CN113472447B - 一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法，利用里德堡原子对太赫兹波和光波的相干转换，将太赫兹频率调制的数字通信编码，通过里德堡原子的量子效应转化为探测光的强度调制信号，通过对该信号解调，可以获得太赫兹频率调制的FSK编码信息，从而实现了太赫兹通信技术；不受原子体系量子测量极限的限制，提高了信道容量。本发明传输的信号处于太赫兹频段。此外本发明既可通过幅值调制也可通过频率调制来进行信息的传递。

Description

一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法
技术领域
本发明实施例涉及太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法。
背景技术
传统光载无线通信系统将基带信号调制至射频载波上，再利用电光晶体实现射频信号对光波的调制，从而间接地实现基带信号对光波的调制，通过光纤传输已调制光波，最后对已调制光波进行解调来获得基带信号。2012年，美国Oklahoma大学的Shaffer研究组与德国Stuttgart大学的Pfau研究组合作首次利用热里德堡原子EIT和AT分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量，测到的最小电场强度为8μVcm-1，灵敏度为30μVcm-1HZ-1/2。2018年新西兰Otago大学的Deb研究组利用热原子EIT-AT分裂现象进行了光载无线通信的演示实验，其信道带宽约为1MHz。同年，新加坡国立大学的李文辉研究组首次通过里德堡原子的六波混频过程实现了从微波到光波的相干转换，转换带宽约6MHz，且转换过程不受强度限制，原理上可工作在微波单光子的水平。
目前，实验测量和理论分析表明，传统光载无线通信系统需要复杂的电路连接和滤波放大阶段，并且热噪声较大。而基于热原子EIT-AT分裂现象的光载无线通信系统的信道容量受激光功率、激光线宽、渡越展宽、散粒噪声、原子数密度以及里德堡原子退相干等因素限制；并且该通信只能通过幅度调制进行，无法通过相位调制进行信息的传输。
发明内容
本发明实施例提供一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法，解决了现有技术中通信只能通过幅度调制进行，无法通过相位调制进行信息的传输的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种基于原子的太赫兹接收机通信系统，包括：
微波源，用于产生微波信号；
信号发生器，用于产生TTL信号，并将所述TTL信号调制至所述微波信号，以使所述微波信号发生频率跳变；
太赫兹倍频源，用于将所述微波信号的频率放大至太赫兹频段；
铯泡，用于将太赫兹倍频源调制后得到的太赫兹波转化为可探测的光波；
光电探测器，用于接收所述光波；
锁相放大器，用于接收所述TTL信号和所述光波，并基于所述TTL信号对所述光波进行解调，获得太赫兹频率调制的频移键控FSK编码信息。
作为优选的，所述信号发生器具体用于产生TTL信号，并将所述TTL信号分别发送至所述微波源和所述锁相放大器，以使所述TTL信号对微波源产生的微波信号进行调制，使得所述微波信号的频率幅值随TTL信号的变化而变化，完成对微波信号的调制。
作为优选的，所述铯泡为充有铯原子气体的石英玻璃泡。
作为优选的，所述太赫兹倍频源的放大倍数为32倍。
第二方面，本发明实施例提供一种基于原子的太赫兹接收机通信方法，包括：
发射端基于TTL信号对微波信号进行调制，以使所述微波信号发生频率跳变；将所述微波信号的频率放大至太赫兹波段，并基于里德堡原子的量子效应方法将放大后得到的太赫兹波转换为可探测的光波；
接收端接受所述TTL信号和所述光波，并基于所述TTL信号对所述光波进行解调，获得太赫兹频率调制的频移键控FSK编码信息。
作为优选的，发射端基于TTL信号对微波信号进行调制，以使所述微波信号发生频率跳变；具体包括：
在基于微波源产生微波信号时，通过信号发生器产生TTL信号，并将所述TTL信号调制至所述微波信号，以使所述TTL信号对微波源产生的微波信号进行调制，使得所述微波信号的频率幅值随TTL信号的变化而变化，完成对微波信号的调制。
作为优选的，并基于里德堡原子的量子效应方法将放大后得到的太赫兹波转换为可探测的光波，具体包括：
将调制后得到的太赫兹波输入至铯泡，所述铯泡为充有铯原子气体的石英玻璃泡；
基于所述铯泡将太赫兹波转换为可探测的光波。
本发明实施例提供的一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法，利用里德堡原子对太赫兹波和光波的相干转换，将太赫兹频率调制的数字通信编码，通过里德堡原子的量子效应转化为探测光的强度调制信号，通过对该信号解调，可以获得太赫兹频率调制的FSK编码信息，从而实现了太赫兹通信技术；不受原子体系量子测量极限的限制，提高了信道容量。本发明传输的信号处于太赫兹频段。此外本发明既可通过幅值调制也可通过频率调制来进行信息的传递。
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为根据本发明实施例的基于原子的太赫兹接收机通信系统结构示意图；
图2为根据本发明实施例的里德堡原子的能级结构图。
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。
本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本申请实施例中的术语“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。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
传统光载无线通信系统需要复杂的电路连接和滤波放大阶段，并且热噪声较大。而基于热原子EIT-AT分裂现象的光载无线通信系统的信道容量受激光功率、激光线宽、渡越展宽、散粒噪声、原子数密度以及里德堡原子退相干等因素限制；并且该通信只能通过幅度调制进行，无法通过相位调制进行信息的传输。
因此，本发明实施例提供一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法，利用里德堡原子对太赫兹波和光波的相干转换，将太赫兹频率调制的数字通信编码，通过里德堡原子的量子效应转化为探测光的强度调制信号，通过对该信号解调，可以获得太赫兹频率调制的FSK编码信息，从而实现了太赫兹通信技术。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。
图1为根据本发明实施例提供的一种基于原子的太赫兹接收机通信系统，如图1中所示，包括信号发生器1、微波源2、太赫兹倍频源3、铯泡4、光电探测器5和锁相放大器6；其中，信号发生器1通过SMA线分别连接微波源2和锁相放大器6，微波源2通过SMA线连接太赫兹倍频源3，太赫兹倍频源3通过SMA线连接铯泡4，光电探测器5设于所述铯泡4发出的光路上，光电探测器5连接锁相放大器6，使用SMA线进行信息的传输，避免外部辐射源对信号的干扰，因而具有很好的电隔离且传输损耗低，在数百公里范围内无需放大，具有广阔的应用前景和科研价值。其中：
微波源2，用于产生微波信号；
信号发生器1，用于产生TTL信号，并将所述TTL信号调制至所述微波信号，以使所述微波信号发生频率跳变；
太赫兹倍频源3，用于将所述微波信号的频率放大至太赫兹频段；
铯泡4，用于将太赫兹倍频源3调制后得到的太赫兹波转化为可探测的光波；
光电探测器5，用于接收所述光波；
锁相放大器6，用于接收所述TTL信号和所述光波，并基于所述TTL信号对所述光波进行解调，获得太赫兹频率调制的频移键控FSK编码信息。
进行通信时，利用信号发生器1将TTL信号调制至微波，调制后的微波再经过太赫兹倍频源3，得到太赫兹波进入铯泡4。将太赫兹频率调制的数字通信编码，通过里德堡原子的量子效应转化为探测光的强度调制信号，通过锁相放大器6对该信号解调，可以获得太赫兹频率调制的FSK编码信息，最后完成通信。光电探测器5对已调光波进行接收，并利用锁相放大器6对信号进行解调，从而解调出相位φ’。
本发明实施例的方案结合了里德堡原子对太赫兹波和光波的相干转换，极大限度的避免了热噪声，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的通信；同时其接收灵敏度较高，高于现有的太赫兹通信信号接收2-3个数量级。其信道容量大，将自由空间传播与导频传播相结合，避免高频载波被衰减和反射，传输距离远大于现有通信技术。
具体的，香农公式：
Figure BDA0003067095200000051
其中，B是信道带宽(赫兹)，S是信道内所传信号的平均功率(瓦)，N是信道内部的高斯噪声功率(瓦)；可知当带宽越大，信噪比越高时，信道容量越大。因而采用基于里德堡原子对微波和光波的相干转换的接收天线大大提高了无线信道的信道容量，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的并行通信。
如图2所示为所述里德堡原子的能级结构图。在里德堡原子的能级中，12(6S1/2,F＝4)为铯原子的基态，14(6P3/2,F＝4)为铯原子的中间激发态，16(25S1/2)、17(25P3/2)分别为铯原子的里德堡态；13为波长852nm的探测光，15为波长515nm的耦合光，它们的作用是将原子的基态与里德堡态耦合；上述S、P和D表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。
在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述信号发生器1具体用于产生TTL信号，并将所述TTL信号分别发送至所述微波源2和所述锁相放大器6，以使所述TTL信号对微波源2产生的微波信号进行调制，使得所述微波信号的频率幅值随TTL信号的变化而变化，完成对微波信号的调制。
在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述铯泡4为充有铯原子气体的石英玻璃泡。铯泡4提供室温饱和蒸汽压下的铯原子气体，，使已调制太赫兹波转化为光波。
在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述太赫兹倍频源3的放大倍数为32倍。太赫兹倍频源3是将输入的已调制微波信号放大32倍后输出，达到338GHz(0.338THz)左右，处于太赫兹频段(0.1-10THz)。
第二方面，本发明实施例提供一种基于原子的太赫兹接收机通信方法，包括：
发射端基于TTL信号对微波信号进行调制，利用信号发生器把TTL信号调制至微波上，以使所述微波信号发生频率跳变；将所述微波信号的频率放大至太赫兹波段，并基于里德堡原子的量子效应方法将放大后得到的太赫兹波转换为可探测的光波；
接收端接受所述TTL信号和所述光波，并基于所述TTL信号对所述光波进行解调，获得太赫兹频率调制的频移键控FSK编码信息。
在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，发射端基于TTL信号对微波信号进行调制，以使所述微波信号发生频率跳变；具体包括：
在基于微波源产生微波信号时，通过信号发生器产生TTL信号，并将所述TTL信号调制至所述微波信号，以使所述TTL信号对微波源产生的微波信号进行调制，使得所述微波信号的频率幅值随TTL信号的变化而变化，完成对微波信号的调制。
进行通信时，利用信号发生器将TTL信号调制至微波，调制后的微波再经过太赫兹倍频源，得到太赫兹波进入铯泡。将太赫兹频率调制的数字通信编码，通过里德堡原子的量子效应转化为探测光的强度调制信号，通过锁相放大器对该信号解调，可以获得太赫兹频率调制的FSK编码信息，最后完成通信。
本发明实施例的方案结合了里德堡原子对太赫兹波和光波的相干转换，极大限度的避免了热噪声，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的通信；同时其接收灵敏度较高，高于现有的太赫兹通信信号接收2-3个数量级。其信道容量大，将自由空间传播与导频传播相结合，避免高频载波被衰减和反射，传输距离远大于现有通信技术。
具体的，香农公式：
Figure BDA0003067095200000071
其中，B是信道带宽(赫兹)，S是信道内所传信号的平均功率(瓦)，N是信道内部的高斯噪声功率(瓦)；可知当带宽越大，信噪比越高时，信道容量越大。因而采用基于里德堡原子对微波和光波的相干转换的接收天线大大提高了无线信道的信道容量，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的并行通信。
如图2所示为所述里德堡原子的能级结构图。在里德堡原子的能级中，12(6S1/2,F＝4)为铯原子的基态，14(6P3/2,F＝4)为铯原子的中间激发态，16(25S1/2)、17(25P3/2)分别为铯原子的里德堡态；13为波长852nm的探测光，15为波长515nm的耦合光，它们的作用是将原子的基态与里德堡态耦合；上述S、P和D表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。
在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，并基于里德堡原子的量子效应方法将放大后得到的太赫兹波转换为可探测的光波，具体包括：
将调制后得到的太赫兹波输入至铯泡，所述铯泡为充有铯原子气体的石英玻璃泡；
基于所述铯泡将太赫兹波转换为可探测的光波。
综上所述，本发明实施例提供的一种基于原子的太赫兹接收机通信系统和方法，利用里德堡原子对太赫兹波和光波的相干转换，将太赫兹频率调制的数字通信编码，通过里德堡原子的量子效应转化为探测光的强度调制信号，通过对该信号解调，可以获得太赫兹频率调制的FSK编码信息，从而实现了太赫兹通信技术；不受原子体系量子测量极限的限制，提高了信道容量。本发明实施例传输的信号处于太赫兹频段。此外本发明既可通过幅值调制也可通过频率调制来进行信息的传递。
本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。
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；而这些修改或者替换，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。

Claims (5)

1.一种基于原子的太赫兹接收机通信系统，其特征在于，包括：
微波源，用于产生微波信号；
信号发生器，用于产生TTL信号，并将所述TTL信号调制至所述微波信号，以使所述微波信号发生频率跳变；将所述TTL信号分别发送至所述微波源和所述锁相放大器，以使所述TTL信号对微波源产生的微波信号进行调制，使得所述微波信号的频率幅值随TTL信号的变化而变化，完成对微波信号的调制；
太赫兹倍频源，用于将所述微波信号的频率放大至太赫兹频段；
铯泡，用于将太赫兹倍频源调制后得到的太赫兹波转化为可探测的光波；
光电探测器，用于接收所述光波；
锁相放大器，用于接收所述TTL信号和所述光波，并基于所述TTL信号对所述光波进行解调，获得太赫兹频率调制的频移键控FSK编码信息。
2.根据权利要求1所述的基于原子的太赫兹接收机通信系统，其特征在于，所述铯泡为充有铯原子气体的石英玻璃泡。
3.根据权利要求1所述的基于原子的太赫兹接收机通信系统，其特征在于，所述太赫兹倍频源的放大倍数为32倍。
4.一种基于原子的太赫兹接收机通信方法，其特征在于，包括：
发射端基于TTL信号对微波信号进行调制，以使所述微波信号发生频率跳变：在基于微波源产生微波信号时，通过信号发生器产生TTL信号，并将所述TTL信号调制至所述微波信号，以使所述TTL信号对微波源产生的微波信号进行调制，使得所述微波信号的频率幅值随TTL信号的变化而变化，完成对微波信号的调制；将所述微波信号的频率放大至太赫兹波段，并基于里德堡原子的量子效应方法将放大后得到的太赫兹波转换为可探测的光波；
接收端接受所述TTL信号和所述光波，并基于所述TTL信号对所述光波进行解调，获得太赫兹频率调制的频移键控FSK编码信息。
5.根据权利要求4所述的基于原子的太赫兹接收机通信方法，其特征在于，并基于里德堡原子的量子效应方法将放大后得到的太赫兹波转换为可探测的光波，具体包括：
将调制后得到的太赫兹波输入至铯泡，所述铯泡为充有铯原子气体的石英玻璃泡；
基于所述铯泡将太赫兹波转换为可探测的光波。
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