CN102594767A - 通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法 - Google Patents

通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法 Download PDF

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CN102594767A CN2012100289525A CN201210028952A CN102594767A CN 102594767 A CN102594767 A CN 102594767A CN 2012100289525 A CN2012100289525 A CN 2012100289525A CN 201210028952 A CN201210028952 A CN 201210028952A CN 102594767 A CN102594767 A CN 102594767A
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张建秋
陈晓光
张俊博
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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种通信系统中信号的极化和幅度结合的三维联合调制与解调的方法。本发明从空间电磁场的数学描述出发，给出对无线通信信号幅度、极化辐角与极化相位角进行三维联合调制解调的方法。根据描述空间电磁场各参数之间的关系方程，首先建立三维联合调制信号的模型，然后讨论三维联合调制信号通过矢量天线发射的实现方式；并给出在接收端通过信号幅度检测及其波达方向（DOA）极化参数估计这两个步骤来实现的对三维联合调制信号进行解调的策略。本发明分析了三维联合调制误码率的计算方法及其性能，分析与仿真结果均表明，本发明方法具有传输速率高和误码率低的优点。

Description

通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种通信系统中信号的调制方法。 
背景技术
调制解调技术关系到信息传输的速率和误码性能。在通信系统中引入速率更快、性能更好的调制解调技术成为提高或改善系统性能的有效途径之一，其中扩展调制解调信号的维度，即将传统的二维调制解调星座图扩展到三维立体调制解调星座图，是提高调制解调性能的直接方法。
在光通信系统中，人们利用光的偏振（极化）信息对光信号的三维调制解调进行了研究[1]-[7]。在无线通信领域，人们在GSM系统中引入了双极化天线，组合了+45度和-45度两副极化方向相互正交的天线，使其在工作收发双工模式的同时，可通过极化分集来代替空间分集接收，从而提高系统的性能。例如：在GSM和EDGE系统中，文献[8]和[9]讨论了如何运用极化信息来控制功放以提高调制的效率，文献[10]研究了极化矢量调制在X波段的相控阵雷达中的应用。
随着矢量天线的发展，为利用电磁波的极化信息提供了新的思路[11]-[16]。文献[11]报道了电磁矢量天线的实验室实现方法。这种电磁矢量天线可以记录三维空间中电磁波所携带的三维电场和三维磁场信息的同时，它还具备了传统标量天线所不具有的性质。例如，接收端可以在不知道具体阵列结构的情况下，对空间电磁源的波达方向（DOA）和极化参数进行估计[12]-[14]；矢量调制器在相控阵天线中对放大器进行控制[15]；矢量天线应用于接收信号相位误差的校正[16]。这些研究表明：将电磁波的几何特性和天线几何结构相结合的电磁矢量天线的出现，使人们发现了许多以前未知的现象和规律[17]-[21]。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提高通信系统数据传输速率、降低数据误码率的信号调制方法。
本发明提供的通信系统中信号的调制方法，是将信号的幅度、极化辐角与极化相位角进行三维联合调制与解调的方法。本发明从空间电磁场的数学描述出发，根据描述空间电磁场各参数之间的关系方程，首先建立了三维联合调制信号的模型，然后讨论了三维联合调制信号通过矢量天线发射的实现方式；并给出了在接收端通过信号幅度检测及其波达方向（DOA）极化参数估计这两个步骤来实现的对三维联合调制信号进行解调的策略；分析了三维联合调制误码率的计算方法及其性能。分析与仿真结果均表明：提出的调制解调方法具有传输速率高和误码率低的优点。
本发明提出的信号的三维联合调制方法，具体内容如下：
通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法，是利用矢量天线对电磁波极化信息敏感的特点，用矢量天线发射携带有极化信息的载波，在接收端同样利用矢量天线进行接收并解调，同时获得原有的幅度调制信息和极化调制信息；使在无线通信中应用‘信号幅度’、‘极化辐角’和‘极化相位角’作为调制解调中携带数据信息的特征参数，极化与幅度三维联合调制的信号的表达式为： 
Figure 271680DEST_PATH_IMAGE002
          
其中，幅度参数
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE003
代表电磁波能量的大小；极化辐角
Figure 531760DEST_PATH_IMAGE004
代表电磁波方向和
Figure 672891DEST_PATH_IMAGE006
方向电场强度的比值；极化差异角
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE007
代表电磁场在方向和
Figure 208094DEST_PATH_IMAGE006
方向的相位差异；
Figure 955471DEST_PATH_IMAGE008
为载波频率。
具体推导如下：
我们知道，空间中的电磁场包含幅度、方向、极化方式、频率、相位等信息。为了描述电磁场的这些信息，在三维空间中建立如图1中所示的以
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 369134DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE011
为单位方向矢量的直角坐标系，在这一坐标系中，用
Figure 783935DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 726483DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 695576DEST_PATH_IMAGE012
作为描述电磁波传播方向的单位矢量。为了获得电磁波的全部信息，就必须要有与传统仅对垂直或者水平极化敏感的天线不同的新天线，矢量天线就是这样一种能敏感电磁波全部信息的天线[11]。矢量天线由三个电偶极子和三个磁偶极子构成，它们在空间上相互正交、同点分布，且具有不同的极化特性，能够同时发射和接收x、y、z三个方向的电场和磁场分量。文献[22]指出，对于远场信号，原点O处矢量天线x、y、z三个方向所接收到的电场信号可以表示为：
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE013
  （2）
其中，
Figure 647352DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE015
、分别表示矢量天线在x、y、z三个方向的电偶极子上感应到的电场分量；
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE017
表示电磁波信号相对于矢量天线的波达方向；
Figure 561267DEST_PATH_IMAGE018
、表示矢量电磁波电场的极化方向；
Figure 17656DEST_PATH_IMAGE020
表示信号的俯仰角，即z轴与入射信号方向之间的夹角；
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE021
表示信号的方向角，即从x轴沿逆时针方向旋转到信号入射方向在x-y平面投影的夹角；
Figure 773123DEST_PATH_IMAGE022
表示极化椭圆长轴与
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE023
方向的夹角；
Figure 631357DEST_PATH_IMAGE024
表示极化椭圆的偏心率。电磁波的极化椭圆如图2所示。
众所周知，参数
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 458585DEST_PATH_IMAGE026
可以完全描绘出电磁波的极化情况[22]。为了更加方便地用复数来描述矢量电磁波的极化参数，人们找到了一组与
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE027
一一对应的变量
Figure 933429DEST_PATH_IMAGE028
，其中，称为矢量电磁波的极化辐角；
Figure 227007DEST_PATH_IMAGE030
称为矢量电磁波的极化相位差。
Figure 939748DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 395000DEST_PATH_IMAGE028
两组变量之间的对应关系如图3所示，它们之间满足[23]：
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE031
                        （3）
因此，对于远场信号，原点O处矢量天线的极化?角度导向矢量a可以表示为[12][13]：
                   （4）
结合式（1）与式（2），将原点O处矢量天线x、y、z三个方向所接收到的电场信号表示为：
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE033
           （5）
其中，
Figure 454409DEST_PATH_IMAGE034
表示空间中的电磁波，
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE035
表示电磁波在直角坐标系中的角度和极化参数；表示电磁波的幅度；
Figure 2012100289525100002DEST_PATH_IMAGE037
表示电磁波的传播方向信息；
Figure 178969DEST_PATH_IMAGE038
表示电磁波的极化信息；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
表示电磁波的复包络，
Figure 97246DEST_PATH_IMAGE040
是电磁波的频率。
文献[22]在得到了式（2）中所示的矢量电磁场表达式之后，认为电磁场的幅度、极化、相位等参数均可以用来传递信息，并指出，联合这些参数的矢量调制方式是未来调制解调的研究方向之一。然而，文献[22]中只是说明了电磁波的全部参数均可以用来传递信息，并指出了传统的时间和空间上均正交的双路调制只是多维调制的一种特殊情况，但其中未能给出如何利用这些参数来进行调制的方法。同时，文献[22]中也没有给出多维调制相适应的解调方法。本发明从空间电磁场的表达式出发，就是期待找到这样的调制与解调方法，即可以覆盖全方位角的多维调制解调。
式（2）给出了描述矢量电磁场各个参数之间关系的方程，下面我们从这一方程出发，结合矢量天线对极化信息敏感的特点，提出一种多参数的联合矢量调制方法，并给出其调制信号的矢量表达式和三维星座点的排布方式。
当发射天线和接收天线在空间中的相对位置固定时，即式（5）中电磁波传播方向信息（DOA）的参数
Figure DEST_PATH_IMAGE041
是一个定值，此时，天线接收到的信号只与发送信号的幅度（能量）、极化信息、频率信息、初始相位以及噪声有关。针对这一情况，我们考虑利用表示空间电磁波的幅度、极化辐角和极化相位差这三个参数（
Figure 263785DEST_PATH_IMAGE042
）来实现的三维联合调制。此时：我们仍然使用图1中的
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，，来表示三维空间直角坐标系的单位方向矢量，以
Figure 279332DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 419326DEST_PATH_IMAGE048
来表示TEM波传播方向的单位矢量，则全极化TEM波的电场分量E可以表示为[24]：
Figure 123977DEST_PATH_IMAGE050
                       （6）
Figure DEST_PATH_IMAGE051
称为TEM波的水平极化分量，将
Figure 665816DEST_PATH_IMAGE023
称为TEM波的垂直极化分量。由
Figure 164931DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 261063DEST_PATH_IMAGE023
构成的TEM波极化椭圆，如图2所示：
在极化模式唯一确定的情况下，TEM波，
Figure 900172DEST_PATH_IMAGE047
方向电场分量可以表示为[24]：
Figure 39029DEST_PATH_IMAGE052
                      （7）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为TEM波的幅度，电磁波在传播方向
Figure 153616DEST_PATH_IMAGE012
方向上电场分量为0。
在假设电磁波复包络初始相位为0的条件下，将电磁波的复包络和频率信息表示为：
Figure 934490DEST_PATH_IMAGE054
                            （8）
将式（8）代入式（7）和式（6），可以得到TEM波
Figure 450922DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 760680DEST_PATH_IMAGE006
方向电场复包络信号为：
Figure 362563DEST_PATH_IMAGE056
             （9）
基于式（8），QAM调制信号可以表示为[25]：
Figure 947128DEST_PATH_IMAGE058
   （10）
式中A mc 和A ms 分别是电磁波复包络信号复幅度的实部和虚部。
QAM调制是通过给两路相互正交的载波赋予不同的幅度来实现的。在QAM调制中，其星座点所对应的能量不再是一个定值。正是由于QAM调制不满足
Figure DEST_PATH_IMAGE059
是一个定值这一约束条件，它才可以同时传递幅度信息和相位信息，通过式（10）可以得到QAM调制的另一种等价表示形式：
Figure 318067DEST_PATH_IMAGE060
     （11）
其中：
                         （12）
对比式（11）所示的QAM调制信号与式（9）所示的TEM波信号，可以发现，QAM调制信号与TEM波信号在这一约束条件下具有同样的表达式。QAM调制的调制变量和
Figure DEST_PATH_IMAGE065
与TEM波的幅度参数和极化参数
Figure 767185DEST_PATH_IMAGE004
具有相同的数学表现形式。
在QAM调制中，需要将TEM波的复包络约束为这一条件。其原因是只有这样，才能在对复包络进行取实部操作后，获得I、Q两路频率相同，而且相互正交的载波
Figure 995221DEST_PATH_IMAGE066
和。获得这两路相互正交的载波的目的，是因为在接收端解调的过程中，只有满足I、Q两路载波相互正交的条件，才能使用相干解调等非常方便的解调方法来完成对调制信号的解调。换言之，正是由于接收端的相干解调方法的需要，必须将极化参数
Figure 452748DEST_PATH_IMAGE007
固定为的定值，从而实现I、Q两路载波的正交。
那么，如果可以找到一种解调方法，不需要依赖于载波信号的具体波形也能够恢复出幅度和极化参数，是否就意味着可以利用更多的调制参数进行解调呢？如果能找到这样的方法，就可以不必再将极化参数固定为
Figure 887774DEST_PATH_IMAGE063
的定值，而可以将极化参数
Figure 352253DEST_PATH_IMAGE007
作为新的可以携带信息的调制变量，从而实现三维联合调制，我们称这种三维联合调制为极化的QAM调制，简称为PQAM调制。
PQAM与传统的QAM有所区别的另一个地方是，它是利用载波本身的极化参数去传递信息的，且具有同QAM相类似的数学表达式，但在本质上， QAM是通过把基带信息调制到载波的幅度和极化参数
Figure 552291DEST_PATH_IMAGE004
上，而在PQAM的调制中，则是把基带信息调制同时到载波的幅度参数
Figure 811234DEST_PATH_IMAGE003
、极化参数
Figure 831142DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 364892DEST_PATH_IMAGE007
。
在本发明提出的PQAM调制中，选取电磁波的幅度
Figure 888277DEST_PATH_IMAGE003
、极化辐角
Figure 583701DEST_PATH_IMAGE004
和极化差异角
Figure 825326DEST_PATH_IMAGE007
这三个参数作为携带信息的调制变量。并依然采用式（8）中所描述的
Figure 897187DEST_PATH_IMAGE068
作为联合调制的载波信号，其频率为，那么TEM波在
Figure 406983DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 401484DEST_PATH_IMAGE006
方向电场复包络信号
Figure 277036DEST_PATH_IMAGE055
的式（9）就可以重新写成：
      （13）
同PSK、QAM调制相类似，对式（13）中的TEM波的复包络进行取实部操作，就可以得到PQAM调制的信号如下：
Figure 812240DEST_PATH_IMAGE072
  （14）
式中，幅度参数
Figure 559616DEST_PATH_IMAGE003
代表电磁波能量的大小；极化辐角
Figure 442121DEST_PATH_IMAGE004
代表电磁波
Figure 325763DEST_PATH_IMAGE005
方向和
Figure 2732DEST_PATH_IMAGE006
方向电场强度的比值，从前面的分析可知其与PSK调制中的参数
Figure 971825DEST_PATH_IMAGE065
具有同样的物理意义；极化差异角
Figure 189180DEST_PATH_IMAGE007
代表电磁场在
Figure 396171DEST_PATH_IMAGE005
方向和
Figure 40779DEST_PATH_IMAGE006
方向的相位差异，在PSK和QAM调制中有，在本发明的PQAM中的
Figure 721476DEST_PATH_IMAGE007
取值范围是
Figure DEST_PATH_IMAGE073
。
这样，就得到了由
Figure 579710DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 395219DEST_PATH_IMAGE004
和这三个参数作为可携带信息的调制变量构成的三维联合PQAM调制的表达式。那么，在实际中应该如何实现这样的调制方式呢？如文献[22]所指出的那样，矢量天线是可以发射全极化电磁波最为有效的手段。矢量天线是由三个电偶极子和三个磁偶极子构成，它们在空间上相互正交、同点分布，且具有不同的极化特性，能够同时发射和接收
Figure 101324DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 814065DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 269318DEST_PATH_IMAGE011
三个方向的电场和磁场分量。当矢量天线的三个电偶极子的方向与图2中建立的空间直角坐标系
Figure 700299DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 797568DEST_PATH_IMAGE010
，方向相同时，对于远场电磁波信号，矢量天线发射的电磁源(角度和极化参数为
Figure 990969DEST_PATH_IMAGE035
)信号在矢量天线三个电偶极子的原点O处的电场可以表示为[11][15][16]：
Figure DEST_PATH_IMAGE075
         （15）
式中，
Figure 643667DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 544627DEST_PATH_IMAGE078
分别表示电磁波在，
Figure 560173DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 169009DEST_PATH_IMAGE011
三个方向上的电场分量；
Figure 608081DEST_PATH_IMAGE051
表示电磁波的水平极化分量；将
Figure 149921DEST_PATH_IMAGE023
表示电磁波的垂直极化分量。
从式（15）中可以看到，
Figure 117877DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 756886DEST_PATH_IMAGE023
会在矢量天线
Figure 999648DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 130415DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 800431DEST_PATH_IMAGE011
方向的三个电偶极子上产生感应电压。将电磁波极化分量的表达式（7）代入式（15），可以得到矢量天线
Figure 118280DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 164733DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 681165DEST_PATH_IMAGE011
方向上的电场分布为：
Figure 990924DEST_PATH_IMAGE080
     （16）
再将式（14）中得到的PQAM表达式代入式（16），便得到了在利用矢量天线发射PQAM调制信号时，矢量天线
Figure 327227DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 380634DEST_PATH_IMAGE010
，方向电偶极子上的电场表达式：
Figure 763391DEST_PATH_IMAGE082
     （17）
至此，本发明通过引入极化参数作为新的调制变量，得到三维联合调制的复包络表达式（14）和调制信号表达式（17），并基于矢量天线实现了三维联合调制，给出了矢量天线
Figure 321411DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 444088DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 935112DEST_PATH_IMAGE011
方向所发射的信号的表达式。
三维联合调制信号的解调方法：
本发明还提供通信系统中信号的极化和相位结合的三维解调方法，具体是在解调时，通过极化参数估计和幅度检测两个步骤对信号的幅度、极化辐角与极化相位角进行联合的解调，并恢复出原始信息。
该方法中，在恢复信号的极化参数时，用最小二乘方法、MUSIC搜索方法等达波方向极化参数估计方法来进行计算，从而恢复出信号的极化参数。
具体介绍如下：
对于单信号源发射、单矢量天线接收的情况，我们可以将矢量天线x、y、z三个方向电偶极子上接收到的电场信号表示为[26]：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
                （18）
其中，
Figure 117832DEST_PATH_IMAGE084
代表矢量天线x、y、z三个方向电偶极子上接收到的电场信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE085
代表信号源的波达方向；
Figure 428727DEST_PATH_IMAGE086
代表信号的极化参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE087
代表信号的复包络；
Figure 355095DEST_PATH_IMAGE088
代表三个方向上电场信号的噪声。式（18）展开后的表达式可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE089
      （19）
令
Figure 700626DEST_PATH_IMAGE090
代表信号极化参数的估计，当信号源的达波方向
Figure DEST_PATH_IMAGE091
已知时，根据式（18）（19）求得信号的极化参数的估计
Figure 585405DEST_PATH_IMAGE092
。可以看出，式（19）是一个超定方程，对这样的方程，可以用最小二乘方法进行求解[27]。在式（18）两边都乘以
Figure DEST_PATH_IMAGE093
的伪逆，得到： 
                   （20）
将
Figure 582497DEST_PATH_IMAGE085
的表达式带入式（20），便得到：
Figure 782534DEST_PATH_IMAGE096
（21）
于是有：
Figure DEST_PATH_IMAGE097
        （22）
根据式（22），可以得到：
Figure 307057DEST_PATH_IMAGE098
 （23）
在使用最小二乘方法求得信号的极化参数
Figure DEST_PATH_IMAGE099
后，可以通过幅度检测获得电磁场的幅度信息
Figure 592544DEST_PATH_IMAGE100
，从而获得三维联合调制的三个变量。
通过上述两个步骤，在接收端利用单矢量天线解调出三维联合调制的三个变量，从而实现了三维联合调制信号的解调。
其调制与解调的具体步骤如图4所示。
附图说明
图1为矢量天线极化-角度导向矢量方向图。
图2为TEM波极化椭圆。
图3为电磁波极化参数的等价转换。
图4为三维联合调制与解调的流程图。
图5为32PQAM、64PQAM和128PQAM调制误码率对比。
图6为三维64PQAM调制和二维64QAM调制误码率对比。
具体实施方式
无线通信较光纤通信会存在空间电磁波的干扰，如何克服这些干扰信号对极化与相位三维联合调制带来的影响呢？我们知道在环境比较空旷，高度比较高的高空，空间电磁场比较稳定，电磁波干扰变化的速度比较缓慢。而微波中继通信和卫星通信的信道环境恰恰满足这两个特点。于是，本发明在信号传输过程中，每隔一段时间间隔就插入一段固定的导频信号，由于高空电磁场变化缓慢，可以认为在每个时间段内的电磁场是稳定的。导频信号可以为极化相位的联合调制解调提供一个初始值，可以用来修正空间电磁场干扰对极化信号带来的影响。具体可分为以下七个步骤来实现，系统框图如图7所示。
（1）数据的三维星座图成形，将二进制数据信息对应到三维联合调制星座图的星座点上；
（2）插入导频信息，在
Figure DEST_PATH_IMAGE103
处（T为码元周期），插入一段固定的导频信息以消除空间电磁波的干扰；
（3）三维联合调制，将成形好的星座图调制为全极化电磁波，并通过矢量天线发射；
（4）无线信道传输，电磁波在无线信道中传输；
（5）联合相干解调，通过信号幅度检测及其波达方向（DOA）极化参数估计这两个步骤来实现的对三维联合调制信号进行解调；
（6）去掉导频信号，恢复出所传输的数据；
（7）恢复数据信息，从三维星座图中，恢复出原始的数据信息。
可以得到
Figure 711996DEST_PATH_IMAGE104
点PQAM调制信号的误码率表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE105
   （24）
当时，取
Figure DEST_PATH_IMAGE107
，此时
Figure 180203DEST_PATH_IMAGE108
的误码率可以由
Figure DEST_PATH_IMAGE109
误码率和
Figure 783223DEST_PATH_IMAGE110
误码率组合求得；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE111
时，取
Figure 692273DEST_PATH_IMAGE112
，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE113
的误码率可以由
Figure 824177DEST_PATH_IMAGE114
误码率和
Figure 818678DEST_PATH_IMAGE110
误码率组合求得；
当时，取
Figure 694230DEST_PATH_IMAGE116
，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE117
的误码率可以由
Figure 457787DEST_PATH_IMAGE109
误码率和
Figure 760592DEST_PATH_IMAGE118
误码率组合求得。
分别以32PQAM、64PQAM和128PQAM调制为例，对三种调制信号的误码率可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE119
   （25）
Figure 304706DEST_PATH_IMAGE120
                            （26）
Figure 187212DEST_PATH_IMAGE122
    （27）
三维联合32PQAM、64PQAM和128PQAM调制信号的误码率仿真结果如图5所示；三维联合64点PQAM调制和二维64QAM的BER进行仿真对比，结果如图6所示。
从图5中可以看出，三维联合调制的误码率性能也是随着星座点的增加而降低，这是由于当星座点增加时，会导致三维星座图中星座间点的欧几里德距离减小。从图6中可以看出，在星座点数量为64的情况下，三维64PQAM比二维64QAM具有更低的误码率。其原因是由于星座点数量相同时，分布在三维空间中的PQAM信号较二维空间的QAM信号能够获得更大的欧式距离；或者说，在BER相近时，即分布在三维空间中的PQAM信号星座点与二维空间中的QAM信号星座点的最小欧式距离相近时，由于三维空间中可容纳更多的星座点，因而能同时传递更多的信息，在相近的误码率下，PQAM具有更高的数据传输效率。
本发明提出了一种将信号幅度、极化辐角与极化相位角进行三维联合调制的方法，给出了三维联合调制信号的表达形式，并给出了基于矢量天线的三维联合调制的实现方法。在接收端，通过最小二乘方法估计出信号的极化参数估计，并用包络检波方法恢复出信号的幅度参数，成功实现了三维联合调制信号的解调。并根据解调原理得到了三维联合调制误码率理论下界，蒙特卡罗仿真实验验证了理论结果。分析与仿真结果均表明：提出的调制方法具有传输速率高和误码率低的优点。
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Claims (7)

1.一种通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法，其特征在于利用矢量天线对电磁波极化信息敏感的特点，用矢量天线发射携带有极化信息的载波，在接收端同样利用矢量天线进行接收并解调，同时获得原有的相位调制信息和极化调制信息；使在无线通信中应用‘信号幅度’、‘极化辐角’和‘极化相位角’作为调制解调中携带数据信息的特征参数，极化与相位三维联合调制的信号的表达式为： 
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE002
其中，幅度参数
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE004
代表电磁波能量的大小；极化辐角代表电磁波
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE008
方向和
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE010
方向电场强度的比值；极化差异角
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE012
代表电磁场在方向和
Figure 267753DEST_PATH_IMAGE010
方向的相位差异；
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE014
为载波频率。
2.根据权利要求1所述的通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法，其特征在于利用矢量天线发射PQAM调制信号时，矢量天线
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE020
方向电偶极子上的电场表达式为：
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE022
其中，表示电磁波的水平极化分量；将
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE026
表示电磁波的垂直极化分量。
3.根据权利要求1或2所述的通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法，其特征在于以A代表极化椭圆幅度比，满足0<<1，将所有星座点归一化到半径为1的球面之内；A相同的信号，在星座图中分布在同一个球面上；以
Figure 68798DEST_PATH_IMAGE012
代表信号的相位调制分量，
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE028
，代表信号点投影在x-y平面后与x轴的夹角，以
Figure 820854DEST_PATH_IMAGE006
代表信号的极化方位角，0<
Figure 643316DEST_PATH_IMAGE006
<
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE030
，代表信号与z轴的夹角。
4.根据权利要求3所述的通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法，其特征在于在信号传输过程中，每隔一段时间间隔插入一段固定的导频信号，该导频信号为极化相位的联合调制解调提供一个初始值，用来修正空间电磁场干扰对极化信号带来的影响。
5.一种通信系统中信号的极化和幅度结合的三维解调方法，其特征在于在解调时，通过极化参数估计和幅度检测两个步骤对信号的幅度、极化辐角与极化相位角进行联合的解调，并恢复出原始信息。
6.根据权利要求5所述的通信系统中信号的极化和幅度结合的三维解调方法，其特征在于在恢复信号的极化参数时，用最小二乘方法、MUSIC搜索方法达波方向极化参数估计方法来进行计算，从而恢复出信号的极化参数。
7.根据权利要求6所述的通信系统中信号的极化和幅度结合的三维解调方法，其特征在于所述信号的极化参数
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE032
解调表达式为：
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE034
在求得信号的极化参数后，通过幅度检测获得电磁场的幅度信息
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE038
，从而获得三维联合调制的三个变量
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE040
；其中，
Figure 2012100289525100001DEST_PATH_IMAGE042
代表矢量天线x、y、z三个方向电偶极子上接收到的电场信号。
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