亚毫米波频段宽带OFDM通信与传感一体化技术的实验研究：电子系统性能评估与波形设计创新

本刊推荐：研究团队针对亚毫米波频段通信系统波形设计难题，通过全电子化实验平台系统比较单载波(SC)与正交频分复用(OFDM)波形在309 GHz中心频率、2/10 GHz带宽下的传输性能，首次在电子学实现的亚毫米波系统中实现20 Gbit/s OFDM通信与3.75 cm精度的距离传感一体化(JCAS)，为未来太赫兹通信标准演进提供了关键实验依据。

　　

在移动通信技术迈向6G时代的进程中，亚毫米波（sub-mmW）和太赫兹（THz）频段因其巨大的绝对带宽资源而成为研究热点。然而，在220-325 GHz的H波段（位于毫米波与亚毫米波交界域），通信系统设计面临严峻挑战：高频相位噪声、功率放大器非线性、频谱响应不平坦等问题严重制约了波形选择。虽然IEEE 802.15.3d等现行标准仅支持单载波（SC）调制，但多载波正交频分复用（OFDM）技术因其优越的频谱效率和信道均衡特性，在联合通信与传感（JCAS）等新兴应用中展现出巨大潜力。遗憾的是，此前缺乏基于全电子化实验平台的系统性研究来指导亚毫米波频段的OFDM波形设计。

为此，德国斯图加特大学Simon Haussmann团队在《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》发表了突破性研究，通过构建中心频率309 GHz、带宽达10 GHz的全电子化无线通信实验平台，首次对SC与OFDM波形进行了 rigorous 的实证对比，并成功演示了太赫兹频段的通信传感一体化功能。

研究采用超级外差架构的全电子化系统，关键技术创新包括：基于35-nm InGaAs mHEMT工艺的毫米波单片微波集成电路（MMIC）、介电谐振振荡器（DRO）频率生成方案、透镜增强型喇叭天线系统（增益34 dBi）以及离线数字信号处理算法。系统支持2 GHz和10 GHz两种带宽配置，通过矢量信号发生器和任意波形发生器分别生成基带信号，并采用符合802.11a标准的OFDM帧结构设计。

通信性能评估结果

通过误差向量幅度（EVM）定量分析表明：在2 GHz带宽下，SC调制最高实现32 Gbit/s（64QAM）传输，而OFDM在32QAM调制下达20 Gbit/s。OFDM存在约4 dB的信噪比 penalty，主要源于高峰均功率比（PAPR）导致的功率放大器非线性失真。研究发现亚毫米波OFDM系统需满足子载波间距≤31 MHz的约束条件，以平衡相位噪声和频率选择性衰落的影响。

传感能力验证结果

通过分析OFDM均衡器的信道频域响应，经逆快速傅里叶变换（IFFT）获取时域冲激响应（IR），成功检测到7-9.5 ns的多径时延信号。

实验验证了3.75 cm的距离传感精度，与理论极限c/BW（光速/带宽）完全吻合。该功能为未来太赫兹频段实时环境感知提供了技术路径。

波形设计深度分析

研究团队系统比较了不同快速傅里叶变换（FFT）尺寸（32-256点）的OFDM配置，发现当保护间隔占比低于7%时，OFDM的频谱效率可超越SC调制。

通过构建包含相位噪声、非线性失真和频率选择性衰落的系统仿真模型，准确复现了实测性能差异，证实功率放大器非线性是影响OFDM性能的主导因素。

本研究的重要意义在于首次通过全电子化实验平台验证了OFDM在亚毫米波频段的实用可行性，虽然SC调制在纯数据传输方面仍具优势，但OFDM在系统均衡复杂度和传感功能集成方面展现出独特价值。研究成果为未来太赫兹通信标准制定提供了关键设计依据，特别是在联合通信与传感（JCAS）、大规模MIMO等先进应用场景中，OFDM技术将成为不可或缺的波形选择。研究团队提出的子载波间距设计准则、非线性补偿策略以及多径分析 methodology，为后续太赫兹系统优化奠定了理论与实践基础。