德国提出低成本太赫兹接收器设计，已创下最高数据速率记录

虽然 5G 尚未普及，但科学家们早已开始探索 6G 技术。在第六代移动通信技术路线中，以太赫兹 （THz） 频率进行无线传输成为一种特别有吸引力且灵活的解决方案。

日前，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员提出一种低成本太赫兹接收器设计，在概念验证实验中，该团队演示了在 110 米的距离内以 115 Gbit/s 的数据速率和 0.3THz 的载波频率进行传输的情况，这实现了迄今为止，在超过 100 米的距离上无线太赫兹通信的最高数据速率，研究结果发表在《自然 · 光子学》（Nature Photonics ）上。

115 Gbit/s 是什么概念呢？转化成我们生活中通常说的网速，按照 1B=8bits 单位换算，那 115 Gbit/s=14.375GB/s，也就是说，这个 “网速” 每秒可传输超过 14GB 的数据，对比而言，根据国际电信联盟（ITU）推行的 5G 网络建设标准，规范要求速度高达 20 Gbit/s，以实现宽信道带宽和大容量，其峰值理论传输速度才 2.5GB/s。

为什么太赫兹通信可以实现每秒十几 GB 级的传输速率？这里需要简单介绍下无线通信技术中载波频率与传输速率的关系。

图|传输速率与载波频率（来源：《物理》）

通常来讲，传输速率随着载波频率增加而增加，太赫兹波段是指频率在 0.1～10THz 范围内的电磁波，其频率介于微波和红外波段之间，兼有微波和光波的特性，太赫兹频段大约是长波、中波、短波、微波整体带宽的 1000 倍，这决定了太赫兹通信是高宽带通信，乃至具备 100Gbit/s 以上高速数据传输能力。

太赫兹通信有望满足未来人们对无线网络速率不断增加的需求，也有望缓解近年来无线通信频谱资源紧张，且太赫兹波作为电磁空间中尚未有效开发利用的频谱资源，已成为各大科技强国竟相攀登的技术制高点，被视为是改变未来世界的十大科学技术之一。

虽然太赫兹通信如此强大，但这些信号的相干接收在很大程度上依赖于十分复杂的太赫兹电路，其包括例如高速混频器和太赫兹本地振荡器（LOs）等，这些电路成本高昂，也往往是传输链路的带宽瓶颈。

图|未来高速无线网络展望，Tx：发射，Rx： 接收，Amp.： 放大器（来源：Nature Photonics）

来自 KIT 的研究人员展示了一个非常简化的太赫兹数据信号相干接收方案。它依赖于一个简单的包络检测器和随后的数字信号处理（DSP），该方案允许从测量的包络线重建太赫兹波形的相位，并依赖于光通信中所谓的 Kramers–Kronig（KK）接收器的推广。

“为了同时为尽可能多的用户提供网络服务，并以最大的速度传输数据，未来的无线网络或将由大量小型无线蜂窝基站子系统组成。”来自 KIT 的 6G 技术研究专家克里斯蒂安 · 库斯（Christian Koos）教授表示，这些无线蜂窝子系统设备，会距离较短，因此可以以最小的能量消耗和较低的电磁干扰来传输高数据速率，相关基站会比较紧凑，而且可轻松安装在建筑物或路灯上，之间通过太赫兹波来连接。

在这项实验中，研究人员使用了一种高速肖特基势垒二极管（SBD）作为一个宽频带和紧凑的包络检测器。

该论文的第一作者托比亚斯 · 哈特（Tobias Harter）博士进一步解释其原理：“接收器的核心是一个二极管，它可以对太赫兹信号进行整流。”这种二极管是一种所谓的肖特基势垒二极管，它提供大带宽，用作包络检测器来恢复太赫兹信号的振幅。然而，数据的正确解码还需要太赫兹波的时变相位，这在校正过程中通常会丢失。

图|实验装置与原理（来源：Nature Photonics）

为了克服上述问题，研究人员使用数字信号处理技术，结合一类特殊的数据信号，通过所谓的 Kramers-Kronig 关系，可以从振幅重构相位，Kramers-Kronig 关系描述了分析信号的实部和虚部之间的数学关系，利用这样的接收器概念，科学家们在 110 米的距离上以 0.3THz 的载波频率实现了 115Gbit/s 的传输速率。此外，试验还证明了使用 QPSK、16QAM 和 32QAM 等数字调制方式的方案可行性。

太赫兹通信虽然强，但也有着诸多特性，比如大气不透明性，由于大气中的水汽对太赫兹波有较强的吸收作用，因此太赫兹通信不适合地面远程通信，距离过远太赫兹信号就会出现很大的衰减，使得接收通信信号难度倍增，因此它更适合地面短程安全通信。基于这样的特性，太赫兹通信在卫星间星际通信、同温层内空对空通信、短程地面无线局域网或大气通信等方面，可有较大用武之地。

研究人员认为，本次发明的太赫兹接收机在技术简单性上体现出独特的优势，加上太赫兹技术的进一步发展，这可能是使太赫兹通信系统成为未来大容量无线基础设施的可行选择的关键。
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