当前位置: 首页 > 专利查询>清华大学专利>正文

轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及方法技术方案

技术编号:22534820 阅读:29 留言:0更新日期:2019-11-13 11:00
本发明专利技术公开一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及通信方法,系统包括编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块、发射天线模块、复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块。编码调制模块使比特与星座点建立映射;任意波形发生模块生成加载数据信息的OAM载波;发射端射频链路模块对OAM射频发射信号进行放大滤波;发射天线模块将OAM射频发射信号辐射传输。复合角汇聚透镜模块通过螺旋相位板对OAM射频发射信号进行相位调整,通过嵌套的汇聚透镜将平面波束汇聚到不同焦点上,从而分离各路OAM信道。本发明专利技术降低接收天线阵列的成本,减少各路OAM信道间的串扰,改善误码性能。

The communication system and method of orbital angular momentum electromagnetic wave multiplexing with axial converging receiver

The invention discloses a rail angular momentum electromagnetic wave multiplexing communication system and a communication method for axially converging and receiving, the system includes a coding and modulation module, an arbitrary waveform generation module, a radio frequency link module at the transmitting end, a transmitting antenna module, a composite angular converging lens module, a receiving antenna module, a radio frequency link module at the receiving end and a data demodulation output module. The coding and modulation module makes the bits and constellation points map; the arbitrary waveform generation module generates OAM carrier loaded with data information; the RF link module at the transmitter amplifies and filters the OAM RF transmission signal; the transmitting antenna module radiates and transmits the OAM RF transmission signal. The composite angle converging lens module adjusts the phase of OAM RF transmission signal through the spiral phase plate, and converges the plane beam to different focal points through the nested converging lens, so as to separate each OAM channel. The invention reduces the cost of receiving antenna array, reduces the crosstalk between various OAM channels, and improves the bit error performance.

【技术实现步骤摘要】
轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及方法
本专利技术涉及无线电磁波通信
,特别涉及轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及方法。
技术介绍
电磁波轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)是电磁波固有属性,也是区别于传统的电磁波电场强度之外的另外一个重要物理量。具有OAM的电磁波又被称为“涡旋电磁波”,相位面与传播方向不垂直,呈现螺旋状分布。通常采用的常规平面波相位面与传播方向垂直,因此不具有OAM。具有OAM的电磁波与常规平面电磁波有着显著的不同,它让人们能够从一个新的维度去开发电磁波,在应用电磁波进行信息传输和目标探测领域都具有重大的价值。多输入多输出(MIMO)传输形式的多路复用是现代无线通信系统物理层的一个重要实现方式,近年来,研究人员开始探索使用轨道角动量(OAM)的基于MIMO的替代复用方案,即模态分割复用(ModesDivisionMultiplexing,MDM)。根据电动力学的理论,OAM是电磁波的一种固有的物理属性,统计态OAM与电磁波的场空间分布有关,可以用来产生重叠但正交的涡旋波束,可以用于实现多组发射数据同时同频通信的目的,从而大大提高通信系统的频谱效率。OAM是一种相对较新的无线通信模态,越来越受到潜在的短程视距(LOS)应用的关注,例如高带宽蜂窝回程通信和数据中心内计算机集群之间的互连,这在移动通信和导航探测领域都可能具有重要意义。为了生成带有OAM的电磁波束,2010年Mohammadi等人提出了均匀圆形阵列(UCA)的方式,天线单元在圆环上均匀分布,并且每个单元馈相的相位差为2πl/N,其中N是UCA中的天线单元数,l是产生的OAM模态数。接下来的研究更加突出了OAM-MDM系统的诱人优势,采用更加多样化的收发器设计,在理想条件下可以完全消除不同模态信道间干扰(InterChannelinterference,ICI)。更具体地说,不同OAM模态之间的复用和解复用过程可以通过无源射频设备的移相网络来实现,因此,OAM-MDM方案避免了传统MIMO系统额外的后处理开销。换句话说,虽然传统的MIMO系统依靠复杂的数字信号处理来实现空间复用/解复用,但OAM方案能够提供更简单的硬件系统实现方案。虽然OAM的模态复用避免了传统MIMO系统在抑制ICI方面的信号处理复杂度,而且由于OAM是电磁波固有的物理维度,不同模态之间具有天然的隔离特性,因此理论上能够有效避免ICI的产生。然而,在实际系统中实现不同OAM模态解复用的,传统的UCA天线阵列需要连接大规模的移项网络,这通常是在射频段采用T/R组件来完成的,而射频T/R组件造价昂贵,极大地提高了OAM-MDM通信系统的硬件实现成本,限制了其在实际应用场景中的推广使用。从另一方面来说,携带OAM的电磁波束具有倒锥状的波束形状,能量主要分布在圆环状的主波束内,而随着传输距离的增加,由于波束发散角的存在,能量也逐渐发散,这对于OAM-MDM通信系统的实现带来的极大地困难。2012年,F,Tamburini等人第一次实现了442m长距离OAM点对点传输实验,证明OAM具有长距离复用传输提高通信系统频谱效率的潜力。2016年12月,清华大学航空宇航电子系统实验室完成了27.5公里长距离传输实验,2018年,该课题组进一步将机载传输距离扩展到了172公里,并最终实现了四路四模态OAM复用传输。但是在以上研究中,OAM电磁波的能量发散问题依然存在,这导致只能在部分相位面上对不同模态进行解复用操作,此时在部分相位面上OAM模态已经不再正交,这就带来了串扰问题,从而限制了OAM-MDM系统的传输速率。为了解决以上问题,本专利提出一种轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信系统及方法。充分利用不同OAM模态的不同发散角,在接收端首先对不同OAM模态进行解旋操作,使其变为平面波束,然后采用不同焦距的透镜将解旋后的不同OAM波束汇聚到沿传输方向的不同位置上。透镜可以采用传统的电磁透镜,也可以是超材料表面设计的电磁透镜,而复用传输的OAM电磁波也不限于低频微波电磁波,也可以是激光等高频率电磁波。在透镜之后,经过汇聚作用,不同OAM波束会沿传输方向能量汇集到不同的空间区域,只需要在不同空间区域安装相同的接收装置,即可将不同OAM模态携带的不同信息分别接收下来,进而实现多个OAM模态的解复用分离。本专利提出的OAM电磁波汇聚和纵向解复用传输系统可以省略传统的电磁移相网络,直接在接收端对不同OAM模态进行解复用操作,并且实现了波束能量的汇集,可以大大提高接收信号的信噪比。另外,由于不同OAM模态的波束被汇聚到不同的空间位置,可以方便地实现信息的分离解调,从而在物理层有效地避免了模态间串扰的产生,从而极大地方便了OAM-MDM通信模态在现实应用中的推广和实现。
技术实现思路
本专利技术旨至少在一定程度上解决背景中所述的多模态OAM电磁波在MDM通信模态下的波束能量发散与解复用模态间串扰问题。为此,本专利技术的目的在于提出了一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统。该系统能够降低解不同OAM模态复用传输过程中的串扰,并且通过能量汇聚提高接收端信噪比,同时减少射频硬件系统的开销。为达到上述目的,本专利技术实施例提出的轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信系统,包括信号发生子系统和信号接收子系统,信号发生子系统包括依次连接的编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块和发射天线模块,其中,编码调制模块用于将输入的比特信息经过幅相调制形成星座点,使比特信息与星座点之间建立映射关系;任意波形发生模块用于生成多路独立的载波信号,对每一路载波信号进行移相操作,从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的、对应不同OAM模态的OAM载波信号,并将星座点信息加载到各OAM载波信号上;发射端射频链路模块用于对加载了星座点信息的OAM载波信号进行上变频、滤波和功率放大操作,形成OAM射频发射信号,然后将OAM射频发射信号馈送给发射天线模块;发射天线模块用于把加载了星座点信息的各路OAM射频发射信号辐射到自由空间中传输,形成共轴传输的复用通信波束,信号接收子系统包括依次连接的复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块,其中,复合角汇聚透镜模块包括用于OAM调相的螺旋相位板和汇聚透镜,螺旋相位板用于对共轴传输的多路OAM射频发射信号进行相位面调整操作,从而形成平面波束,然后通过不同焦距的汇聚透镜将所述平面波束汇聚到传输主轴方向的不同的焦点上;接收天线模块包括多个接收天线子模块,各接收天线子模块分别放置在所述不同的焦点上,用于接收采集多路被汇聚透镜分离到不同焦点的OAM射频发射信号;接收端射频链路模块,用于将所述OAM射频发射信号放大和滤波,并将OAM射频发射信号下变频后进行滤波采样,并输入给数据解调输出模块;数据解调输出模块,用于将不同OAM载波信号所传输的不同幅相星座点信息解调出所述输入的比特信息。优选地,发射端射频链路模块是多通道并行结构,发射端射频链路模块每一路通道都包括了混频器、滤波器、放大器,并且所有通道之间共用同一个本振源提供参考时钟信号,使得所有并行通道之间相位同步。优选地,发射天线模块是阵列天线、谐振腔和超材料本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统,包括信号发生子系统和信号接收子系统,其特征在于,信号发生子系统包括依次连接的编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块和发射天线模块,其中,编码调制模块用于将输入的比特信息经过幅相调制形成星座点,使比特信息与星座点之间建立映射关系;任意波形发生模块用于生成多路独立的载波信号,对每一路载波信号进行移相操作,从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的、对应不同OAM模态的OAM载波信号,并将星座点信息加载到各OAM载波信号上;发射端射频链路模块用于对加载了星座点信息的OAM载波信号进行上变频、滤波和功率放大操作,形成OAM射频发射信号,然后将OAM射频发射信号馈送给发射天线模块;发射天线模块用于把加载了星座点信息的各路OAM射频发射信号辐射到自由空间中传输,形成共轴传输的复用通信波束,信号接收子系统包括依次连接的复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块,其中,复合角汇聚透镜模块包括用于OAM调相的螺旋相位板和汇聚透镜,螺旋相位板用于对共轴传输的多路OAM射频发射信号进行相位面调整操作,从而形成平面波束,然后通过不同焦距的汇聚透镜将所述平面波束汇聚到传输主轴方向的不同的焦点上;接收天线模块包括多个接收天线子模块,各接收天线子模块分别放置在所述不同的焦点上,用于接收采集多路被汇聚透镜分离到不同焦点的OAM射频发射信号;接收端射频链路模块,用于将所述OAM射频发射信号放大和滤波,并将OAM射频发射信号下变频后进行滤波采样,并输入给数据解调输出模块;数据解调输出模块,用于将不同OAM载波信号所传输的不同幅相星座点信息解调出所述输入的比特信息。...

【技术特征摘要】
1.一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统,包括信号发生子系统和信号接收子系统,其特征在于,信号发生子系统包括依次连接的编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块和发射天线模块,其中,编码调制模块用于将输入的比特信息经过幅相调制形成星座点,使比特信息与星座点之间建立映射关系;任意波形发生模块用于生成多路独立的载波信号,对每一路载波信号进行移相操作,从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的、对应不同OAM模态的OAM载波信号,并将星座点信息加载到各OAM载波信号上;发射端射频链路模块用于对加载了星座点信息的OAM载波信号进行上变频、滤波和功率放大操作,形成OAM射频发射信号,然后将OAM射频发射信号馈送给发射天线模块;发射天线模块用于把加载了星座点信息的各路OAM射频发射信号辐射到自由空间中传输,形成共轴传输的复用通信波束,信号接收子系统包括依次连接的复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块,其中,复合角汇聚透镜模块包括用于OAM调相的螺旋相位板和汇聚透镜,螺旋相位板用于对共轴传输的多路OAM射频发射信号进行相位面调整操作,从而形成平面波束,然后通过不同焦距的汇聚透镜将所述平面波束汇聚到传输主轴方向的不同的焦点上;接收天线模块包括多个接收天线子模块,各接收天线子模块分别放置在所述不同的焦点上,用于接收采集多路被汇聚透镜分离到不同焦点的OAM射频发射信号;接收端射频链路模块,用于将所述OAM射频发射信号放大和滤波,并将OAM射频发射信号下变频后进行滤波采样,并输入给数据解调输出模块;数据解调输出模块,用于将不同OAM载波信号所传输的不同幅相星座点信息解调出所述输入的比特信息。2.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统,其特征在于,发射端射频链路模块是多通道并行结构,发射端射频链路模块每一路通道都包括了混频器、滤波器、放大器,并且所有通道之间共用同一个本振源提供参考时钟信号,使得所有并行通道之间相位同步。3.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统,其特征在于,发射天线模块是阵列天线、谐振腔和超材料天线中的一种或多种,所述阵列天线是环形阵列;所述接收天线子模块是天线阵子,或谐振腔;所述接收端射频链路模块包括前...

【专利技术属性】
技术研发人员:张超赵宇飞
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京,11

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1