一種單用戶四維無線調(diào)制解調(diào)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領(lǐng)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調(diào)制解調(diào)器。本發(fā)明借助于單個空間電磁源入射一個矢量天線的電磁場信號表達(dá)式，描述了利用矢量天線來調(diào)制、解調(diào)空間單路電磁波四維參數(shù)的基本原理。在發(fā)送端，使用矢量天線的一對電、磁偶極子來產(chǎn)生一路含四維調(diào)制參數(shù)信號；而接收端則使用以單矢量天線為載體、幾何代數(shù)為數(shù)學(xué)工具進(jìn)行參數(shù)解調(diào)。本發(fā)明從理論上推導(dǎo)了一路四維調(diào)制信號傳輸情況下的誤符號率，并用仿真加以了驗證。理論分析與仿真結(jié)果均表明：本發(fā)明提出的單用戶四維無線調(diào)制解調(diào)器較傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器具有更高的傳輸速率和更低的誤符號率。
【專利說明】—種單用戶四維無線調(diào)制解調(diào)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種單用戶四維無線調(diào)制解調(diào)器。
【背景技術(shù)】
[0002]調(diào)制解調(diào)是無線通信系統(tǒng)中一項關(guān)鍵的技術(shù)。一般而言，常用的調(diào)制方式主要包括:脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation, PAM)、相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)和正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)[1]。這些調(diào)制方式都是以不同的參數(shù)作為調(diào)制變量來傳遞信息的，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。由于在信息傳輸?shù)倪^程中，PAM和PSK僅使用了電磁波信號的幅度或相位作為調(diào)制變量，故它們的調(diào)制自由度是一維的。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的QAM調(diào)制，由于能同時利用了信號的幅度和相位來傳遞信息，因此其調(diào)制自由度是二維的。
[0003]1994年，Nehorai等人在文獻(xiàn)[2]中首次指出了:在使用矢量天線收發(fā)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(shù)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于空間同一點(diǎn)上構(gòu)成的，可分別收發(fā)空間三維電、磁場信號[3]。該天線的結(jié)構(gòu)特性使單個矢量天線能夠?qū)θS空間中入射電磁波攜帶的所有信息進(jìn)行記錄[3]，這就使得基于矢量天線的參數(shù)(D0A和極化參數(shù))估計性能優(yōu)于傳統(tǒng)標(biāo)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于傳統(tǒng)的標(biāo)量天線[2]。由于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(tài)[2]，這意味著電磁波的極化參數(shù)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，那么電磁信息處理系統(tǒng)的性能將會有巨大的提升空間。此外，文獻(xiàn)
[2][4]和[5]中均給出了矢量天線的具體實現(xiàn)方法。所以，矢量天線已經(jīng)不再只是理論上的概念，這也為其應(yīng)用的理論研究奠定了基礎(chǔ)。
[0004]然而，文獻(xiàn)[2]并未給出如何利用電磁波極化參數(shù)來進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的具體方法。針對這一領(lǐng)域的空白，文獻(xiàn)[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調(diào)制解調(diào)器。該系統(tǒng)從空間電磁場的數(shù)學(xué)描述出發(fā)，推導(dǎo)出了使用矢量天線實現(xiàn)三維調(diào)制的方法；并根據(jù)收發(fā)天線的數(shù)量和位置，提出了多種場景下三維調(diào)制信號的解調(diào)方法。但是，文獻(xiàn)[6]中提出的三維調(diào)制解調(diào)器并未利用到電磁波的相位參數(shù)來攜帶信息，所以其性能還有進(jìn)一步提高的空間。
[0005]仔細(xì)研究文獻(xiàn)[6]可以發(fā)現(xiàn)，高維(多于二維)無線調(diào)制解調(diào)器的重點(diǎn)之一在于如何在解調(diào)過程中對入射電磁波方向(DOA)參數(shù)的估計，該模塊的性能和復(fù)雜度會直接影響整個調(diào)制解調(diào)器的誤符號率和傳輸速率?；谑噶刻炀€估計電磁源DOA參數(shù)的算法研究是從上世紀(jì)90年代持續(xù)至今的一個研究熱點(diǎn)，至今已有許多算法可供選擇，它們可歸為以下三種數(shù)學(xué)模型:長矢量模型[2][hi]、四元數(shù)模型[?16]和幾何代數(shù)模型[1卜19]。
[0006]上世紀(jì)60-80年代，Hestenes等人將Clifford代數(shù)的特殊結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)對象的幾何特性結(jié)合起來，提出了幾何代數(shù)的概念[2°]。幾何代數(shù)是一個多維的代數(shù)系統(tǒng)，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(biāo)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(shù)據(jù)的能力，幾何代數(shù)從誕生之日起就作為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具被廣泛應(yīng)用到理論物理等領(lǐng)域[21_24]。
[0007]為了降低其他模型中DOA參數(shù)估計算法的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)存儲空間，文獻(xiàn)[17-19]便將這一問題在三維歐氏空間下幾何代數(shù)的框架內(nèi)進(jìn)行了描述。該類算法的基本思想是用幾何代數(shù)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(shù)中特有的運(yùn)算性質(zhì)，從而使其具有了其他模型所不具備的特性。綜合文獻(xiàn)[17-19]的理論分析和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于幾何代數(shù)的DOA參數(shù)估計方法較其他模型下的方法具有算法復(fù)雜度低、數(shù)據(jù)存儲空間小以及對相關(guān)噪聲具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)勢。綜上，幾何代數(shù)可作為一個非常強(qiáng)大的矢量天線陣列建模和信號處理的工具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于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調(diào)制解調(diào)器，該調(diào)制解調(diào)器較傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器具有更高的傳輸速率和更低的誤符號率。
[0009]本發(fā)明提出的單用戶四維無線調(diào)制解調(diào)器，在調(diào)制端(即發(fā)送端)是通過矢量天線的一對電、磁偶極子來產(chǎn)生一路含四維調(diào)制參數(shù)信號，而在解調(diào)端(即接收端)則使用以單個矢量天線為載體、幾何代數(shù)為數(shù)學(xué)工具進(jìn)行四維參數(shù)解調(diào)。
[0010]本發(fā)明所提出的這一種單用戶四維無線調(diào)制解調(diào)器，主要分為兩部分:一是調(diào)制端發(fā)送一路含四維調(diào)制參數(shù)信號，另一個為解調(diào)端解調(diào)四維調(diào)制參數(shù)。
[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(biāo)系原點(diǎn)處有一矢量天線接收到一個來自遠(yuǎn)場空間電磁源發(fā)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(diǎn)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(quán)利要求】
1.一種單用戶四維無線調(diào)制解調(diào)器，其特征在于:在調(diào)制端，利用矢量天線中一對電、磁偶極子產(chǎn)生一路含四維調(diào)制參數(shù)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(shù)進(jìn)行調(diào)制的信號；即在三維空間中，于極坐標(biāo)等于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(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】吳昊, 張建秋, 蔣景飛 申請人:復(fù)旦大學(xué)