太赫茲無線傳輸信道特性及通信高速信號處理技術分析

張 麗，李冰冰

（1.鄭州軌道工程職業學院，河南 鄭州 450121；2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003）

0 引 言

隨著信息技術的不斷迭代，如何提高無線通信的吞吐量已經成為通信行業工作人員需要著重思考的問題，目前被廣泛運用的60 GHz頻譜能夠將數據傳輸速率提升至6 Gb/s，但可用頻譜僅為9 GHz。針對這一問題，相關研究人員開始積極尋找全新的信號傳輸波段，而太赫茲就成為了提高信號無線傳輸速度的一個重要發展方向。與傳統通信技術相比，太赫茲技術的信號寬度更大，能夠保障終端設備與網絡之間的精準定位，并提升感知圖像的分辨率，具有廣泛的應用前景。

1 太赫茲無線傳輸信道特征

通常情況下，研究人員在分析無線通信工作頻段電磁波傳輸衰減問題時，需要先考慮無線傳輸信道中的傳輸消耗問題，在此基礎上對無線數據傳輸系統的鏈路性能、射頻器件類型等因素進行分析與判斷。與傳統的60 GHz頻段相比，太赫茲波段的物理性質十分特別，不僅傳播距離超長，而且頻率更低，頻帶更寬。正是由于太赫茲波段具有上述特點，使其成為通信領域研究人員重點關注的研究對象[1]。為了探究太赫茲在大氣中傳播時的損失，研究人員先要借助相關公式計算大氣中太赫茲波傳播損失量。基于真空環境中的無線信號傳輸理論計算模型，推導真實空間環境中太赫茲波在經過散射以及反射之后的信號值[2]。在真空環境下的信號傳輸理想模型中，信息接收功率為

式中：PL為信號接收功率；PT為信號發射功率；GT為發射端的天線增益；GR為接收端的天線增益。利用式（1）可以推導出電磁波在真實空間中的傳輸損耗，通過進一步研究發現，當信號波段小于10 cm（功率頻率超過3 GHz）時，信號在大氣中的衰減較為明顯，在范德華力的影響下，信號折射率出現變化。這種狀態下，太赫茲波傳播過程中的反射率將會提高，若此時其工作頻率超過10 GHz，則信號衰減更為明顯[3]。

基于上述現象，研究人員著手研究太赫茲波在大氣環境中的衰減總吸收量，計算公式為

式中：θc為連續體吸收系數；θl為線吸收系數。

目前，國際上對于太赫茲波的研究尚處于起步階段，缺少對于連續體吸收電磁波的權威解釋。這種情況下，研究人員通過建立吸收模型、調整模型參數等方式對該問題進行深入研究。研究發現，能夠產生連續體吸收現象的因素有很多，其中就包括大氣中的各種分子，如N2和O2與O2和O2之間的碰撞[4]。研究人員根據大氣環境的濕度，將連續體吸收分為干空氣連續體吸收、水汽連續體吸收兩類，計算公式為

式中：e為水汽壓強；p為大氣加強；常量λ與ξ分別為壓強、相對濕度[5]。

在計算線吸收系數時，研究人員假定頻率為f，則對應的計算公式為

式中：N為分子密度；Sj為譜線限度；g0(f·f0)為單條譜線吸收函數。

研究人員運用蒙特卡洛方法，模擬等離子體中電子與離子的碰撞情況，并對碰撞結果進行分析。設定兩種不同的環境：第一種為標準大氣壓，溫度為296 K；第二種為標準大氣壓，相對濕度為50%，模擬0.1～0.35 THz波段下大氣傳輸衰減模擬數據[6]。通過模擬分析可以發現，在不同形狀以及厚度的環境下，太赫茲波在大氣中的衰減基本保持不變。

當電磁波吸收達到峰值時，連續體吸收效果不明顯，此時大氣窗口去連續體吸收效果也不顯著[7]。因此研究人員得出結論，連續體吸收是太赫茲電磁波大氣傳輸信號衰減領域中的一項重要研究課題，其與大氣窗口的通信有著緊密的關系。

2 太赫茲物理層基帶設計

2.1 物理層整體設計方案

研究人員創建了一個基于6 GHz帶寬的太赫茲信道，該信道能夠實現20 Gb/s的通信速率。在此基礎上，研究人員嘗試設計太赫茲物理層基帶，但由于無線傳輸為點對點傳輸的靜止模式，因此這里不考慮多普勒頻移問題[8]。此外，太赫茲具有良好的定向性，因此忽略多徑影響。

依照實驗需求，研究人員為了將太赫茲空口速率提升至20 Gb/s以上，基于16QAM技術，將基帶信號帶寬調制5 GHz以上，設定采用率為6.4 GHz，計算由于晶振產生的最大偏頗數值為64 kHz。

本次研究中，信號帶寬為5～10 GHz，使用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術（1024個點）進行調制，則子載波間隔最小值為

偏頗最大占比則為

該系統在實際運行過程中的匹配數值占比將小于1.31%，因此可以省略對于基帶頻段的頻率校正，即便存在一些頻率偏差，也在可接受范圍內。根據上述研究，工作人員結合本次實驗的實際需求，詳細調整太赫茲電磁波物理層參數。

在確定太赫茲電磁波物理層參數的基礎上，研究人員使用ADC與DAC進行模擬域變換。由于FPGA內部的邏輯資源存在一定局限性，研究人員經過充分考慮決定使用DAC型號。該型號最多支持16個信號通道，滿足設計需求[9]。

2.2 設計物理層幀格式

研究人員基于物理層幀格式，結合本次設計實際要求，對太赫茲信道物理層幀格式（圖1）進行調整。該格式中，單獨一個數據串行幀就包含341 057個采樣點，分別為數據塊、訓練序列以及前導序列。該物理層幀格式中的前導碼為PN序列，且每一個PN長度均為1 024字節，確保信息傳輸時間始終保持同步[10]。長訓練序列則由兩個長度為1 024的字節串組成。

圖1 物理層幀格式

3 實現信道編解碼FPGA的具體方式

3.1 RS編碼

本次研究涉及商式h(x)與余式r(x)，其定義為

這就表示新生成的多項式能夠被源碼字多項式整除。因此，如果RS檢測中發現r(x)不為0，就表示信號通道存在問題。在實現FPGA過程中，研究人員以RS(10,8)作為研究對象，生成多項式g(x)=(x+a)(x+a2)，經過8級位移完成信號輸出[11]。后續計算由完成了n-k運算的寄存器負責，通過計數器錄入信號傳輸數據，再由選擇器負責轉換信息元。通過這種方式確保編碼設備重置時，觸發器與轉化器處于初始狀態。RS編碼基于二進制形式，因此在輸入分組信號之后，RS編碼裝置開始計算輸出碼字的前k位數值，并使用r(x)進行求余計算，然后將計算結果保存在寄存器中。

3.2 RS譯碼

研究人員根據RS編碼結構設計譯碼電路，該電路主要由差錯圖樣計算模塊、糾錯模塊、方程求解模塊以及緩存模塊等構成，如圖2所示[12]。

圖2 解碼器電路結構

RS解碼器接收到碼字序列后，伴隨式計算模塊正式啟動，根據關鍵方式計算錯誤位置多項式，并根據錯誤位置多項式推導計算錯誤值，完成對于譯碼的糾錯。其中，伴隨式計算模塊的計算原理為

4 結 論

本文著重探討了太赫茲無線傳輸信道的特點，基于FPGA平臺實現太赫茲通信基帶鏈路，創建了一個信號傳輸速度高達20.8 Gb/s的無線通信系統。為達到這一目標，相關研究人員首先分析了太赫茲電磁波在大氣環境中的衰減特點，并根據其衰減特性將220 GHz頻段確定為通信窗口。基于太赫茲無線傳輸的點對點模式，基于OFDM系統物理層數字基帶，設計信號處理系統，為太赫茲無線傳輸技術的發展與應用提供技術支持。