[发明专利]基于周期性粗糙金属表面的太赫兹通信系统及其通信方法

说明书

本发明涉及一种基于周期性粗糙金属表面的太赫兹通信系统及其通信方法，太赫兹通信系统和粗糙周期金属面；太赫兹通信系统，包括发送端和接收端；发送端，发射信号，并传播；接收端，捕捉信号，并处理；粗糙周期金属面，用于对信号进行反射和散射。本发明不仅可以产生更多的散射路径，还可以根据需要确定路径的方向，还可以通过多方向、多路径传输，使得接收端进行信号的叠加，获取更多的信息，提升通信的精确度。并且，本发明设计的太赫兹级粗糙表面属于轻量级，具有很高的灵活性，不仅结构简单、制造成本低，且可以减小电磁污染与能源浪费。

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于周期性粗糙金属表面的太赫兹通信系统及其通信方法。

背景技术

随着网络容量的持续增长，无线通信对数据速率的要求日益提升，这推动了太赫兹频率下无线信道的研究。网络的覆盖能力是无线通信系统最重要和最基本的能力，太赫兹通信具有极高的数据速率和巨大的带宽，使得太赫兹在未来无线通信系统中具有难以替代的地位。且由于其有限的传输距离和高定向的窄波束，使它在保密通信系统中具有独特的优势。这是因为相比于较低的频率，在太赫兹的窄波束范围更难放置窃听装置。尽管这种高定向的窄角传输对于窃听者来说是一个极具挑战的环境，它也同时增加了信息传输的风险：太赫兹信号对阻塞的敏感性极大的影响了高机动链路的覆盖和可靠性。

太赫兹频段还具有波长较短的特点，其波长与常见物体表面的粗糙度相当。在进行信号传输时，除了要经历自由空间衰减、分子吸收外，还会经历粗糙物体表面的反射或散射。由粗糙表面散射的多路径、多方向的信号，会使得收发机链路之外的通信链路的搭建成为可能。这对于太赫兹安全通信来说是很大的挑战，但同时也是机遇。国内利用粗糙表面进行散射信号通信的研究较为匮乏，目前无相关专利提出。

低频段的毫米波常用于室内或室外的短距离传输通信，Xu等人在2002年提出了使用60GHz频率的信号来进行多径信道时域和空域特性的研究。他们选择了8种不同的传输环境，使用长达54.7m的走廊、会议室以及停车场等地点，分别采取视距传输、非视距传输和穿透传输的通信方式。经过研究发现，无论是室内还是室外，视距传输和来自周围墙壁及物体(尤其是具有光滑金属表面的物体)的反射都占据多径传输的主要成分。而且，在进行复合墙壁的穿透传输时，墙壁内侧的金属钉，其包含不同粗糙度的表面所反射的信号强度是不同的，光滑面会产生强烈的反射，而粗糙周期金属面却会让散射损耗变得很大。Xu等人的研究表明，在低频毫米波下进行信道估计时，需要考虑的多径传输主要依靠点对点的视线传输和一阶反射波的传输，环境中常见的金属物体会带来反射，但粗糙的金属表面无法对低频毫米波信号进行有效反射，会使得信号传输效率降低。

低频毫米波的波长在毫米到米的量级，而常见物体表面的粗糙度在亚毫米到毫米的量级。这意味着，当使用低频毫米波进行传输时，只能通过点到点的视距传输和反射信号传输，其他信号的强度不足以进行有效解码。这在一定程度上存在着频谱和资源的浪费，与当前绿色低碳的通信理念不符。且仅通过视距传输和反射传输其传输路径较少，当路径中存在遮挡物时，会阻碍信号，从而导致无法及时或准确地接收信号。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于周期性粗糙金属表面的太赫兹通信系统及其方法，可以增加信号利用率，扩大信号覆盖范围，增强通信的准确性、灵活性和安全性。

具体的技术方案：

基于周期性粗糙金属表面的太赫兹通信系统，包括两个部分：太赫兹通信系统和粗糙周期金属面；

太赫兹通信系统，包括发送端和接收端；

所述的发送端，使用Xilinx Vertix-7 FPGA在中频频率下产生16QAM调制信号；FPGA产生的数字信号经DAC转换为模拟信号，再经由二次谐波混频器将信号上变频到射频频率；最后，发射信号通过太赫兹发射天线传播；