一種單用戶四維無線數據機的製造方法
2023-05-17 07:37:46 2
一種單用戶四維無線數據機的製造方法
【專利摘要】本發明屬於通信【技術領域】，具體為一種使用單路電磁波的幅度、相位、輔助極化角和極化相位差異角來同時攜帶信息的單用戶四維無線數據機。本發明藉助於單個空間電磁源入射一個矢量天線的電磁場信號表達式，描述了利用矢量天線來調製、解調空間單路電磁波四維參數的基本原理。在發送端，使用矢量天線的一對電、磁偶極子來產生一路含四維調製參數信號；而接收端則使用以單矢量天線為載體、幾何代數為數學工具進行參數解調。本發明從理論上推導了一路四維調製信號傳輸情況下的誤符號率，並用仿真加以了驗證。理論分析與仿真結果均表明：本發明提出的單用戶四維無線數據機較傳統數據機具有更高的傳輸速率和更低的誤符號率。
【專利說明】—種單用戶四維無線數據機
【技術領域】
[0001]本發明屬於通信【技術領域】，具體涉及一種單用戶四維無線數據機。
【背景技術】
[0002]調製解調是無線通信系統中一項關鍵的技術。一般而言，常用的調製方式主要包括:脈衝幅度調製(Pulse Amplitude Modulation, PAM)、相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)和正交幅度調製(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)[1]。這些調製方式都是以不同的參數作為調製變量來傳遞信息的，如PAM和PSK是分別通過控制電磁波信號的幅度和相位來攜帶信息。由於在信息傳輸的過程中，PAM和PSK僅使用了電磁波信號的幅度或相位作為調製變量，故它們的調製自由度是一維的。在此基礎上發展起來的QAM調製，由於能同時利用了信號的幅度和相位來傳遞信息，因此其調製自由度是二維的。
[0003]1994年，Nehorai等人在文獻[2]中首次指出了:在使用矢量天線收發電磁波的過程中，電磁場的幅度、傳播方向、極化方式、頻率和相位等參數都可以用來傳遞信息。而所謂的矢量天線是由三根相互正交的電偶極子(電場天線)和三根相互正交的磁偶極子(磁場線圈)這六根有向天線在位於空間同一點上構成的，可分別收發空間三維電、磁場信號[3]。該天線的結構特性使單個矢量天線能夠對三維空間中入射電磁波攜帶的所有信息進行記錄[3]，這就使得基於矢量天線的參數(D0A和極化參數)估計性能優於傳統標量天線陣列；同時，在相同的性能要求下，矢量天線的陣列間隙也小於傳統的標量天線[2]。由於具有完備的電磁場信息記錄能力，矢量天線能夠分辨入射電磁波的極化狀態[2]，這意味著電磁波的極化參數能在信號傳遞過程中提供攜帶信息的額外自由度。若這個由極化信息帶來的額外自由度能得以充分利用，那麼電磁信息處理系統的性能將會有巨大的提升空間。此外，文獻
[2][4]和[5]中均給出了矢量天線的具體實現方法。所以，矢量天線已經不再只是理論上的概念，這也為其應用的理論研究奠定了基礎。
[0004]然而，文獻[2]並未給出如何利用電磁波極化參數來進行調製和解調的具體方法。針對這一領域的空白，文獻[6]提出了一種以矢量天線及其陣列為載體，在電磁波幅度、輔助極化角和極化相位差異角上攜帶信息的三維數據機。該系統從空間電磁場的數學描述出發，推導出了使用矢量天線實現三維調製的方法；並根據收發天線的數量和位置，提出了多種場景下三維調製信號的解調方法。但是，文獻[6]中提出的三維數據機並未利用到電磁波的相位參數來攜帶信息，所以其性能還有進一步提高的空間。
[0005]仔細研究文獻[6]可以發現，高維(多於二維)無線數據機的重點之一在於如何在解調過程中對入射電磁波方向(DOA)參數的估計，該模塊的性能和複雜度會直接影響整個數據機的誤符號率和傳輸速率。基於矢量天線估計電磁源DOA參數的算法研究是從上世紀90年代持續至今的一個研究熱點，至今已有許多算法可供選擇，它們可歸為以下三種數學模型:長矢量模型[2][hi]、四元數模型[?16]和幾何代數模型[1卜19]。
[0006]上世紀60-80年代，Hestenes等人將Clifford代數的特殊結構和數學對象的幾何特性結合起來，提出了幾何代數的概念[2°]。幾何代數是一個多維的代數系統，其基本元素被稱為多矢量。每個多矢量是由不同維度的幾何對象，如標量、矢量、二級矢量等組成的一個整體。因為其具備描述多維數據的能力，幾何代數從誕生之日起就作為一個強大的數學工具被廣泛應用到理論物理等領域[21_24]。
[0007]為了降低其他模型中DOA參數估計算法的複雜度和數據存儲空間，文獻[17-19]便將這一問題在三維歐氏空間下幾何代數的框架內進行了描述。該類算法的基本思想是用幾何代數中多矢量這一概念來表示矢量天線上接收到的電、磁場信號，同時利用幾何代數中特有的運算性質，從而使其具有了其他模型所不具備的特性。綜合文獻[17-19]的理論分析和仿真結果可以發現，基於幾何代數的DOA參數估計方法較其他模型下的方法具有算法複雜度低、數據存儲空間小以及對相關噪聲具有很強的魯棒性等優勢。綜上，幾何代數可作為一個非常強大的矢量天線陣列建模和信號處理的工具。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於提出一種使用單路電磁波的幅度、相位、輔助極化角和極化相位差異角來攜帶同時信息的單用戶四維無線數據機，該數據機較傳統數據機具有更高的傳輸速率和更低的誤符號率。
[0009]本發明提出的單用戶四維無線數據機，在調製端(即發送端)是通過矢量天線的一對電、磁偶極子來產生一路含四維調製參數信號，而在解調端(即接收端)則使用以單個矢量天線為載體、幾何代數為數學工具進行四維參數解調。
[0010]本發明所提出的這一種單用戶四維無線數據機，主要分為兩部分:一是調製端發送一路含四維調製參數信號，另一個為解調端解調四維調製參數。
[0011]如圖2所示,在以1、_7和2為單位方向向量的三維直角坐標系原點處有一矢量天線接收到一個來自遠場空間電磁源發射的窄帶電磁波信號。其中，K和#分別表示電磁波的水平和垂直極化分量方向上的單位矢量；"表示電磁波的傳播方向上的單位矢量。在這樣的條件下，矢量天線所接收到·的電磁波為平面波[2]。在如圖2所示情況下，原點處矢量天線在1_7和2三個方向上所接收到的電磁場信號可以表示為[2]:
【權利要求】
1.一種單用戶四維無線數據機，其特徵在於:在調製端，利用矢量天線中一對電、磁偶極子產生一路含四維調製參數即對電磁波幅度、相位、輔助極化角和極化相位差異角這四個參數進行調製的信號；即在三維空間中，於極坐標等於0-， θ\f 』)處為中心:
【文檔編號】H04L27/32GK103873423SQ201410052838
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月17日 優先權日:2014年2月17日
【發明者】吳昊, 張建秋, 蔣景飛 申請人:復旦大學