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來(lái)源：DeepTech深科技 雖然 5G 尚未普及，但科學(xué)家們早已開(kāi)始探索 6G 技術(shù)。在第六代移動(dòng)通信技術(shù)路線(xiàn)中，以太赫茲 (THz) 頻率進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸成為一種特別有吸引力且靈活的解決方案。 日前，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的研究人員提出一種低成本太赫茲接收器設計，在概念驗證實(shí)驗中，該團隊演示了在 110 米的距離內以 115 Gbit/s 的數據速率和 0.3THz 的載波頻率進(jìn)行傳輸的情況，這實(shí)現了迄今為止，在超過(guò) 100 米的距離上無(wú)線(xiàn)太赫茲通信的最高數據速率，研究結果發(fā)表在《自然 · 光子學(xué)》(Nature Photonics )上。 115 Gbit/s 是什么概念呢？轉化成我們生活中通常說(shuō)的網(wǎng)速，按照 1B=8bits 單位換算，那 115 Gbit/s=14.375GB/s，也就是說(shuō)，這個(gè) “網(wǎng)速” 每秒可傳輸超過(guò) 14GB 的數據，對比而言，根據國際電信聯(lián)盟（ITU）推行的 5G 網(wǎng)絡(luò )建設標準，規范要求速度高達 20 Gbit/s，以實(shí)現寬信道帶寬和大容量，其峰值理論傳輸速度才 2.5GB/s。 為什么太赫茲通信可以實(shí)現每秒十幾 GB 級的傳輸速率？這里需要簡(jiǎn)單介紹下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中載波頻率與傳輸速率的關(guān)系。 
圖｜傳輸速率與載波頻率（來(lái)源：《物理》） 通常來(lái)講，傳輸速率隨著(zhù)載波頻率增加而增加，太赫茲波段是指頻率在 0.1～10THz 范圍內的電磁波，其頻率介于微波和紅外波段之間，兼有微波和光波的特性，太赫茲頻段大約是長(cháng)波、中波、短波、微波整體帶寬的 1000 倍，這決定了太赫茲通信是高寬帶通信，乃至具備 100Gbit/s 以上高速數據傳輸能力。 太赫茲通信有望滿(mǎn)足未來(lái)人們對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )速率不斷增加的需求，也有望緩解近年來(lái)無(wú)線(xiàn)通信頻譜資源緊張，且太赫茲波作為電磁空間中尚未有效開(kāi)發(fā)利用的頻譜資源，已成為各大科技強國競相攀登的技術(shù)制高點(diǎn)，被視為是改變未來(lái)世界的十大科學(xué)技術(shù)之一。 雖然太赫茲通信如此強大，但這些信號的相干接收在很大程度上依賴(lài)于十分復雜的太赫茲電路，其包括例如高速混頻器和太赫茲本地振蕩器（LOs）等，這些電路成本高昂，也往往是傳輸鏈路的帶寬瓶頸。
圖｜未來(lái)高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )展望，Tx：發(fā)射，Rx: 接收，Amp.: 放大器（來(lái)源：Nature Photonics） 來(lái)自 KIT 的研究人員展示了一個(gè)非常簡(jiǎn)化的太赫茲數據信號相干接收方案。它依賴(lài)于一個(gè)簡(jiǎn)單的包絡(luò )檢測器和隨后的數字信號處理（DSP），該方案允許從測量的包絡(luò )線(xiàn)重建太赫茲波形的相位，并依賴(lài)于光通信中所謂的 Kramers–Kronig（KK）接收器的推廣。 “為了同時(shí)為盡可能多的用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，并以最大的速度傳輸數據，未來(lái)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或將由大量小型無(wú)線(xiàn)蜂窩基站子系統組成�！眮�(lái)自 KIT 的 6G 技術(shù)研究專(zhuān)家克里斯蒂安 · 庫斯（Christian Koos）教授表示，這些無(wú)線(xiàn)蜂窩子系統設備，會(huì )距離較短，因此可以以最小的能量消耗和較低的電磁干擾來(lái)傳輸高數據速率，相關(guān)基站會(huì )比較緊湊，而且可輕松安裝在建筑物或路燈上，之間通過(guò)太赫茲波來(lái)連接。 在這項實(shí)驗中，研究人員使用了一種高速肖特基勢壘二極管（SBD）作為一個(gè)寬頻帶和緊湊的包絡(luò )檢測器。 該論文的第一作者托比亞斯 · 哈特（Tobias Harter）博士進(jìn)一步解釋其原理：“接收器的核心是一個(gè)二極管，它可以對太赫茲信號進(jìn)行整流�！边@種二極管是一種所謂的肖特基勢壘二極管，它提供大帶寬，用作包絡(luò )檢測器來(lái)恢復太赫茲信號的振幅。然而，數據的正確解碼還需要太赫茲波的時(shí)變相位，這在校正過(guò)程中通常會(huì )丟失。
圖｜實(shí)驗裝置與原理（來(lái)源：Nature Photonics） 為了克服上述問(wèn)題，研究人員使用數字信號處理技術(shù)，結合一類(lèi)特殊的數據信號，通過(guò)所謂的 Kramers-Kronig 關(guān)系，可以從振幅重構相位，Kramers-Kronig 關(guān)系描述了分析信號的實(shí)部和虛部之間的數學(xué)關(guān)系，利用這樣的接收器概念，科學(xué)家們在 110 米的距離上以 0.3THz 的載波頻率實(shí)現了 115Gbit/s 的傳輸速率。此外，試驗還證明了使用 QPSK、16QAM 和 32QAM 等數字調制方式的方案可行性。 太赫茲通信雖然強，但也有著(zhù)諸多特性，比如大氣不透明性，由于大氣中的水汽對太赫茲波有較強的吸收作用，因此太赫茲通信不適合地面遠程通信，距離過(guò)遠太赫茲信號就會(huì )出現很大的衰減，使得接收通信信號難度倍增，因此它更適合地面短程安全通信�；谶@樣的特性，太赫茲通信在衛星間星際通信、同溫層內空對空通信、短程地面無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)或大氣通信等方面，可有較大用武之地。 研究人員認為，本次發(fā)明的太赫茲接收機在技術(shù)簡(jiǎn)單性上體現出獨特的優(yōu)勢，加上太赫茲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這可能是使太赫茲通信系統成為未來(lái)大容量無(wú)線(xiàn)基礎設施的可行選擇的關(guān)鍵。 -End- 參考： https://phys.org/news/2020-09-terahertz-6g-wireless.html https://res-[url]www.zte.com.cn/mediares/magazine/publication/com_cn/article/201803/CHENZhi.pdf[/url] http://www.wuli.ac.cn/fileup/PDF/2013-42-10-003.pdf |
