CN109194447A - 太赫兹波的调制方法和无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹波的调制方法和无线通信系统。其中，太赫兹波的调制方法包括：根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；确定数字信号的发射周期；在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs‑1000fs。上述太赫兹波的调制方法，通过在太赫兹信道中传输飞秒级别的太赫兹短波，可以在实现超高速通信的同时，有效的降低信号间相互干扰的概率，另外，脉冲无线电信号和空信号交替发射的方式也提升了信号传输的准确性，有效的克服了太赫兹信道的路径衰减和时延拓展的特征。

Description

太赫兹波的调制方法和无线通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种太赫兹波的调制方法和太赫兹波的无线通信系统。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，现有的无线移动通信使用的300MHz至30GHz的微波频段已十分拥挤，限制了数据最大可实现的无线传输速率。最新的5G标准已正式采纳新的30GHz至300GHz的毫米波频谱，与毫米波频段紧邻的100GHz至10THz的太赫兹频段近年来也受到了来自学术界和工业的密切关注。大量研究表明，太赫兹通信技术在通信领域的应用与当今比较成熟微波通信和光纤通信相比，具有很多优点，比如传输速率高、方向性好、安全性高、散射小以及穿透性好等。

然而，太赫兹无线通信还具有路径衰减以及时延拓展的信道特征，这也成为了太赫兹无线通信技术中的难点，针对这两个技术难点，可用于实现太赫兹无线通信的低硬件复杂度的调制方法寥寥无几。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可以克服路径衰减和时延拓展的信道特征的太赫兹波的调制方法和太赫兹波的无线通信系统。

一种太赫兹波的调制方法，所述方法包括：

根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

确定数字信号的发射周期；

在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

在其中一个实施例中，数字信号的发射周期为脉冲无线电信号的脉宽的10-100倍。

在其中一个实施例中，脉冲无线电信号为单周期信号。

在其中一个实施例中，脉冲无线电信号的波形为高斯波的第一阶导数或升余弦波。

在其中一个实施例中，根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号之后，还包括以下步骤：将生成的数字信号中的每一位信号做加倍处理，以生成一组新的数字信号。

在其中一个实施例中，加倍处理后的数字信号的每一位信号重复1-10次，且每一位信号重复的次数相同。

一种太赫兹波的无线通信系统，包括信号发射端和信号接收端，其中，信号发射端包括：

数字信号生成模块，用于根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

发射周期确定模块，用于确定数字信号的发射周期；

信号发射模块，在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

在其中一个实施例中，太赫兹波的无线通信系统的信号接收端包括：

信号接收模块，用于接收脉冲无线电信号，

信号解调模块，用于将脉冲无线电信号解调为数字信号。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

确定数字信号的发射周期；

在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

确定数字信号的发射周期；

在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

上述太赫兹波的调制方法、无线通信系统、计算机设备和存储介质，通过将待传输的数据生成由0和1组成的数字信号，并确定该数字信号的发射周期，使该数字信号可以在发射周期的各个时刻分别发射飞秒级别的脉冲无线电信号或空信号，上述太赫兹波的调制方法，通过在太赫兹信道中传输飞秒级别的太赫兹短波，可以在实现超高速通信的同时，有效的降低信号间相互干扰的概率，另外，脉冲无线电信号和空信号交替发射的方式也提升了信号传输的准确性，有效的克服了太赫兹信道的路径衰减和时延拓展的特征。

附图说明

图1为一个实施例中太赫兹波的调制方法的应用场景图；

图2为一个实施例中太赫兹波的调制方法的流程示意图；

图3为一个实施例中太赫兹波的调制方法的波形示意图；

图4为一个实施例中脉冲无线电信号的时域图；

图5为一个实施例中脉冲无线电信号的频域图；

图6为一个实施例中太赫兹波的接入方法的波形示意图；

图7为一个实施例中太赫兹波的调制方法的流程示意图；

图8为一个实施例中太赫兹波的调制方法的波形示意图；

图9为一个实施例中太赫兹波的无线通信系统的结构框图；

图10为一个实施例中太赫兹波的无线通信系统的信号发射端的结构框图；

图11为一个实施例中太赫兹波的无线通信系统的信号接收端的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”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“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。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。

本申请提供的太赫兹波的调制方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，信号发射端102可以将模拟信号调制为由0和1组成的数字信号，继而，可以将这一组数字信号转换成具有一定发射周期的短时脉冲信号并通过天线发射出去。相应的，信号接收端104可以接收到这一序列的短时脉冲信号，并经过一定的信号滤波和信号解调后将发射出的脉冲信号解调为数字信号，从而获知信号中携带的信息。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种太赫兹波的调制方法，以该方法应用于图1中的信号发射端102为例进行说明，包括以下步骤：

步骤S202，根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号。

具体的，待传输的数据可以为模拟信号或数字信号，其中，如果待传输的数据为模拟信号，则需要将模拟信号转换为由0和1组成的数字信号；如果待传输的数据本身即是数字信号，则可以直接使用。

步骤S204，确定数字信号的发射周期。

其中，发射周期指的是同一组信号中两位信号之间的发射时间间隔，在本实施例中，一组数字信号中的相邻两位信号之间的时间间隔均是相同的，即为一个发射周期，并且，一组信号只能共用同一个发射周期。具体的，可以通过信号发射端确定出一组数字信号的发射周期，即发射周期可以进行人为设定。

步骤S206，在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号。

其中，脉冲无线电信号是一种无载波信号，并且，每一个脉冲无线电信号均为一个脉宽极短的脉冲波；空信号指的是信号发射端在应该发送信号的时间点未发射任何信号。具体的，信号发射端可以在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号。在本实施例中，信号发射端发射的脉冲无线电信号的脉宽均为飞秒级别，即脉宽在1fs-1000fs之间，于此相对应的是，该脉冲无线电信号的频率可达1-5THz,即达到太赫兹频段，因此，本实施例中的太赫兹波在调制后具有非常短的波长和非常高的传输速度，在同一时间段内，即使有其他脉冲波同在太赫兹信道中传播，信号之间相互干扰的概率也非常低。

进一步的，以信号发射端发射一组序列为“1101010”的数字信号为例进行说明，参照图3，从图3中可以看出，信号发射端可以在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，而在数字信号为0的各时刻发射空信号，其中，图中的“TP”标识指的是脉冲无线电信号的脉宽，“TF”标识指的是该组数字信号的发射周期。可以理解的是，图3仅为波形示意图，即在实际发射的太赫兹波中，数字信号的发射周期是远大于脉冲无线电信号的脉宽的。进一步参照图4和图5，图4和图5分别为其中一个脉冲无线电信号的时域图和频域图，从图中可以看出，该脉冲无线电信号的脉宽小于1ps，即小于1000fs，而频率最高可达4-5THz。

在同一时间段内，当有其他信号接入时，由于脉冲无线电信号的波长极短且速度极快，因此信号之间相互干扰的概率极低。参照图6，从图6中可以看出，由于两组信号发射的脉冲无线电信号的脉宽极窄，发射周期又远大于脉冲无线电信号的脉宽，因而，两个信号重叠的概率微乎其微，并且，两个信号也可以通过设置不同的脉宽和发射周期来避免超高速通信中的码间串扰，这样一来，信号接收端就可以通过脉冲无线电信号的波形特征以及发射周期准确的接收并解调出信号发射端发射的信号。

在本实施例中，在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号可以有效的降低信号发射端的功耗，其中，发射空信号还可以有效的避免太赫兹信道中的衰减效应和分子吸收效应，且不会对其他信号造成干扰，从而使信号传输的结果更加准确，另外，发射周期远大于脉冲无线电信号的脉宽，可以使相邻的两位信号之间的发射间隔大于太赫兹信道中的延迟拓展，使信号间不容易产生码间串扰。在硬件实现上，信号发射端无需传统的上变频、共用放大器和混频器等模块，而信号接收端也无需中频处理等模块，可以大大降低无线通信的设备的复杂度。

上述太赫兹波的调制方法，通过在太赫兹信道中传输飞秒级别的太赫兹短波，可以在实现超高速通信的同时，有效的降低信号间相互干扰的概率，另外，脉冲无线电信号和空信号交替发射的方式也提升了信号传输的准确性，有效的克服了太赫兹信道的路径衰减和时延拓展的特征。

在一个实施例中，数字信号的发射周期可以为脉冲无线电信号的脉宽的10-100倍。具体的，数字信号的发射周期优选为脉冲无线电信号的脉宽的50-100倍。在本实施例中，如果数字信号的发射周期过小，就会导致信号之间的时间间隔过短，从而导致在接收信号时出现因信道延迟扩展而产生的信号间干扰的现象，因此数字信号的发射周期应至少大于信号间的延迟扩展时长，以保证信号接收的准确性；如果数字信号的发射周期过长，则会使得太赫兹波的传输速率大为降低。因此，将数字信号的发射周期控制在脉冲无线电信号的脉宽的10-100倍之间是较为合适的。

在一个实施例中，脉冲无线电信号为单周期信号。其中，单周期信号指的是周期信号瞬时幅值随时间重复变化的信号，它的特点是在一个周期内的极值点不会超过两个且周期性特征明显。在本实施例中，在数字信号为1的各时刻发射的脉冲无线电信号均为单周期信号，且发射的一组数字信号中所有脉冲无线电信号的波形均是相同的。

在一个实施例中，脉冲无线电信号的波形为高斯波的第一阶导数或升余弦波。具体的，脉冲无线电信号的波形通常不会设置为正弦波或余弦波等较为简单的波形，因为简单的波形容易被破解或被信道中的其他波形所干扰，因此，在本实施例中，优选高斯波的第一阶导数或升余弦波作为脉冲无线电信号的传输波形。

在一个实施例中，如图7所示，根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号之后，还包括步骤S304：将生成的数字信号中的每一位信号做加倍处理，以生成一组新的数字信号。具体的，在进行数字信号的加倍处理时，首先要确定每一位信号的加倍倍数，然后在每一位信号的后面加上相应倍数的重复信号，例如，如图8所示，待传输的数字信号为“1011010”，且每一位信号的加倍倍数为3倍，则加倍处理后的数字信号应为“111000111111000111000”。在本实施例中，将每一位信号做加倍处理后，仍需按照设定的发射周期发射处理后的数字信号，在这种处理方式下，信号传输的速度会有所降低，但是信号接收端接收到的信号强度和信号准确率均会明显增强，同时，这种信号调制方法也会明显增加信号传输的距离，从而使信号传输距离达到上千米。

在一个实施例中，加倍处理后的数字信号的每一位信号可以重复1-10次，且每一位信号重复的次数相同。在本实施例中，进行加倍处理的数字信号，每一位信号加倍的倍数应相同且小于10倍。可以理解的是，数字信号加倍的倍数并没有严格的限制，一些情况下，数字信号也可以加倍10倍以上，但是加倍倍数达到一定的程度后，信号的接收强度和准确率不再很明显的增加，并且会影响到信号传输的速率，因此，本实施例优选的数字信号的加倍倍数为10倍以下。

应该理解的是，虽然图2和图7的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2和图7中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图9所示，提供了一种太赫兹波的无线通信系统，包括信号发射端410和信号接收端420，进一步如图10所示，信号发射端410包括数字信号生成模块411，发射周期确定模块412和信号发射模块413，其中：

数字信号生成模块411用于根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

发射周期确定模块412用于确定数字信号的发射周期；

信号发射模块413用于在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

在一个实施例中，太赫兹波的无线通信系统的信号接收端420包括信号接收模块421和信号解调模块422，其中：

信号接收模块421用于接收脉冲无线电信号，

信号解调模块422用于将脉冲无线电信号解调为数字信号。

在一个实施例中，数字信号的发射周期为脉冲无线电信号的脉宽的10-100倍。

在一个实施例中，脉冲无线电信号为单周期信号。

在一个实施例中，脉冲无线电信号的波形为高斯波的第一阶导数或升余弦波。

在一个实施例中，根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号之后，还包括以下步骤：将生成的数字信号中的每一位信号做加倍处理，以生成一组新的数字信号。

在一个实施例中，加倍处理后的数字信号的每一位信号重复1-10次，且每一位信号重复的次数相同。

关于太赫兹波的无线通信系统的具体限定可以参见上文中对于太赫兹波的调制方法的限定，在此不再赘述。上述太赫兹波的无线通信系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是信号发射器。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储待传输的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种太赫兹波的调制方法。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

确定数字信号的发射周期；

在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

数字信号的发射周期为脉冲无线电信号的脉宽的10-100倍。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

脉冲无线电信号为单周期信号。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

脉冲无线电信号的波形为高斯波的第一阶导数或升余弦波。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

将生成的数字信号中的每一位信号做加倍处理，以生成一组新的数字信号。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

加倍处理后的数字信号的每一位信号重复1-10次，且每一位信号重复的次数相同。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

确定数字信号的发射周期；

在数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

数字信号的发射周期为脉冲无线电信号的脉宽的10-100倍。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

脉冲无线电信号为单周期信号。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

脉冲无线电信号的波形为高斯波的第一阶导数或升余弦波。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

将生成的数字信号中的每一位信号做加倍处理，以生成一组新的数字信号。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

加倍处理后的数字信号的每一位信号重复1-10次，且每一位信号重复的次数相同。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

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)

1.一种太赫兹波的调制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

确定所述数字信号的发射周期；

在所述数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在所述数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，所述脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波的调制方法，其特征在于，所述数字信号的发射周期为所述脉冲无线电信号的脉宽的10-100倍。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波的调制方法，其特征在于，所述脉冲无线电信号为单周期信号。

4.根据权利要求3所述的太赫兹波的调制方法，其特征在于，所述脉冲无线电信号的波形为高斯波的第一阶导数或升余弦波。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波的调制方法，其特征在于，所述根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号之后，还包括以下步骤：

将生成的数字信号中的每一位信号做加倍处理，以生成一组新的数字信号。

6.根据权利要求5所述的太赫兹波的调制方法，其特征在于，所述加倍处理后的数字信号的每一位信号重复1-10次，且每一位信号重复的次数相同。

7.一种太赫兹波的无线通信系统，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：

数字信号生成模块，用于根据待传输的数据生成由0和1组成的数字信号；

发射周期确定模块，用于确定所述数字信号的发射周期；

信号发射模块，用于在所述数字信号为1的各时刻发射脉冲无线电信号，在所述数字信号为0的各时刻发射空信号；

其中，所述脉冲无线电信号的脉宽为1fs-1000fs。

8.根据权利要求7所述的太赫兹波的无线通信系统，其特征在于，所述信号接收端包括：

信号接收模块，用于接收所述脉冲无线电信号，

信号解调模块，用于将所述脉冲无线电信号解调为数字信号。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。