单载波M-QAM太赫兹无线通信中相位噪声容限的量化及其光子学方法的优势 中文标题：量化单载波M-QAM太赫兹无线通信的相位噪声容限及其光子学方法的优势

《IEEE Transactions on Learning Technologies》：Quantifying Phase Noise Tolerance for Single-Carrier M-QAM Terahertz Wireless Communications With Advantages of Photonic Approaches

　　

太赫兹无线通信提供了丰富的未开发频谱，被认为是下一代高通量链路的一个有前景的领域。然而，在如此高的频率下，振荡器相位噪声成为主要的损伤因素，严重限制了高阶正交幅度调制（QAM）传输的可靠性。虽然光子学方法（例如微腔光频梳）已知可以实现超低相位噪声，但维持可靠的高阶QAM传输所需的量化抑制水平尚未明确。在此，研究人员从测量的频谱中重建相位噪声，并将其嵌入单载波链路模型中以评估其影响。研究人员识别了两种不同的失真机制：缓慢的公共相位误差（CPE）和瞬时相位抖动，其中后者在载波相位恢复（CPR）后作为残余损伤存在。研究人员进一步采用三倍误差向量幅度（3×EVM）误差裕度，将残余失真映射到星座图上，为系统鲁棒性提供了一个清晰且实用的指标。结果表明，振荡器稳定性的适度改善可以转化为显著的比特误码率（BER）增益，而无需成比例地增加功率。这些发现为M-QAM系统中的相位噪声提供了直观的容限理解，并强调了集成低噪声光子振荡器（如微腔光频梳）的重要性。CCBY - IEEE并非此材料的版权持有者。请遵循https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/上的说明以获取全文文章及API文档中的规定。

**太赫兹无线通信中相位噪声对高阶QAM传输影响的研究**

**研究背景与动机**
数字经济的快速扩张引发了前所未有的无线容量需求。亚太地区用户的月均移动数据流量在2022年增加了11 GB，同年新增用户超过31亿。然而，该地区的平均无线连接速度仅为28.5 Mbps。这种不匹配已成为全球通信基础设施面临的紧迫挑战。另一方面，新兴应用如人工智能（AI）网络、数据中心互连和沉浸式8K直播媒体等，需要传输速度达到100～1000 Gbps量级，这远超当前5G架构20 Gbps的峰值能力。太赫兹（THz）无线通信，其载波频率覆盖0.1至10 THz，为弥合这一差距提供了一条有前景的路径。特别是300 GHz频段可提供约44 GHz未充分利用的频谱，是5G新空口（NR）协议中定义的400 MHz带宽的110倍以上。得益于巨大的频谱资源，太赫兹无线链路在保持无线接入灵活性的同时，有可能提供类似光纤的容量。单行载流子光电二极管（UTC-PD）的进展进一步增强了这一前景，其高输出功率和宽带宽使得长距离太赫兹无线链路日益可行。

然而，在300 GHz频段，传统电子振荡器（如CMOS）的相位噪声会因20×log₁₀N（例如n78频段，放大倍数≈ 39 dB）而被显著放大，这使得相位噪声成为一个无法回避的问题，其影响是降低有效信噪比（SNR）并限制调制能力。与此同时，通过UTC-PD中的光混频并由低噪声激光器（如受激布里渊散射（SBS）光纤激光器或氮化硅（Si₃N₄）微环谐振器（MRR）产生的微谐振腔光频梳）驱动的更安静的太赫兹波源，使得更高阶调制格式的开发成为可能。然而，在32-QAM以上，星座图变得日益密集；随着旋转误差成为主导因素，比特误码率（BER）急剧上升。这给单载波（SC）符号速率或传输距离带来了实际限制。尽管低相位噪声振荡器无法缓解自由空间路径损耗，但它们仍能带来巨大好处：（i）在目标接收功率下，减少相位噪声引起的SNR恶化；（ii）在相同的链路预算下实现更高阶QAM；（iii）减少与相位跟踪参考信号（PT-RS）、前向纠错（FEC）编码或其他导频相关的数字信号处理（DSP）开销。

基于Si₃N₄ MRR的微腔光频梳具有显著的相位噪声抑制特性，而光学频率分频（OFD）、自注入锁定（SIL）和静点工程等技术可以将相位噪声基底推向新低。然而，维持可靠M-QAM太赫兹传输所需的精确相位噪声抑制水平及其底层失真动力学机制尚未得到探索。这一空白促使了本研究，旨在建立一个基于模型的评估，将测量的相位噪声与符号级失真联系起来，并建立实用的容限边界。

**研究内容与方法**
本研究发表于《IEEE Transactions on Learning Technologies》，旨在量化振荡器相位噪声对未编码M-QAM单载波（SC）太赫兹传输的影响。当发射功率已足以建立链路时，相位噪声成为限制可实现的鲁棒性和可用QAM阶数的关键因素。研究人员开发了一个简化的链路模型，将重建的时域相位噪声嵌入其中，以量化符号失真。主要技术方法包括：
1. **相位噪声重建与建模**：基于实验测量的功率谱密度（PSD）掩模，通过插值和随机化重建时域相位噪声，并将其应用于300 GHz载波的模拟上变频过程。对于电子振荡器，考虑了频率倍增链导致的20×log₁₀N放大效应；对于光子学方法（如微腔光频梳），则基于两个光梳齿的差分相位噪声建模，避免了倍增效应。
2. **链路系统建模**：构建了一个包含数字基带处理器、模拟射频（RF）信道和模拟太赫兹源的系统模型。信号经过M-QAM映射、数模转换（DAC）、上变频至300 GHz载波，通过加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，再经下变频和模数转换（ADC）后，由DSP进行解调和性能评估（如BER和EVM）。
3. **失真机制分析与载波相位恢复**：识别了两种不同的相位误差机制——缓慢的公共相位误差（CPE）和快速的瞬时相位抖动。在接收端，采用基于锁相环（PLL）的数字载波相位恢复（CPR）来跟踪和抑制CPE，而瞬时抖动则作为残余损伤保留。
4. **性能评估与容限界定**：通过蒙特卡洛方法和概率模型计算不同条件下的比特误码率（BER）。同时，引入基于均方根误差向量幅度（RMS-EVM）的三倍EVM（3×EVM）误差裕度概念，将相位噪声容限直观地映射到星座图的决策区域上，为不同阶数M-QAM定义了可靠的相位噪声阈值。

**研究结果**
研究人员分析了五种代表性的稳定太赫兹源（包括标准压控振荡器VCO、CMOS振荡器、光混频外腔激光器ECL、高性能任意信号发生器ASG以及基于两点光学频率分频的微腔光频梳）在300 GHz等效频段的相位噪声特性。

* **星座图失真分析**：在20 dB SNR条件下，观察了16-QAM星座图在不同太赫兹源驱动下CPR前后的变化。对于标准VCO和CMOS振荡器，过高的噪声导致巨大的旋转误差，形成圆形星座图案。CPR几乎消除了由低频噪声引起的CPE（全局旋转），但无法校正由高频白相位噪声引起的瞬时误差，后者决定了最终的传输性能。随着相位噪声降低（从VCO到微腔光频梳），CPR后的EVM从~72%降至10%，符号映射的离散度显著减小。
* **高阶QAM性能**：在30 dB SNR条件下，比较了ECL、ASG和微腔光频梳驱动下的64-QAM和256-QAM CPR后星座图。随着相位噪声降低，符号旋转被消除，EVM从~4%降至3.2%。高阶QAM格式由于星座点更密集，对相位噪声的容忍度更为严格，即使轻微的相位误差也会严重降低传输性能，这凸显了采用高Q值MRR微腔光频梳作为载波源的优势。
* **比特误码率评估**：计算了64-QAM的BER与相位噪声幅度及每比特信噪比（E_b/N₀）的关系。结果表明，随着E_b/N₀增加或残余相位噪声幅度σ_inst减小，BER可快速改善数个数量级。对于强相位噪声振荡器（如VCO、CMOS），BER曲线斜率平缓，对SNR提升的敏感度显著降低，意味着严重的信道SNR惩罚。相反，低噪声振荡器（如微腔光频梳）的BER曲线接近理论界限，斜率陡峭，表明即使发射功率小幅增加也能带来显著性能改善。这揭示了相位噪声容限的存在：一旦相位不确定度被抑制到阈值以下，通信系统便能充分利用可用SNR，达到高能效状态。
* **相位噪声容限与3×EVM准则**：基于3×EVM误差裕度（确保所有符号偏差保持在决策区域内），量化了不同M-QAM格式的相位噪声容限。研究结果表明，RMS-EVM与残余相位噪声幅度呈线性正相关。对于64-QAM，当3×EVM半径R=1（即EVM_rms = 5.14%）时，对应的σ_inst阈值为42 mrad；若采用3GPP标准阈值（EVM_rms = 8%），则对应81 mrad。不同格式的容限分别为：16-QAM约105 mrad，32-QAM约68 mrad，64-QAM约42 mrad，128-QAM约19 mrad。这为评估特定太赫兹源是否支持可靠传输特定QAM格式提供了实用的工程指导。
* **联合容限与SNR需求分析**：模拟了64-QAM在相位噪声和信道AWGN联合影响下的3×EVM半径。在高SNR和小相位不确定度的区域，误差半径最小，传输最稳健。当相位噪声可忽略时，3×EVM半径随SNR增加而迅速减小；而在强相位噪声下，半径对SNR几乎不敏感，表明额外的发射功率无法改善符号可靠性。研究还量化了不同太赫兹源支持各阶QAM所需的SNR阈值差异。例如，在256-QAM传输中，微腔光频梳与ASG之间的SNR阈值差异约为1 dB，与ECL之间的差异达到6.2 dB。这强调了通过光子学方法开发低相位噪声太赫兹振荡器的重要性，即使是适度的改善也能在频谱效率和传输鲁棒性方面带来实质性增益。

**讨论与结论**
本研究模型在平坦信道和理想收发机下隔离了振荡器相位噪声的影响。在实际太赫兹系统中，额外的损伤（如太赫兹源与光混频不完美、射频前端器件限制、非平坦衰落信道等）可能导致与模拟性能的偏差，但这些因素通常不会改变相位噪声容限行为的定性特征或对SNR和相位噪声水平的相对依赖性。相位噪声在降低有效SNR和决定可实现QAM阶数方面的作用，以及光子学方法在构建低噪声太赫兹链路方面的优势依然存在。

**结论**：本文重点研究了振荡器相位噪声对未编码M-QAM单载波太赫兹直接传输的影响。揭示了符号失真动力学，并定量探索了不同QAM阶数的相位噪声容限。研究人员从测量的频谱中重建时域相位噪声，并将其嵌入简化的太赫兹链路模型中。识别了分别源于缓慢CPE和瞬时相位抖动的不同旋转误差模式。更重要的是，CPE可以通过PLL辅助的CPR几乎完全消除，而瞬时分量则不能；因此，作为残余噪声的白相位不确定度本质上主导了系统误码性能。此外，模拟揭示了一个清晰的相位噪声容限区域。通过将振荡器的噪声基底抑制到该区域内，信号功率的适度增加可以急剧地将BER推至新低，并实现高阶QAM。然而，超过该阈值，则无论可用SNR如何，都无法保证可靠传输。为了直观地量化这种效应，研究人员提出了3×EVM裕度，它显示了EVM与相位噪声幅度之间的线性相关性。由此得出的相位噪声容限对于16-、32-、64-和128-QAM分别约为105 mrad、68 mrad、42 mrad和19 mrad。还观察到了信号功率惩罚效应；例如，提取的256-QAM容限反映了MRR微腔光频梳与ECL光混频方案之间约6.2 dB的SNR惩罚。这些结果揭示了相位噪声的动力学机制，定义了M-QAM太赫兹链路的稳健工作区域，为物理层和协议设计提供了实用指导。低相位噪声光子振荡器（如微腔光频梳）在实现高能效和高频谱效率的太赫兹无线通信方面的优势得到了显著凸显。