摘要
为了适应高速大容量的通信需求，提出了采用基于概率整形（PS， Probabilistic Shaping），离散多音调制（DMT， Discrete Multi-tone Modulation）和离散傅里叶变换扩展技术（DFT， Discrete Fourier Transform）实现300GHz太赫兹信号无线传输。概率整形通过增加星座点距离提升信号接收机灵敏度，可最多降低55%的误码率，可延长传输距离。离散傅里叶变换扩展技术在系统中降低1.68 dB正交频分复用（OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信号的峰均比，提升抗非线性效应能力。通过结合这些先进的数字信号处理技术，分别实现了12GBaud PS-16QAM的OFDM-DMT信号及10GBaud PS-64QAM的DFT-S-OFDM-DMT信号1 m无线传输。基于300GHz的太赫兹无线传输系统，比较了采用这些数字信号处理技术的性能优势。
近年来，随着全球互联网用户数量和数据流量的飞速增长，通信网络向宽带高速的发展要求愈发迫切。目前，5G通信技术使用的频段已经进入毫米波（30~300 GHz）范围。由于商用设备的频带限制，研究重心主要落在60 GHz以下的频
目前，主要有三种手段产生太赫兹信号，分别是基于纯电子方式、基于半导体激光器（THz-QCL）和基于光子辅助方式产生太赫兹
为了进一步满足人们对传输容量和通信效率日益增长的需求，高阶调制技术以及多种复用技术成为众多学者的研究重点。高阶调制技术，如正交幅度调制（QAM， Quadrature Amplitude Modulation），能够支持在给定带宽下传输更多比特信息，具有更高的数据传输速率。2023年，Junting Shi等人实现了调制格式为65536-QAM的传输信号，并利用正交频分复用技术（OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing）实现了320 GHz的光纤-太赫兹通信系
常见的复用技术有空分复用、偏振复用、天线极化复用和多载波调制等。2020年，Shi Jia等人利用OFDM技术实现了速率高达612.65 Gbit/s的偏振复用PS-64QAM传
近年来，国内众多研究人员采用了不同的产生太赫兹信号的方式，分别在太赫兹频段上实现了不同调制格式的信号传输，如
| 年份 | 实现功能 | 太赫兹源产生方式 | 工作频段 | 调制手段 | 信道传输 |
|---|---|---|---|---|---|
| 2022 |
太赫兹频段的感知通信一体化系统设计与实 | 纯电子方式 | 97 GHz | OFDM调制 | <3 m无线传输 |
| 2023 |
1.485 GBaud强度调制信号的1 m太赫兹光纤实时视频传 | 基于光子辅助方式 | 350 GHz | 强度调制 | 1 m太赫兹光纤传输 |
| 2020 |
60 Gbit/s双边带信号的3 m无线传输THz通信系 | 基于光子辅助方式 | 310 GHz | 16QAM DMT调制 | 3 m无线传输 |
本文主要的研究工作如下：
1）介绍了基于纯电子方式产生太赫兹源的主要结构和研究现状，并提出将基于PS、DFT-S以及离散多音调制（DMT， Discrete Multi-tone Modulation）的OFDM技术创造性地运用于基于纯电子器件的300 GHz太赫兹通信系统中。
2）采用上述技术，在基于纯电子方式的300 GHz太赫兹系统上实现了速率为12 Gbaud的PS-16QAM OFDM-DMT信号的1 m无线传输，并验证了概率整形技术的QAM调制信号在OFDM-DMT系统中的性能优势。从而首次将PS和DFT-S等编码技术应用在超高频的太赫兹传输系统上。
3）实现了速率为10 GBaud的PS-DFT-S-64QAM的OFDM-DMT信号的1 m无线传输距离。通过在OFDM系统中添加DFT-S技术，比较添加DFT-S技术前后的PS-64QAM信号的传输性能差异，验证DFT-S技术在基于纯电子方式的太赫兹通信系统中的性能优势。
相对于其他两种产生太赫兹信号的方式，如光子辅助产生太赫兹波的方式依赖于精密的光学器件平台，全电子学方式的太赫兹系统结构简单，并且能支持大功率太赫兹信号的辐射，为长距离的无线通信提供了可
纯电子方式产生太赫兹信号大致分为两种类型。一种是利用电子器件直接产生太赫兹信号，另一种是间接利用倍频使信号频率达到太赫兹频段。其中，利用倍频方式产生太赫兹信号的发射端架构如
图 1 纯电子器件产生太赫兹信号的发射端结构
Fig. 1 Structure of terahertz signal transmitter based on electronic components
近年来，纯电子方式产生太赫兹信号的技术不断成熟，载波频谱不断提高。2004~2006年，日本NTT公司利用InP mHEMT TMIC技术实现了全电子学0.12 THz的通信系
星座整形（CS， Constellation Shaping）技术是一种在通信领域的先进技术。通过优化发射信号的信号星座结构，可以提高通信系统容量，使其逼近香农信道容量。星座整形技术可大致分为概率整形和几何整形（GS， Geometric Shaping）两
通常地，在加性高斯白噪声信道中，Maxwell-Boltzmann分布能够使QAM调制信号一定功率限制下的传输互信息达到最大，并逼近信道容
| ， | (1) |
其中，χ = ｛x1， x2， …， xM｝是M阶QAM的M个星座点构成的集合，v为Maxwell-Boltzmann分布参数。v越大，则整形增益越大。通常，分布匹配器（DM， Distribution Matcher）将均匀分布的二进制比特序列映射成具有一定概率分布的信号。2015年，P. Schulte和G. Böcherer提出了固定组成分布匹配器（CCDM， Constant Composition Distribution Matcher）编码技术，利用算数编码的方法，使发射信号更能适应信道特
OFDM技术可经过串并转换，将一个高速数据流拆分成多个并行的低速数据流，使其在不同的子载波上传输。这些子载波在频率上彼此重叠，但相互正交，彼此之间不会产生干扰。相对于单载波调制，OFDM技术具有较高的频带利用率和抗干扰特性。DMT技术通常可运用于OFDM技术中。DMT的原理图如
图 2 DMT原理图
Fig. 2 Schematic diagram of DMT
DMT技术在保留OFDM自身优势的情况下，可独立且灵活调制各个子载波，并可结合高阶调制技术提升系统容
图 3 OFDM系统原理图：（a） OFDM-DMT原理图；（b） DFT-S OFDM-DMT原理图；
Fig. 3 Schematic diagram of OFDM system： （a） schematic diagram of OFDM-DMT system； （b） schematic diagram of DFT-S OFDM-DMT system
DFT-S技术可有效抑制OFDM信号的包络起伏，相比于传统的OFDM通信具有更低的峰均比（PAPR， Peak to Average Power Ratio），可有效降低平均发射功率，对于非线性效应的容忍度更
OFDM-DMT信号传输
本文通过基于纯电子的300 GHz太赫兹通信系统实现了16QAM和PS-16QAM的OFDM-DMT的1 m无线传输，其原理和实验系统如
图 4 300 GHz OFDM-DMT信号的太赫兹无线1 m传输装置：（a） 300 GHz太赫兹传输系统原理图；（b） 300 GHz太赫兹发射端装置；（c） 300 GHz太赫兹接收端装置；
Fig. 4 300 GHz terahertz transmission structure of OFDM-DMT wireless signals with a distance of 1 m： （a） schematic diagram of 300 GHz terahertz transmission system； （b） transmitter devices of the 300 GHz terahertz system； （c） receiver devices of the 300 GHz terahertz system
接收端通过25 dBi的标准喇叭天线接收无线信号，接收方式为外差式相干接收。本振信号源产生频率为12.21 GHz的4.00 dBm信号，通过24倍频转换为频率约为293.04 GHz的电信号，并与接收信号进行混频。混频后信号经过电放大器（EA， Electric Amplifier）放大，最后被采样率为40 GSa/s的示波器捕获，并进行离线数字信号处理和性能分析。
OFDM-DMT信号的数字信号处理首先进行下变频操作。以12 GBaud的PS-16QAM接收信号为例，其频谱如
图 5 PS-16QAM OFDM-DMT接收频谱
Fig. 5 Spectrum of a PS-16QAM OFDM-DMT signal at the receiving end
本文研究了不同传输速率下PS-16QAM和16QAM的OFDM-DMT信号的BER和NGMI特性。系统采用的PS-16QAM的概率整形增益满足v = 0.2的Maxwell-Boltzmann分布参数。信源熵计算公式如
| ， | (2) |
相较于传统均匀分布16QAM信号的4 bit信源熵，PS-16QAM信源熵为3.306 bit，其概率分布图如
图 6 PS-16QAM 概率分布图
Fig. 6 Probability distribution of PS-16QAM signals
图 7 PS-16QAM和16QAM误码率特性曲线及星座图：（a） PS-16QAM和16QAM误码率特性曲线；（b） 12 GBaud 16QAM OFDM-DMT信号经数字信号处理后的星座图；（c） 12 GBaud PS-16QAM OFDM-DMT信号经数字信号处理后的星座图；
Fig. 7 Constellation and BER versus data rate of PS-16QAM and 16QAM signals： （a） BER versus data rate of PS-16QAM and 16QAM signals； （b） constellation of 12 GBaud 16QAM OFDM-DMT signal after DSP； （c） constellation of 12 GBaud PS-16QAM OFDM-DMT signal after DSP
PS-16QAM和16QAM的NGMI特性曲线如
图 8 PS-16QAM和16QAM信号的NGMI特性曲线
Fig. 8 NGMI versus data rate of PS-16QAM and 16QAM signals
PS-64QAM DFT-S-OFDM-DMT传输装置同如
图 9 PS-64QAM 概率分布图
Fig. 9 Probability distribution of PS-64QAM signals
图 10 DFT-S PS-64QAM和PS-64QAM误码率特性曲线及星座图：（a） DFT-S PS-64QAM和PS-64QAM误码率特性曲线；（b） 10 GBaud PS-64QAM OFDM-DMT信号经数字信号处理后的星座图；（c） 10 GBaud DFT-S PS-64QAM OFDM-DMT信号经数字信号处理后的星座图；
Fig. 10 Constellation and BER versus data rate of DFT-S PS-64QAM and PS-64QAM signals： （a） BER versus data rate of DFT-S PS-64QAM and PS-64QAM signals； （b） constellation of 10 GBaud PS-64QAM OFDM-DMT signal after DSP； （c） constellation of 10 GBaud DFT-S PS-64QAM OFDM-DMT signal after DSP
此外，两种信号的NGMI特性曲线如
图 11 DFT-S PS-64QAM和PS-64QAM NGMI特性曲线
Fig. 11 NGMI versus data rate of DFT-S PS-64QAM and PS-64QAM signals
本文通过基于纯电子器件的300 GHz太赫兹通信系统实现了高阶调制格式的OFDM-DMT的无线1 m传输，并创造性地将PS和DFT-S技术运用于纯电学太赫兹系统中。结合多载波数字信号处理技术，分别实现了波特率达到12 GBaud、净速率为12.022 Gbit/s、频谱效率为2.645 bit/（s∙Hz）的PS-16QAM的OFDM-DMT信号传输，以及波特率为10 Gbaud、净速率为16.792 Gbit/s、频谱效率为4.433 bit/（s∙Hz）、调制格式为PS-64QAM的DFT-S OFDM-DMT信号1 m无线传输，并验证了在该太赫兹系统中PS和DFT-S技术的性能优势。
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