述第一太赫兹信号转化成的线偏振信号与所述第二太赫兹信号转化成的线偏振信号的偏振方向形成正交；
所述第一偏振分束器，用于将两路线偏振信号合成一路信号后出射给发射单元；
所述发射单元，用于将信号进行发射；
所述信号接收端包括：
接收单元，用于接收发射单元发射的信号；
第二偏振分束器，用于将接收单元接收到的信号还原成两路太赫兹信号，分别对应第一太赫兹信号和第二太赫兹信号；
第一太赫兹探测器，设置在所述第二偏振分束器对应第一太赫兹信号的一路信号的出射路线上，在接收到太赫兹信号时生成响应并传输给解调单元；
第二太赫兹探测器，设置在所述第二偏振分束器对应第二太赫兹信号的一路信号的出射路线上，在接收到太赫兹信号时生成响应并传输给所述解调单元；
所述解调单元，在接收到第一太赫兹探测器的响应时解调出信号0，在接收到第二太赫兹探测器的响应时解调出信号1。
2.根据权利要求1所述的基于极化编码的太赫兹数字通信系统，其特征在于，所述第一偏振分束器用于将两路线偏振信号中的一路进行反射、另一路进行透射后合成一路信号，所述第二偏振分束器对接收单元接收到的信号中相互正交的成分分别进行反射和透射，从而还原成两路太赫兹信号。
3.根据权利要求2所述的基于极化编码的太赫兹数字通信系统，其特征在于，所述第一偏振分束器是将第一太赫兹信号的线偏振信号进行反射、将第二太赫兹信号的线偏振信号进行透射，所述第二偏振分束器是将第一太赫兹信号的成分进行反射、将第二太赫兹信号的成分进行透射，所述第一太赫兹探测器为第二偏振分束器的反射路的探测器，所述第二太赫兹探测器为第二偏振分束器的透射路的探测器。
4.根据权利要求1所述的基于极化编码的太赫兹数字通信系统，其特征在于，所述发射单元包括聚焦透镜。
5.根据权利要求1所述的基于极化编码的太赫兹数字通信系统，其特征在于，所述接收单元包括聚焦透镜。
6.一种基于极化编码的太赫兹数字通信方法，包括：
根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；
在所述数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号、在所述数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号；
将第一太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至第一偏振分束器；
将第二太赫兹信号转化为线偏振信号后出射至所述第一偏振分束器；所述第一太赫兹信号转化成的线偏振信号与所述第二太赫兹信号转化成的线偏振信号的偏振方向形成正交；
所述第一偏振分束器将两路线偏振信号合成一路信号后进行信号的发射；
接收端接收发射的信号，并通过第二偏振分束器将接收到的信号还原成两路太赫兹信号，分别对应第一太赫兹信号和第二太赫兹信号；
通过设置在所述第二偏振分束器对应第一太赫兹信号的一路信号的出射路线上的第一太赫兹探测器进行信号探测，并在探测到太赫兹信号时生成响应；
通过设置在所述第二偏振分束器对应第二太赫兹信号的一路信号的出射路线上的第二太赫兹探测器进行信号探测，并在探测到太赫兹信号时生成响应；
每当第一太赫兹探测器生成响应时解调出信号0，每当第二太赫兹探测器生成响应时解调出信号1。
7.根据权利要求6所述的基于极化编码的太赫兹数字通信方法，其特征在于，所述在所述数字信号为0的各时刻发射第一太赫兹信号的步骤是通过第一脉冲太赫兹源发射第一太赫兹信号，所述在所述数字信号为1的各时刻发射第二太赫兹信号的步骤是通过第二脉冲太赫兹源发射第二太赫兹信号。
8.根据权利要求6所述的基于极化编码的太赫兹数字通信方法，其特征在于，所述第一偏振分束器将两路线偏振信号合成一路信号后进行信号的发射的步骤，是使信号通过第一聚焦透镜后再发射；所述接收端接收发射的信号的步骤，包括通过第二聚焦透镜将接收到信号聚焦到所述第二偏振分束器上。
9.根据权利要求6所述的基于极化编码的太赫兹数字通信方法，其特征在于，所述第一偏振分束器将两路线偏振信号合成一路信号后进行信号的发射的步骤中，所述第一偏振分束器将两路线偏振信号中的一路进行反射、另一路进行透射后合成一路信号，所述通过第二偏振分束器将接收到的信号还原成两路太赫兹信号的步骤中，所述第二偏振分束器将所述接收到的信号中相互正交的成分分别进行反射和透射，从而还原成两路太赫兹信号。
10.根据权利要求9所述的基于极化编码的太赫兹数字通信方法，其特征在于，所述第一偏振分束器是将第一太赫兹信号的线偏振信号进行反射、将第二太赫兹信号的线偏振信号进行透射，所述第二偏振分束器是将第一太赫兹信号的成分进行反射、将第二太赫兹信号的成分进行透射，所述第一太赫兹探测器为第二偏振分束器的反射路的探测器，所述第二太赫兹探测器为第二偏振分束器的透射路的探测器。
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