CN109951196A - 一种太赫兹多载波通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹多载波通信系统，该系统包括发射机和接收机；所述发射机包括发射机太赫兹天线、发射机太赫兹射频前端、发射机中频电路和发射机基带电路；所述接收机包括接收机太赫兹天线、接收机太赫兹射频前端、接收机中频电路和接收机基带电路；所述发射机基带电路包括N路DAC，所述接收机基带电路包括N路ADC；其中，N为大于等于2的正整数。本发明在前端电路部分进行了改进，将N路DAC信号搬移到不同的频带进行合路，再将合路后的信号搬移到太赫兹信道，即采用了多载波方式，最大限度地利用了太赫兹信道的频谱资源，在同样ADC采样率的情况下，通信速率为多载波系统的N倍，同时也大大提高了频谱资源的使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹通信技术领域，具体涉及一种太赫兹多载波通信系统。
背景技术
在电磁频谱家族中，频率在0.1THz至10THz范围的太赫兹(Terahertz，THz)波处在电子学和光子学研究频段之间的特殊位置。在科学技术的发展进程中，对这一频段的研究和开发利用曾受制于彼时科学研究手段和技术条件的限制而发展较晚，一度被称为电磁频谱中的“间隙”，对它的研究和技术开发仅局限在天体物理学和射电天文学领域中，在这些领域需要研究太赫兹频段的分子谱学(molecular spectroscopy)从而探索宇宙的物质构成。随着科学技术的进步，同时也正是由于太赫兹频段位置的特殊性以及对该频段的探索和利用相对较少，在最近二三十年来，在学术界甚至工业界都掀起了一股太赫兹科学与技术研究的热潮，众多科技前沿学科纷纷进入该研究处女地，使得太赫兹科学技术目前已成为国际学术界的一大热点研究领域。
根据Edholm的带宽定律，无线短距通信的带宽需求每18个月翻一番。未来无线通信的发展对带宽、容量、传输速率的需求可以说几乎是没有止境的，频谱资源是每个国家无形的战略资源，目前这个资源供求矛盾已十分突出，而且需求越来越急迫，这也就使人们将对新频率资源开发的目光转移到从前较少关注的太赫兹频段。
使用太赫兹频率进行无线通信最为显著的优势就是太赫兹频段大量存在的绝对带宽资源。在地面上，太赫兹无线通信就非常适合用于短距高速无线数据传输的应用场合，而在太空中，由于太赫兹波在近似真空环境中的衰减较小，因此使用太赫兹波进行大容量数据传输是卫星间组网进行星间通信的一种理想选择。
太赫兹通信除了具有上述大带宽的固有优势之外，还具有相较微波毫米波通信以及激光通信的一些优势。首先，太赫兹波比毫米波波长更短，衍射更小，因而方向性更强，同时太赫兹频段容易实现超高带宽扩频通信，这对保密通信具有重要意义。其次，在雨雾、雾霾、战场等恶劣环境条件下，相比光波，太赫兹波的衰减更小，因而在特定的通信距离、自然条件要求下，太赫兹波相较光波更易实现可靠的通信传输。
综上所述，太赫兹无线通信作为一个新兴的研究领域，不仅具有极高的学术价值，而且具有未来实际应用的广阔前景，这就是本文的选题意义和立题基础所在。之前较少利用太赫兹波来进行无线通信的最主要原因是，技术上缺乏实现无线通信系统所需的关键电路，因此，本文将对作为太赫兹无线通信技术重要组成的几项固态太赫兹关键技术开展深入研究，从核心电子器件建模、关键电路实现到系统集成应用研究全覆盖，为太赫兹科学技术的发展做出积极贡献。
目前基于半导体技术的固态太赫兹通信系统都是单载波方案，仅能实现单路数模转换器(DAC)到单路模数转换器(ADC)的信号处理工作，而受制于ADC的发展，目前商用ADC芯片的采样率最高只有10.25GSPS，单载波方案仅能使用太赫兹信道中一部分频谱资源，无法充分发挥太赫兹频带大带宽的优势，限制了太赫兹通信系统的通信速率，降低了频谱资源的使用效率。同时，在太赫兹频段，由于镜像抑制混频器的缺乏，通信系统通常采用普通的平衡混频器。但平衡混频器输出的信号有两个边带，分别为上边带和下边带。而在通信系统的实际应用中，同时接收上下两个边带是十分困难的，要求发射机和接收机同源。所以一般都会采用单边带传输，那么有效的滤除另一个边带，消除另一个边带带来的影响就成为了通信系统方案的难点。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种太赫兹多载波通信系统。
本发明通过下述技术方案实现：
一种太赫兹多载波通信系统，该系统包括发射机和接收机；在所述发射机中将N路DAC信号搬移到不同频段进行合路，再将合路后的信号搬移到太赫兹信道；在所述接收机中将太赫兹信号进行混频搬移至中频后分为N路信号，每一路信号经由各自的ADC分别进行处理；其中，N为大于等于2的正整数。
优选的，所述发射机包括发射机太赫兹天线、发射机太赫兹射频前端、发射机中频电路和发射机基带电路；所述发射机太赫兹射频前端包括发射机太赫兹分谐波混频器，所述发射机中频电路包括发射机多工器和发射机中频混频器，所述发射机基带电路包括N路DAC；N路DAC产生N路已调制信号输入到发射机中频电路，其中，一路信号直接进入多工器，另外N-1路信号经过各自的中频混频器进行频率搬移后再进入多工器，通过多工器将N路不同频段的已调制信号合路为一路宽带信号，输入到发射机太赫兹分谐波混频器进行混频搬移到太赫兹波段，经由发射机太赫兹天线发射至太赫兹信道内。
优选的，所述DAC产生的调制信号输入到发射机中频电路，先通过滤波器进行低通滤波，滤波后的信号其中一路直接进入多工器，另外N-1路经过各自的中频混频器进行频率搬移后进行带通滤波，再进入多工器。
优选的，所述接收机包括接收机太赫兹天线、接收机太赫兹射频前端、接收机中频电路和接收机基带电路；所述接收机太赫兹射频前端包括接收机太赫兹分谐波混频器，所述接收机中频电路包括中频放大器、滤波器、接收机多工器和接收机中频混频器，所述接收机基带电路包括N路ADC；其中，所述接收机太赫兹天线将信号接收至接收机太赫兹分谐波混频器进行混频后的中频进入中频放大器放大，再由滤波器进行低通滤波，滤波后的信号经过多工器分为N路，其中，一路信号直接进入ADC进行解调，另外N-1路信号经由各自的中频混频器变频后再分别进入各自的ADC进行解调。
优选的，N路信号进入ADC进行解调前还需要进行低通滤波，N-1路信号进入中频混频器变频之前还需要进行高通滤波。
优选的，所述发射机和接收机采用不同频率的本振信号驱动，发射机双边带发射后，接收机从下边带位置接收信号。
优选的，所述发射机和接收机中：分别由50MHz晶振信号经过锁相环电路，产生毫米波分别为中频混频器提供本振驱动，50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。
优选的，所述发射机太赫兹射频前端还包括发射机太赫兹带通滤波器，通过发射机太赫兹带通滤波器对混频器产生的双边带信号的无用边带进行滤除。
优选的，所述接收机太赫兹射频前端还包括接收机太赫兹带通滤波器，接收机太赫兹天线将信号接收至接收机太赫兹带通滤波器，对无用边带的信号进行滤除。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明在前端电路部分进行了改进，将多路(N≥2)DAC信号搬移到不同的频带进行合路，再将合路后的信号搬移到太赫兹信道，即采用了多载波方式，最大限度地利用了太赫兹信道的频谱资源，在同样ADC采样率的情况下，通信速率为多载波系统的N倍，同时也大大提高了频谱资源的使用效率。
2、本发明发射机和接收机采用不同频率的本振信号驱动，发射机双边带发射后，接收机从下边带位置接收信号，实现了单边带传输。本发明防止了上下两个边带信号发生混叠，同时也使得另一个边带的信号在中频部分可以得到有效的滤除。
3、本发明采用了边带抑制技术，即发射机的混频器后和接收机的混频器前增加太赫兹带通滤波器，对一个边带进行有效的抑制，本发明防止了两个边带同时发射所造成能量的浪费，同时也避免了信号信道资源的浪费。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的通信系统发射机。
图2为本发明实施例1的通信系统接收机。
图3为本发明实施例2的通信系统发射机。
图4为本发明实施例2的发射机通信原理示意图。
图5为本发明实施例2的通信系统接收机。
图6为本发明实施例2的接收机通信原理示意图。
图7为本发明实施例3的通信系统发射机。
图8为本发明实施例3的通信系统接收机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种太赫兹多载波通信系统，该系统包括发射机和接收机。本实施例在发射机中将N路DAC信号搬移到不同频带进行合路，再将合路后的信号搬移到太赫兹信道；N为大于等于2的正整数；同理在接收机中将经混频器混频搬移至中频后分成N路信号，每一路信号经由自个的ADC分别进行处理；即采用了多载波方式，最大限度地利用了太赫兹信号的频谱资源，在同样采样率的情况下，通信速率为单载波系统的N倍，同时也大大提高了频谱资源的使用效率。
如图1和2所示，所述发射机包括发射机太赫兹天线、发射机太赫兹射频前端、发射机中频电路和发射机基带电路；所述接收机包括接收机太赫兹天线、接收机太赫兹射频前端、接收机中频电路和接收机基带电路；所述发射机基带电路包括N路DAC，所述接收机基带电路包括N路ADC，其中，N为大于等于2的正整数。
本实施例中，所述发射机太赫兹射频前端包括发射机太赫兹分谐波混频器，所述发射机中频电路包括发射机多工器和N-1路发射机中频混频器；如图1所示。
本实施例中，所述发射机的工作过程如下：N路DAC产生N路已调制信号输入到中频电路，其中一路信号直接进入多工器，另外N-1路信号分别经过各自的中频混频器搬移到不同的频率后再进入多工器，多工器将N路不同频段的已调制信号合路为一路宽带信号，输入到太赫兹射频前端部分，中频宽带信号经过太赫兹分谐波混频器将信号搬移至太赫兹波段，经由太赫兹天线进行双边带发射，传输至太赫兹信道内。
本实施例中，所述发射机中频电路还包括：N路低通滤波器LPF和N-1路带通滤波器BPF；所述N路低通滤波器分别设置于N路DAC后端，所述N-1路带通滤波器分别设置于N-1路中频混频器与多工器之间；所述DAC产生的调制信号输入到发射机中频电路，先通过低通滤波器进行低通滤波，滤波后的信号其中第一路直接进入多工器，第2～N路经过各自的中频混频器进行频率搬移后进行带通滤波，再进入多工器。如图1所示。
本实施例中，图1中的低通滤波器(Low-Pass Filter,LPF)和带通滤波器(Band-Pass Filter,BPF)对无用信号进行有效的滤除，降低了系统的信杂比，保证了通信系统的正常工作。
本实施例中，所述发射机采用50MHz晶振信号经过锁相环电路(Phase LockedLoop,PLL)，产生毫米波信号为中频混频器提供本振驱动。其中50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器(Phase-locked Dielectric Resonator Oscillator,PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。
本实施例中，所述接收机太赫兹射频前端包括接收机太赫兹分谐波混频器，所述接收机中频电路包括中频噪声放大器、低通滤波器、接收机多工器和N-1路接收机中频混频器。如图2所示。
本实施例中，所述接收机的工作过程如下：太赫兹天线将信号接收至太赫兹分谐波混频器中进行混频，混频后的中频进入接收机中频双载波电路，依次通过中频放大器进行放大、通过低通滤波器滤掉无用边带信号；再经过多工器分为N路，一路直接进入ADC进行解调，其他N-1路经由各自的中频混频器变频至合适的频段再进入ADC分别进行解调。
本实施例中，所述接收机中频电路还包括N路低通滤波器LPF和N-1路高通滤波器HPF；所述N-1路高通滤波器分别设置于多工器与N-1路中频混频器之间；所述N路低通滤波器分别设置于N路ADC前端；N路信号进入ADC进行解调前还需要进行低通滤波，N-1路信号进入中频混频器变频之前还需要进行高通滤波。
本实施例中，图2中的低通滤波器(Low-Pass Filter,LPF)和高通滤波器(High-Pass Filter,HPF)对无用信号进行有效的滤除，降低了系统的信杂比，保证了通信系统的正常工作。
本实施例中，所述接收机采用50MHz晶振信号经过锁相环电路(Phase LockedLoop,PLL)，产生毫米波信号为中频混频器提供本振驱动。其中50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器(Phase-locked Dielectric Resonator Oscillator,PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。
本实施例通信系统采用了多载波(N载波)传输的方法，合理利用了太赫兹信道的频谱资源，在同样采样率的情况下，将通信速率提升了一倍，同时也提高了频谱资源的使用效率。
且为了实现单边带传输，本实施例的发射机和接收机采用不同频率的本振信号驱动，发射机双边带发射后，接收机从下边带位置接收信号，这种方式防止了上下两个边带信号发生混叠，同时也使得另一个边带的信号在中频部分可以得到有效的滤除。
实施例2
基于上述实施例1，本实施例2提出了一种太赫兹双载波通信系统，即N＝2时。
如图3和5所示，所述太赫兹双载波通信系统包括发射机和接收机，所述发射机包括发射机太赫兹天线、发射机太赫兹射频前端、发射机中频双载波电路和发射机基带电路；所述接收机包括接收机太赫兹天线、接收机太赫兹射频前端、接收机中频双载波电路和接收机基带电路。
发射机工作原理如图4所示。两路DAC分别产生两路已调制信号输入到中频双载波电路，其中一路信号经过中频混频器进行频率搬移，再经过双工器将两路不同频段的已调制信号合路为一路宽带信号，输入到太赫兹射频前端部分。中频宽带信号经过太赫兹分谐波混频器将信号搬移至太赫兹波段，经由太赫兹天线发射至太赫兹信道内。其中低通滤波器(Low-Pass Filter,LPF)和带通滤波器(Band-Pass Filter,BPF)对无用信号进行有效的滤除，降低了系统的信杂比，保证了通信系统的正常工作。其中50MHz晶振信号经过锁相环电路(Phase Locked Loop,PLL)，产生毫米波信号为中频混频器提供本振驱动。其中50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器(Phase-locked Dielectric Resonator Oscillator,PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。其中信号1’、信号2’为信号1、信号2的另一边带，其携带的信息相反。
类似的，接收机工作原理如图6所示。太赫兹天线将信号接收至混频器中，混频后的中频进入接收机中频双载波电路，通过滤波器滤掉无用信号。再经过双工器分为两路，一路直接进入ADC进行解调，另一路经由中频混频器变频至合适的频段再进入另一路ADC进行解调。其中低通滤波器(Low-Pass Filter,LPF)和高通滤波器(High-Pass Filter,HPF)对无用信号进行有效的滤除，降低了系统的信杂比，保证了通信系统的正常工作。其中50MHz晶振信号经过锁相环电路(Phase Locked Loop,PLL)，产生毫米波信号为中频混频器提供本振驱动。其中50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器(Phase-locked DielectricResonator Oscillator,PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。其中太赫兹天线将信号接收至混频器中，为了避免另一边带信号对有用信号的干扰，混频后的中频进入接收机中频双载波电路，通过低通滤波器滤掉信号1、信号2，保留信号1’、2’。
本实施例的通信系统中每一路信号都经过了两次反向变换，如DAC1产生的信号，在取下边带时做了一次反向变换，进入接收机中频混频器高本振混频后再次做了一次反向变换，及与初始信号同向，再进入ADC2解调时不用额外做算法处理，简化了基带算法。
实施例3
本实施例与上述实施例的区别在于：在发射机的混频器后后端和接收机的混频器前端增加太赫兹带通滤波器，对一个边带进行有效的抑制，如图7和图8所示。本实施例采用太赫兹带通滤波器，实现对一个边带的有效滤除，防止了两个边带同时发射所造成能量的浪费，同时也避免了信号信道资源的浪费。
本实施例中发射机的工作原理：多路DAC分别产生N路已调制信号输入到中频多载波电路，其中N-1路信号分别经过各自的中频混频器搬移到不同的频率，再经过多工器将N路不同频段的已调制信号合路为一路宽带信号，输入到太赫兹射频前端部分。中频宽带信号经过太赫兹分谐波混频器将信号搬移至太赫兹波段，经由太赫兹天线发射至太赫兹信道内。其中太赫兹带通滤波器对混频器产生的双边带信号的无用边带进行有效的滤除。其中低通滤波器(Low-Pass Filter,LPF)和带通滤波器(Band-Pass Filter,BPF)对无用信号进行有效的滤除，降低了系统的信杂比，保证了通信系统的正常工作。其中50MHz晶振信号经过锁相环电路(Phase Locked Loop,PLL)，产生毫米波信号为中频混频器提供本振驱动。其中50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器(Phase-locked Dielectric ResonatorOscillator,PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。
本实施例中接收机的工作原理：太赫兹天线将信号接收至太赫兹带通滤波器，对无用边带的信号进行进一步的滤除，防止无用信号影响接收机，滤除后的单边带信号进入太赫兹分谐波混频器中进行混频，混频后的中频进入接收机中频双载波电路，通过滤波器滤掉无用信号。再经过多工器分为N路，一路直接进入ADC进行解调，其他N-1路经由各自的中频混频器变频至合适的频段再进入ADC分别进行解调。其中低通滤波器(Low-PassFilter,LPF)和高通滤波器(High-Pass Filter,HPF)对无用信号进行有效的滤除，降低了系统的信杂比，保证了通信系统的正常工作。其中50MHz晶振信号经过锁相环电路(PhaseLocked Loop,PLL)，产生毫米波信号为中频混频器提供本振驱动。其中50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器(Phase-locked Dielectric Resonator Oscillator,PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，该系统包括发射机和接收机；在所述发射机中将N路DAC信号搬移到不同频段进行合路，再将合路后的信号搬移到太赫兹信道；在所述接收机中将太赫兹信号进行混频搬移至中频后分为N路信号，每一路信号经由各自的ADC分别进行处理；其中，N为大于等于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，所述发射机包括发射机太赫兹天线、发射机太赫兹射频前端、发射机中频电路和发射机基带电路；所述发射机太赫兹射频前端包括发射机太赫兹分谐波混频器，所述发射机中频电路包括发射机多工器和发射机中频混频器，所述发射机基带电路包括N路DAC；N路DAC产生N路已调制信号输入到发射机中频电路，其中，一路信号直接进入多工器，另外N-1路信号经过各自的中频混频器进行频率搬移后再进入多工器，通过多工器将N路不同频段的已调制信号合路为一路宽带信号，输入到发射机太赫兹分谐波混频器进行混频搬移到太赫兹波段，经由发射机太赫兹天线发射至太赫兹信道内。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，所述DAC产生的调制信号输入到发射机中频电路，先通过滤波器进行低通滤波，滤波后的信号其中一路直接进入多工器，另外N-1路经过各自的中频混频器进行频率搬移后进行带通滤波，再进入多工器。
4.根据权利要求2所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，所述接收机包括接收机太赫兹天线、接收机太赫兹射频前端、接收机中频电路和接收机基带电路；所述接收机太赫兹射频前端包括接收机太赫兹分谐波混频器，所述接收机中频电路包括中频放大器、滤波器、接收机多工器和接收机中频混频器，所述接收机基带电路包括N路ADC；其中，所述接收机太赫兹天线将信号接收至接收机太赫兹分谐波混频器进行混频后的中频进入中频放大器放大，再由滤波器进行低通滤波，滤波后的信号经过多工器分为N路，其中，一路信号直接进入ADC进行解调，另外N-1路信号经由各自的中频混频器变频后再分别进入各自的ADC进行解调。
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，N路信号进入ADC进行解调前还需要进行低通滤波，N-1路信号进入中频混频器变频之前还需要进行高通滤波。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，所述发射机和接收机采用不同频率的本振信号驱动，发射机双边带发射后，接收机从下边带位置接收信号。
7.根据权利要求6所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，所述发射机和接收机中：分别由50MHz晶振信号经过锁相环电路，产生毫米波分别为中频混频器提供本振驱动，50MHz晶振信号经过锁相介质振荡器与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。
8.根据权利要求6所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，所述发射机太赫兹射频前端还包括发射机太赫兹带通滤波器，通过发射机太赫兹带通滤波器对混频器产生的双边带信号的无用边带进行滤除。
9.根据权利要求8所述的一种太赫兹多载波通信系统，其特征在于，所述接收机太赫兹射频前端还包括接收机太赫兹带通滤波器，接收机太赫兹天线将信号接收至接收机太赫兹带通滤波器，对无用边带的信号进行滤除。
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