📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 11周: 🔭 太赫茲（THz）革命 × 光無線通訊 × 全雙工
6G 高频 × 光 × 激光鏈路的未來主戰場
104／150單元： THz 調變 🚀 超寬頻下的符號設計
Modulation for Terahertz Communications: Symbol Design under Ultra-Wideband Constraints
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🎯 單元導讀
THz（100 GHz–10 THz）帶來「前所未有的頻寬」：
⭐ 數十 GHz → 數百 GHz → 甚至上 THz 級。
但能力越大，問題越大：
THz 的調變（modulation）不是比特塞得越多越好，而是：
❗ 受限於通道稀疏、多重吸收、超短波長、硬體不穩定
❗ 傳統 5G/mmWave 的調變方式（QAM、OFDM）並非直接可用
❗ 分散式寬頻符號在 THz 頻段有嚴重峰值、相位失真
因此，6G 的 THz 調變會進入一個新的領域：
🌐 準光學 × 超寬頻 × 超短符號 × AI-native 的混合調變設計。
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🧠 一、THz 調變為什麼難？（三大根本原因）
① 通道是 “Ultra-Sparse” 稀疏通道
• 多徑非常少
• 延遲擴散（delay spread）極小
• 一個符號若過長 → 通道快速變化 → ISI 爆炸
→ 調變需短符號（short symbol）、高時間解析度。
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② 超寬頻（Ultra-Wideband, UWB）＝ 系統本身像脈衝雷達
THz 頻寬可以是：
✔ 10 GHz
✔ 50 GHz
✔ 100 GHz
✔ 甚至 1 THz 級
→ OFDM 子載波 spacing 隨頻寬變大 → ICI/ISI 失真劇增
→ PAPR 爆高
→ RF PA 完全撐不住
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③ 硬體不完美（RF Impairments）極為嚴重
包括：
• IQ imbalance
• phase noise（THz 極難控制）
• mixer nonlinearity
• LO jitter（local oscillator）
• 硬體功率飽和
→ 高階 QAM 會被「物理硬體」打回地獄。
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❗因此：
⭐ THz 調變不能單靠高階 QAM，需要全新設計。
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🧠 二、THz 中哪些調變可用？哪些不可用？
✅ 可用（6G／前期研究主流）
• OOK：硬體最簡單，適合開關式 THz 發射器
• Pulse-based / PPM：THz 天然 UWB、低多徑，時間調變比相位可靠
• Single-Carrier（含 SC-FDE）：抗相位雜訊，比 OFDM 穩定，是主力候選
• BPSK / QPSK：相位狀態少，對硬體誤差容忍度高
• OAM 模式調變：利用 THz 高方向性做空間／模式多工
• AI-based waveform：用 ML 適配非理想硬體與通道，屬前瞻方向
❌ 不適合（隱含結論）
• 高階 QAM、OFDM → 相位雜訊放大、硬體難以支撐
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🔑 一句話總結
THz 偏好「單載波、脈衝、低相位敏感」調變，而非高階頻譜效率設計。
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❌ 不適用（或極度困難）
• 256QAM、1024QAM
o 相位雜訊過大
o THz 硬體線性度不足
o BER 急遽上升，實務不可行
• OFDM（傳統）
o PAPR 高，功率放大器效率極差
o ICI 嚴重，對相位雜訊極度敏感
o CFO 影響在 THz 被放大
• FBMC / GFDM
o 需高精度、超窄頻濾波器
o THz 頻段類比濾波器難以實現
o 同步與實作成本過高
• 長符號調變
o 符號時間過長
o 無法追蹤 THz 通道快速變化
o 時變失配造成效能劣化
→ THz 傾向 低階調變 + 超高速符號率。
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🧠 三、THz 符號設計原則（核心規律）
原則 1：短符號（Short Symbol Duration）
通道 coherence time 極短：
→ 符號時間 Ts 必須 ≪ coherence time
→ 減少通道隨時間變化
原則 2：抗雜訊與抗硬體失真
→ 使用 BPSK / QPSK / SC 調變
→ 不使用高階 QAM（phase noise 摧毀）
原則 3：高取樣率、高頻帶寬
→ ADC/DAC 必須支援 100+ GHz
→ 波形準確度成為最大工程挑戰
原則 4：符號能量集中（Pulse-based）
→ 能抗吸收
→ 適合 UWB
→ 適合 RIS 重導
原則 5：AI-native 優化波形
AI 會尋找：
• 最佳脈衝形狀
• 波峰/波谷比（PAPR）最小
• 通道最匹配的 symbol shape
• 自我調整的自適應調變（AMC）
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🧠 四、THz 調變候選波形（未來 6G 的主力）
1️⃣ Single-Carrier (SC) THz Modulation
最符合 THz 特性：
✔ 抗相位噪聲
✔ 符號短
✔ 硬體負擔較小
✔ 適合超寬頻 ADC/DAC
SC 加上等化（FDE）很可能成為 6G THz 主力。
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2️⃣ Pulse-based Modulation（脈衝訊號）
✨ Ultra-Wideband Impulse Radio (UWB-IR):
形如：
|‾‾| |‾‾| |‾‾|
---| |------| |----------------| |---
特性：
✔ 時域稀疏
✔ 不需要高階調變
✔ 抗吸收
✔ RIS 非常容易反射
PPM、BPAM、OOK 都屬於此類。
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3️⃣ OAM（Orbital Angular Momentum）模式調變
THz 的方向性高，易於產生旋渦波（vortex beams）。
可用模態來承載比特：
• 不同 ℓ（角動量）= 不同通道
→ 類似 spatial multiplexing，但在光學領域。
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4️⃣ AI-based Waveform Modulation
利用深度學習自動生成：
• 最適 THz 波形
• 最佳 PAPR
• 通道相容符號
• 多跳 THz × RIS 的最佳波形
6G 會大量使用這種方法。
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🧠 五、公式：THz 中的符號時間與頻寬關係
符號時間 Ts 必須遠小於 coherence time Tc：
⭐ Ts ≪ Tc
Tc 在 THz 中很短（數 ns 等級）。
而符號帶寬（symbol bandwidth）非常大：
⭐ Bs ≫ 1 GHz
THz 調變需符合：
Bs × Ts ≈ 1（或更小）
代表符號極短。
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🧠 六、ASCII：THz 脈衝符號示意圖
Time →
|
| /\ /\ /\
| / \ /\ / \ /\ / \
| / \/ \ / \ / \ / \
--+------------------------------------------>
t0 t1 t2 t3 t4
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Pulse-based THz symbols (extremely short)
此圖說明 THz 通訊採用脈衝式（pulse-based）調變時的時間行為：每個符號由極短時間的高能量脈衝承載，脈衝間隔（t₀～t₄）即代表不同符號或位置資訊。由於 THz 通道以 LOS 為主、多徑極少，這種超短符號設計可避免符號間干擾（ISI），並能快速追蹤通道變化，同時降低對相位同步的依賴，非常適合 THz 的超寬頻與高時間解析度特性。
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🧠 七、工程挑戰：為什麼 THz 調變必須重新設計？
✔ 1. PA/LNA/LO 在 THz 頻段極不穩定
→ 高階調變直接死亡。
→ 低階或脈衝式調變存活。
✔ 2. 100+ GHz 寬頻下的 ICI/ISI 會劇增
→ OFDM 幾乎不可用
→ Single-Carrier 再次回歸主流
✔ 3. 同步（synchronization）難度激增
→ THz 的 phase noise 可摧毀所有星座圖
✔ 4. 波束追蹤（beam tracking）需要 AI
→ UE 隨便動一下，波束就射偏了
✔ 5. 通道極度稀疏
→ 調變需專門為「稀疏通道」設計
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🧠 八、模擬題（課後練習）
1️⃣ 模擬 300 GHz、500 GHz 下 SC-FDE 與 OFDM 的 BER 差異。
2️⃣ 比較 BPSK/QPSK/16QAM 在 phase noise = –70 dBc 下的性能。
3️⃣ 設計 1 THz 下的脈衝波形，測試 PPM 與 OOK 的 SNR 門檻。
4️⃣ 模擬 RIS 反射後的 THz 脈衝波形失真。
5️⃣ 對比 AI-generated waveform 與傳統 pulse waveform 的 BER。
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🧠 九、小結
✔ THz 調變不是「更高 QAM」，而是「更適合 THz 的符號」
✔ 超寬頻使 OFDM 接近不可用
✔ Single-Carrier、Pulse-based 變成主力
✔ 高階調變因 phase noise + PA nonlinear 被淘汰
✔ AI-native 波形將成為 6G THz 調變核心
✔ THz 調變比 5G 更接近光學脈衝工程
一句話：
🚀 THz 的調變設計，是 6G 最能體現「無線 × 光學 × AI」融合的技術前線。
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