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GHz太赫兹波室内无线通信系统的Simulink仿真（完整版）
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２０１４ ２ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｅｂ．２０１４

３００ＧＨｚ太赫兹波室内无线通信系统的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真
岳俊山，陈 辉，蒋红梅
（桂林电子科技大 学 信息与通信学院 ，广 西 桂林 ５４１００４）

摘 要 ：为 仿真载波为 ３００ＧＨｚ的室内无线通信系统 ，利 用 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 软 件 平 台 ，设计了信号产生模块 、倍频模块和次谐波 混频模块 ，仿真得到信号在各个阶段的频谱图 ，并计算了发射和接收系统在不同距离下 接收的中频输出功率。 仿真结果表
明 ，在存在背景噪声干扰的情况下 ，接收中频功率随着发射和接收天线距离的增加而减小 ，接收中频信号的频谱较好 。
关键词 ：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；太 赫兹波 ；无 线通信系统
中图分类号 ：ＴＮ９２５ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１６７３－８０８Ｘ（２０１４）０１－０００５－０６

Ｓｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｉｎｄｏｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｎ
３００ＧＨｚｔｅｒａｈｅｒｔｚｗａｖｅ
ＹｕｅＪｕｎｓｈａｎ，Ｃｈｅｎ Ｈｕｉ，Ｊｉａｎｇ Ｈｏｎｇｍｅｉ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｍｕｌｉｎｋｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｉｎｄｏｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃａｒｒｉｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ ｗｈｉｃｈｉｓ３００ＧＨｚ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌｍｏｄｕｌｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｕｂｌｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅａｎｄｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｉｘｅｒ ｍｏｄｕｌｅａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ｗｈｉｃｈｇｅｔｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｏｆｓｉｇｎａｌｓｉｎｅａｃｈｓｔａｇｅ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒ－ ｅｎｔｄｉｓｔａｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒ－ ｅｎｃｅｏｆｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｎｏｉｓｅ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｄｉｓｔａｎｃｅｂｅ－ ｔｗｅｅｎｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｎｄｒｅｃｅｉｖｅｒ，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｓｐｅｃｔｒｕｍｉｓｂｅｔｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ｔｅｒａｈｅｒｔｚｗａｖｅ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

太 赫 兹 波 是 频 率 处 于 ０．１～１０ ＴＨｚ（波 长 为０．０３～３ ｍｍ）范 围 内 的 电 磁 波，它是人类最后一 个尚未完 全 被 认 知 和 利 用 的 频 段。 其 低 能 性、宽 带
性、高传输速率和 高大气吸收损耗 ，将更好地应用于 短距 离 室 内 无 线 通 信 系 统［１－２］。２００４ 年，Ｂｒａｕｎ－ ｓｃｈｗｅｉｇ太赫兹 通 信 实 验 室 使 用 室 温 二 维 电 子 气 调
制器和飞秒激光器太赫兹时域波谱仪进行了音频信 号的传输实验［３］，实 现了传输距离为 ４８ｃｍ、模 拟 音 频信号带宽为２５ｋＨｚ的无线通 信。２００８ 年，加 拿大
多伦多大学运 用 基 于 ＳｉＧｅ ＨＢＴ ＭＭＩＣ 技 术 的 １６５
ＧＨｚ／１７０ ＧＨｚＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ［４］和 基 于 ＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳ
ＭＭＩＣ 技术的 １４０ ＧＨｚＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ［５］，在 单 芯 片 上 集成了放大器、混 频器、振 荡器、幅 度调制器和 ６４ 静 态分频器等组件，构 成完整的射频信道，实 现了数米
距离内的 ４ Ｇｂｉｔ／ｓ无 线 通 信。 目 前，系 统 仿 真 工 具 有 Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，它集成在 Ｍａｔｌａｂ软
件里，提供丰富的 信号处理模块 、射频模块和方便的 图形界面，具有易操作、易复用的功能，便于系统建模 和仿真。
鉴于 此，借 助 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 平 台，选 取 频 率 为 ３００ ＧＨｚ的太赫兹 波 构建室内无线通信 系 统 ，并 对 其 进 行系统仿真，以验证其可行性。

收稿日期 ：２０１３－１０－１３
基金项目：广西自然科学基金（２０１１ＧＸＮＳＦＢ０１０８６９）
通信 陈辉（１９７６－），男 ，广 东韶关人 ，副 教授 ，博 士 ，研究方向为光通信 、微 波光子学 、太 赫兹技术。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]
引文格式：岳俊山 ，陈 辉 ，蒋 红梅 ．３００ＧＨｚ太赫兹波室内无线通信系统的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿 真［Ｊ］．桂林电子科技大学学报 ，２０１４，３４（１）：５－１０．

６ 桂林电子科技大学学报 ２０１４年 ２月

１ ３００ＧＨｚ室内无线通信系统简介
室内无线通信系统由发射模块 、接收模块和信道 传输模块 构 成。 它是 基于现有的信号产生器 、调 制 器、肖 特 基 二 极 管 混 频 器 和 喇 叭 发射天线组合而 成［６－７］。典型的太赫兹波室内无线通信系统原 理图如
图１所示。在发射模块中，本 机振荡器产生的 １８．７５ ＧＨｚ信 号经 过 变 换 器 、放 大 器 和 ３ 次 倍 频 ，与 信 号
发生器调制生成的 中 频 信 号 再 经 过 次 谐 波 混 频 器 、 高通滤 波 后 ，通 过喇 叭天线发射出去 （３００ ＧＨｚ的 载频信号功率为 ５０μＷ）。 在接收模块中使用相同
的器 件 ，但 本 机 振 荡产生的频率需调准到 １８．４４
ＧＨｚ，接 收信号通过 混 频 器 变 频 把 高 频 信 号 解 调 到 低频段 ，通 过频谱分 析仪显 示的中频信号频 率 范 围 为 ６～１５ＧＨｚ。

图 １ ３００ＧＨｚ 无线通信系统模块
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆ３００ＧＨｚｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

图１只是一种方案，还 可采用不同的调制、混 频 方法，这取决于频段的选择 、器件的水平及实际需求 。
系统 性 能：发 射和接 收 的单 边混频转换因子为
Ｇ ＝ＧＴＸ ＝ＧＲＸ ＝－９．６８ｄＢ，发射和接收天线的增益 为ｇ ＝２８．５１３ｄＢ，接收输出中频功率为
４πｄｆ
仪器的精度不足和环境噪声的干扰造成的。

ＰＯＵＴ ＝ＰＩＮ ＋２Ｇ ＋２ｇ －ｓ－１０ｌｏｇ１０（
ｃ
４πｄｆ ＰＩＮ ＋３７．６６６－ｓ－２０ｌｏｇ１０（ ）。
ｃ
）２ ＝

其中 ：ＰＩＮ 为 输 入 功 率 ；ｄ 为 天 线 之 间 的 距 离 ；ｆ 为 传输频率 ，其 值约为 ３００ＧＨｚ；ｓ 为系统额外损耗 ；ｃ
为光速 （３×１０８ ｍ／ｓ）。 自由空间损耗被分成恒定部 分和随距 离 可 变 部 分 ，它 们 与 混 频 、天 线 增 益 相 关 联。 假定额外系统损耗ｓ ＝６ｄＢ，天 线 ｄ 分 别 取 ５、
２０、４０、１００ｃｍ，输 入 功 率 ＰＩＮ 为 －１０ｄＢｍ，则 输 入
频率 ｆＩＮ 与输出 中 频 功 率 ＰＯＵＴ 的计算值和测量值
如图 ２ 所示。
从图 ２ 可见，当 输入功率取定值时，随 着输入频 率的增加，接收端 的输出中频功率逐渐下降 ，且 随着 发射天线和接收天线距离的增加 ，接收端的输出中频
功率也下降。测量的数据在计算值的上下波动 ，是由


图 ２ 在天线发射的 ４个不同距离下输入 频率对应中频端口的接收功率
Ｆｉｇ．２ ＴｈｅｒｅｃｅｉｖｅｄｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｔＩＦｐｏｒｔａｇａｉｎｓｔ ｉｎｐｕｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｏｒｆｏｕｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｔｅｎｎａｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ

第 １期 岳俊山等 ：３００ＧＨｚ太赫兹波室内无线通信系统的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿 真 ７

２ 太赫 兹 波室内无线通信系统 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 模 块设计

室内无线通信系统中的信号产生器 、倍 频器、放 大器、混频器等模块由 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 提供模块搭 建 仿 真 分析。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真需 注意采样时间应满足奈奎斯
特采样定理，频 率太高会导致功率 、效 率降低。 本仿 真选择的频段具有在太赫兹大气窗口吸收损耗低 、带 宽宽的优点。另外，通过控制 信号采样点数量 ，增 加 仿真速率。
２．１ 信号产生器模块
采用正弦波 产 生 本 机 振 荡 信 号 ，在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中 提供信号模块“ｓｉｎｅｗａｖｅ”。 正弦波信号的数学表达 式为：


图 ３ 倍频原理流程图
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｆ０（ｔ）＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）＋Ｂ， Ｎ （ｔ）＝２π／ｆｔ，Ｎ′（ｔ）＝θＮ （ｔ）／２π。
式中：Ａ 为振幅；ｆ 为初始频率；θ为初始相位；Ｂ 为偏 置；Ｎ （ｔ）为每周期采样数；ｔ为采样时间；Ｎ′（ｔ）为偏
移采 样 数。 采 用 二 进 制 模 块 产 生 传 输 速 率 为 １０ Ｇｂｉｔ／ｓ的 数据码流，在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中提供二进 制 信 号 模块“ｂｅｒｎｏｕｌｌｉｂｉｎａｒｙｇｅｎｅｒａｔｏｒ”。 采用线性调频信 号生成中 心 频 率 为 ５．５ ＧＨｚ、带 宽 为 １０ ＧＨｚ 的 信 号，在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中 提 供 线 性 调 频 信 号 模 块 “ｃｈｉｒｐ”。 线性调频信号的数学表达式为


图 ４ ８倍频模块
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ８ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ

数积化和差公式，频率分别为ｆ１ 和ｆ２ 的余弦信号相 乘，数学表达式为

ｔ １ ２）。

ｓ（ｔ）＝Ａｒｅｃｔ（
Ｔ
）ｅｊ２π（ｆｔ＋２Ｋｔ
ｃｏｓ（２πｆ１ｔ）ｃｏｓ（２πｆ１ｔ）ｃｏｓ（２πｆ２ｔ）＝
１
ｃｏｓ（２πｆ２ｔ）＋

式中：Ａ 为振幅；Ｔ 为 脉 冲 宽 度；ｒｅｃｔ（ｔ／Ｔ）为 矩 形 函 数；ｆ 为载波频率；Ｋ ＝ Ｂ／Ｔ 为信号调频斜率；Ｂ 为带

１
× ［ｃｏｓ（２π（２ｆ
２
１
－ｆ ）） （ （


））］。

４ ２ ｔ ＋ｃｏｓ２π２ｆ１ ＋ｆ２ ｔ
宽。

２．２ 倍频模块
利用较简单的相乘滤波进行倍频 ，所需的频率可 通过系列的相乘滤波得到。 仿真中 ３ 次 ８ 倍频采用 相应的方法，基本原理如 图 ３ 所示，与 之对应的 Ｓｉｍ－
ｕｌｉｎｋ模块如图４所示。
优秀的滤波器设计对减少倍频输出信号的衰减、 相位噪声和抖动起重要作用。 本研究采用巴特沃斯 滤波器，通过合理 地选择滤波器的阶数及截止频率， 可有效地减少输出信号的杂波。 接收端倍频采用类 似的方法。
２．３ 次谐波混频模块
次谐波混频由倍频和混频封装构成 ，根据三角函
混频后的信号经过高通滤波后 ，得到相应的信号频率
为２ｆ１ ＋ｆ２，对应的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真图如图５所示。

图 ５ 次谐波混频模块
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｍｉｘｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ

８ 桂林电子科技大学学报 ２０１４年 ２月

由上述 各 模 块 在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中［８－９］搭 建 并 仿 真 实 现载波频率为３００ＧＨｚ、传 输速率为 １０ Ｇｂｉｔ／ｓ的 太 赫兹波室 内 无 线 通 信 系 统。 发 射 端 １０ Ｇｂｉｔ／ｓ 的 数 据码流经过二进制幅移键控信号调制转换为中心频
率为５．５ＧＨｚ的 中 频 （ＩＦ）信 号，再 经 过 次 谐 波 混 频
搬移到３０１～３１０ ＧＨｚ 的 ＲＦ 通 信 频 段，通 过 １５ｄＢ 喇叭天线发射；接 收 端 天 线 接 收 ＲＦ 信 号 后，同 样 经 过混频恢复６～１５ＧＨｚ的ＩＦ 载波，经 由二进制幅移 键控解调和频谱分析仪分析 。３００ ＧＨｚ无 线通信系 统 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ发射和接收系统仿真模型如图 ６所示。

图 ６ 室内无线通信发射和接收系统 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿 真模型
Ｆｉｇ．６ ＴｈｅＳｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｏｆｉｎｄｏｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇａｎｄｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

３ 仿真结果与分析

１８．７５ＧＨｚ经过３路８倍频，与通过二进制幅移 键控调制的数据码流 （载 波中心频率为 ５．５ ＧＨｚ、带 宽为 １０ ＧＨｚ）中频信号进行次谐 波 混 频，得 到 一 个 ３０１～３１０ＧＨｚ的发射 信号，经加性 高斯白噪声信道 后，与１８．４４ＧＨｚ本 振信号经过 ４ 路 １６ 倍频产生频 率进行混频下变 频 得 到 ６～１５ ＧＨｚ中 频 信 号，其 频 谱分别如图７～９所示。
从图７可看出，在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真模拟中，信 号经 过倍频得到的频率较高 ，相对功率 和转换效率较低， 对滤波器的性能影响较大 ，所 以在频率 １８．７５、３７．５、
７５、１５０ＧＨｚ存在着许多杂波，但通过多次滤波处理
后可有效地减少。如图８所示，经过２０ｄＢ 的高斯白 噪声信道后，单频 干扰信号及噪声频谱被再次扩展。 从图９可看出，经混频下变频的接收信号及滤波器的
信号处理，存在背 景噪声干扰的情况下，接 收中频信 号的频谱较好。
通过载波信号对接收混频下变频信号进行解调， 解调信号经过低通滤波器对噪声进行滤波 ，再通过零 阶保持器和量化编码 ，对 解调信号进行抽样判决，得 到的信号如图１０所示。
接收信号与初始信号经过整型到比特型转化 ，再
经误码率计算模块计算后在示波器上显示 ，误码率为 ５．９７７×１０－５。产 生误码的主要原因有码元的 延 时、 信道的噪声及倍频滤波。

第 １期 岳俊山等 ：３００ＧＨｚ太赫兹波室内无线通信系统的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿 真 ９

图 ７ ３０１～３１０ＧＨｚ的发射信号频谱
Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆ３０１－３１０ＧＨｚｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｓｉｇｎａｌ


图 ９ ６～１５ＧＨｚ的中频信号频谱
Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆ６－１５ＧＨｚｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌ

图 ８ 经信道传输的信号频谱
Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｃｈａｎｎｅｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｉｇｎａｌ

４ 结束语

通过 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对 太 赫 兹 波 段 通 信 的 仿 真 ，存 在 着仿真精度和时间的局限 ，与实际太赫兹室内通信相 比较，欠缺了低噪 声放大器 、多径信 道传输及实际器
件要考虑的多方面因素 ，这是以后研究的方向 。理论 分析系统发射和接收的功率 ，取收发天线间不同的距 离，计算接收中频 功率的大小 ，并与 测量的中频功率 进行验证对比。结果表明，构建的室内无线通信系统


图 １０ 解调信号和判决信号
Ｆｉｇ．１０ Ｔｈｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｎｄｓａｍｐｌｉｎｇｓｅｎｔｅｎｃｅｓｉｇｎａｌ

１０ 桂林电子科技大学学报 ２０１４年 ２月

的接收中频功率随着发射和接收天线距离的增加而 减小。今后的研究将着眼于高速硬件调制解调的研 制和太赫兹射频通道的改进 ，以构建完善、高速、实时 的太赫兹无线通信系统。

参考文献：
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编辑：张所滨