[發(fā)明專(zhuān)利]基于圓陣列嵌套電磁渦旋波MIMO系統(tǒng)收發(fā)天線布局及渦旋信號(hào)分離方法與裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610207419.3
• 申請(qǐng)日: 2016-03-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105932428B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張海林;趙林軍;程文馳;梁芳
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué);陜西理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01Q21/20
• 分類(lèi)號(hào): H01Q21/20;H04B7/04;G01S7/03
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明公開(kāi)了基于均勻圓陣列(UCA，Uniform Circle Array)分形嵌套渦旋電磁波MIMO系統(tǒng)天線陣元布局，即由半徑為r₀陣元數(shù)為M的UCA等間隔分布在半徑為R的圓周上形成UCA分形嵌套結(jié)構(gòu)，半徑為r₀的UCA互不重疊且任意兩個(gè)半徑為r₀的UCA陣元間距不小于1/2載波波長(zhǎng)；公開(kāi)了渦旋電磁波MIMO信號(hào)并行分離方法，即采用本發(fā)明所述天線構(gòu)成渦旋電磁MIMO系統(tǒng)，接收端天線陣元按半徑為r₀的UCA分組，并按組對(duì)陣元的響應(yīng)做遍歷通信雙方約定的模態(tài)l極坐標(biāo)正交變換，得去渦旋MIMO信號(hào)，再對(duì)其解MIMO獲得系統(tǒng)譜效益；公開(kāi)了渦旋電磁波MIMO信號(hào)分離方法的實(shí)現(xiàn)裝置。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種面向MIMO的渦旋電磁波信號(hào)正交變換分離方法與裝置，屬于通信信號(hào)處理技術(shù)與雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨5G無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的諸如手機(jī)終端無(wú)線通信終端、車(chē)載無(wú)線監(jiān)控終端等進(jìn)了人們的日常生活，這些設(shè)備廣泛使用(特別是在擁擠的城市)，使得有限的頻譜資源顯得更加緊張。與此同時(shí)，人們又不斷追求無(wú)線通信向更高傳輸速率、更加可靠以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，使得本已緊俏的可用頻帶承載更是雪上加霜。目前，從信號(hào)調(diào)制、功率控制、抗干擾以及多天線等技術(shù)多角度聯(lián)合運(yùn)用提升頻帶利用率已經(jīng)走到了瓶頸階段，必須尋找新技術(shù)突破增加現(xiàn)有無(wú)線通信信道的容量。2011年6月24日，瑞典科學(xué)家Bo Tide和意大利帕多瓦大學(xué)Fabrizio Tamburini等人在意大利威尼斯驗(yàn)證了渦旋電磁波傳輸信息的能力，為人們打開(kāi)了一扇無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的新大門(mén)。

渦旋電磁波無(wú)線通信技術(shù)的提出并不是Bo Tide等人憑空想象的，早在Tide演示系統(tǒng)出現(xiàn)的20余年前，物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了渦旋光束。隨科技技術(shù)的發(fā)展，2000年以后，渦旋光束傳輸與應(yīng)用研究成為光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，但是渦旋概念在Bo Tide等人之前并未引申到通信的微波波段。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，渦旋電磁波是攜帶有軌道角動(dòng)量(Orbitalangular momentum，OAM)的電磁波，不同的軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波具有不同的螺旋相位波前。利用相同頻率而不同螺旋相位波前的電磁波可以同時(shí)在同一信道互不干擾傳遞，從而極大地增加信道的傳輸容量，Tide等人的研究成果一經(jīng)報(bào)道，在世界范圍內(nèi)迅速掀起了渦旋電磁波數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯繜岢薄?/p>

2015年以來(lái)，隨研究的深入，人們對(duì)載頻在微波波段及其以下的渦旋電磁波的產(chǎn)生、傳輸特征掌握的越來(lái)越清晰，相繼有文獻(xiàn)報(bào)道了渦旋電磁波無(wú)線傳輸演示系統(tǒng)(截止2016年3月19日，報(bào)道的渦旋電磁波無(wú)線傳輸演示系統(tǒng)的距離約500米)，將渦旋電磁波與無(wú)線MIMO技術(shù)相結(jié)合，可同時(shí)獲得渦旋波的譜效與MIMO的譜效，極大的擴(kuò)展頻帶的容量。目前這方面的文獻(xiàn)報(bào)道僅僅局限在系統(tǒng)增益效果的研究上，并未見(jiàn)渦旋電磁波在MIMO系統(tǒng)中如何快速實(shí)現(xiàn)多模態(tài)的分離方法的報(bào)道。

在微波波段以下，有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道渦旋電磁波模態(tài)識(shí)別多借鑒了渦旋光束的干涉方法與相位梯度差檢測(cè)方法。其中干涉方法在微波波段可以應(yīng)用，但對(duì)于短波波段的渦旋電磁波而言，由于信號(hào)波長(zhǎng)相對(duì)更長(zhǎng)，干涉圖樣會(huì)更大，不便于存儲(chǔ)與對(duì)比辨識(shí)。實(shí)踐(或文獻(xiàn))證明：在單束渦旋光束通信中，渦旋信號(hào)的振幅、相位是不帶調(diào)制信息的，否則會(huì)影響干涉圖樣清晰度，因此采用干涉法識(shí)別信號(hào)的渦旋電磁波通信系統(tǒng)，沒(méi)有最大化利用渦旋電磁波的可用調(diào)制維度，且系統(tǒng)中含有多個(gè)模態(tài)(即拓?fù)浜?渦旋波時(shí)，該分離方法的識(shí)別能力有限。可以預(yù)見(jiàn)：干涉方法分離渦旋電磁波的模態(tài)在渦旋電磁波MIMO通信系統(tǒng)中是不適用的。

相位梯度差法渦旋波模態(tài)檢測(cè)分離是通過(guò)在遠(yuǎn)端渦旋波束中心軸的不同方位角布局兩個(gè)或多個(gè)接收天線(或陣子)，根據(jù)這些天線(或陣子)采樣樣本估算渦旋電磁波的模態(tài)信息的，顯然，使用這種方法的渦旋電磁波通信系統(tǒng)，其渦旋信號(hào)的振幅、相位是不能攜帶調(diào)制信息的，這一點(diǎn)與干涉方法相同。實(shí)踐(或文獻(xiàn))也證明，由于無(wú)線渦旋電磁波空間傳播易受各種因素的影響，相位梯度差法分離多模態(tài)混合渦旋電磁波模態(tài)信息能力有限，受采樣天線布局、估算方法與量化計(jì)算等人為因素的影響，精度有限。因此，相位梯度差這類(lèi)方法在渦旋電磁波MIMO通信系統(tǒng)中也不適用的。