研究背景

毫米波通信与感知一体化技术是极具发展潜力的前沿核心技术，可在统一平台实现高速通信与高精度感知的深度融合。针对传统射频电子设备的带宽局限，光子辅助上变频方案成为有效突破口，能够支撑超宽带通信与感知一体化工作。依托超大带宽优势，光子辅助MMW-ISAC系统可实现厘米级高分辨率感知，同时保障数十Gbit/s的高速数据传输。

目前该技术整体仍处于实验验证阶段，难以满足实际落地需求，现存短板较为突出：受信号功率衰减、接收机灵敏度不足影响，无线传输距离仅局限于20 m以内；高速并行数字信号处理算法研发难度高，现有系统均依赖离线处理，实时性较差；多数实验仅搭建单向链路，无法适配毫米波双向交互的业务场景。

因此，研发搭载实时数字信号处理（DSP）的双向传输MMW-ISAC系统，是突破现有技术壁垒、推动场景化应用的必然需求。

创新工作

复旦大学周雯副教授、余建军教授课题组以构建实时、长距离、大容量光子辅助MMW-ISAC系统为核心目标，基于光子辅助技术路线开展了一系列技术创新：

1、基于双向飞行时间法，有效缓解了双可编程门阵列（FPGA）间时钟不同步带来的系统性能劣化问题；

2、在离散多音调（DMT）基础上优化设计通感融合信号，感知信息采用正交相移键控（QPSK）调制以保障感知鲁棒性，通信数据流通过16/64QAM高阶调制格式实现高速率传输；

3、自研128路并行快速傅里叶变换/逆变换模块、实时信号同步模块及信道补偿与均衡等核心模块，完成了流水线架构设计与时序收敛优化；

团队成功研制了一套实时双向光子辅助MMW-ISAC实验系统。该系统由两部分组成，包括基站（BS）和用户设备（UE）。实验装置部署在复旦大学邯郸校区，两端相距50.81 m（见图1）。

图1 实时双向光子辅助MMW波段ISAC系统的实验装置

UE和BS的实时收发器均基于Xilinx AUV901 FPGA平台实现，集成了6位、30GSa/s的数模/模数转换器（DAC/ADC）。该系统的测距功能基于TW-ToF原理，通过128路并行同步模块实现高精度飞行时间估计，根据BS和UE中异步收发器之间交换的ISAC信号的往返传播时间计算目标距离。

在上行链路中，UE发射机采用了两台频率间隔为100 GHz的外部腔激光器（ECL1和ECL2），其输出通过偏振维持光学耦合器（PM-OC）耦合,并注入马赫-曾德尔调制器（MZM）作为光学载波。

FPGA实时生成DMT-ISAC信号，随后通过电放大器（EA）放大，用于驱动MZM。调制后的光信号通过标准单模光纤传输，随后通过光电二极管转换为毫米波ISAC信号。

在BS接收端，包络检测器对100 GHz的ISAC信号进行下变频。产生的基带信号通过EA放大，由板载ADC以30 GSa/s、6位分辨率采样，并由FPGA实时处理。

本研究提出的实时双向光子辅助MMW-ISAC系统在50 m外场实验中实现了16.14-Gbit/s的高传输速率，距离分辨率达到0.508 cm。全面突破了现有系统在传输距离、实时性与工作模式上的局限。

后续工作

通信方面，提出的系统可采用更高频的太赫兹光电器件和收发器件以提高工作频段，大幅提高通信速率；此外，还可引入相干接收架构以提升接收灵敏度和相位稳定性。感知方面，未来通过在FPGA上使用更高精度的外部时钟源可进一步降低测距误差。

全文链接：王起航, 周雯, 徐思聪, 王思齐, 张杰, 卢鑫, 陈家立, 卞诚真, 林静雯, 葛景涛, 欧志航, 王童, 马源, 张腾升, 李韦萍, 王凯辉, 余建军. 长距离实时双向光子辅助毫米波通信与感知一体化系统[J]. 中国激光, 2026, 53(10): 1006001.

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