CN104363039A - 一种利用涡旋电波进行通信的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用涡旋电波进行通信的方法，属于无线通信方法，解决现有利用涡旋电波进行通信的方法中，所存在的接收多个涡旋电波相位差小、信号分辨困难的问题。本发明包括信号发射、信号接收、拓扑荷获取、涡旋电波解调步骤。本发明简单易行，无需增加额外硬件投入，不改变通信系统的核心部件，利用涡旋电波具有相互正交的物理特性，在已知待解调的涡旋电波拓扑荷的情况下，利用方位角积分方法对涡旋电波进行解调，解决了利用相位差进行解调涡旋电波信号所存在的多个涡旋电波相位差小、信号分辨困难的问题；同时，由于待解调的涡旋电波信号幅值增大，即使存在噪声干扰，也能较容易地检测出解调信号，可应用于涡旋电波无线通信系统。

Description

一种利用涡旋电波进行通信的方法

技术领域

本发明属于无线通信方法，具体涉及一种利用涡旋电波进行通信的方法。

背景技术

近年来，由于移动数据业务的快速发展，移动数据呈现爆炸式增长，通信扩容需求不断增大，现有通信方法中利用频率、时间和极化等自由度对通信信号进行复用，但这些资源有限。

传统的电波信号，属于平面电磁波，波前或等相位面为平面。涡旋电波的波前或等相位面为螺旋状结构，而具有螺旋形相位结构的涡旋电波，它本身携带一种角动量，这种角动量称为轨道角动量。具有轨道角动量的电磁波带有相位旋转因子这里k_n通常称为拓扑荷，为任意整数，表示绕波束闭合环路一周线积分为2π整数倍的个数；n为涡旋电波序数；为方位角。若将传统的电波信号表示为S_n(t)，则涡旋电波可表示为：。

与通信信号的频率、时间和极化等自由度类似，轨道角动量是一个新的自由度并可以作为数据信息载体，在某个频段上将传统信号调制成涡旋信号，进而复用涡旋信号，这样就可在不增加频段的情况下，提高通信容量。

由于涡旋电波本身具有正交性，因而在空间传播时，各个涡旋电波之间不会相互影响，这种特性有利于它的复用，而通过角动量的复用不仅可以提高通信容量，而且同时提高了频谱效率；此外，涡旋电波对当前通信的系统几乎无影响；因此，该技术具有很好的应用前景。

现有移动通信一般都工作在特高频频段(UHF，300～3000MHz)，对于这个频段的涡旋电波来说，调制可利用特殊的涡旋天线，解调可采用多根接收天线计算相位差的方法。国外试验表明：对于涡旋电波的接收，在接收端通过干涉仪测量天线A、B之间的相位差，它表征了电磁波的空间相位特性，为了区分这种特性，天线A、B和电磁波奇点应该在同一直线上，其中奇点位于天线A、B的中点位置。这样，拓扑荷为1的涡旋电波会在两天线之间产生180°的相位差，随后补偿延迟，将会产生一个最大场强；而拓扑荷为0的电磁波在相同的装置实验下，则有0°的相位差，产生一个最小场强。

利用这种特性，F.Tamburini等于2012年首次成功地进行了单个涡旋电波通信的实验，见F.Tamburini、E.Mari、A.Sponselli、B.thidé、A.Bianchini andF.Romanato，“Encoding many channels on the same frequencythrough radiovorticity：first experimental test”New Journal of Physics，vol.14，Article ID033001，2012。

按照这个实验的涡旋电波接收思路，涡旋电波数目愈多，相位差愈小，信号的分辨愈加困难。

发明内容

本发明提供一种利用涡旋电波进行通信的方法，利用方位角积分方法实现涡旋电波解调，解决现有利用涡旋电波进行通信的方法中，所存在的接收多个涡旋电波相位差小、信号分辨困难的问题。

本发明所提供的一种利用涡旋电波进行通信的方法，包括信号发射、信号接收、拓扑荷获取、涡旋电波解调步骤，其特征在于：

(1)信号发射步骤：

在发射机端设置涡旋天线，同时发送N个涡旋电波信号，N≥1，其中，发射的第n个涡旋电波信号

其中，第n个平面波S_n(t)，t为时间，第n个涡旋电波的拓扑荷k_n≥1，方位角

(2)信号接收步骤：

在接收机端对所接收的N个涡旋电波信号进行均衡、滤波，得到N个复用信号

其中，为接收机端得到的第n个涡旋电波信号；

(3)拓扑荷获取步骤：

在接收机端通过导频方法或信道估计方法得到待解调的涡旋电波信号所携带的某个拓扑荷k_i；i为1～N中的某个数；

(4)涡旋电波解调步骤，包括下述子步骤：

(4.1)计算待解调的涡旋电波信号的方位角积分值I_i(t)：

将与的乘积在内作积分运算：

其中，为所述拓扑荷k_i所对应的相反的螺旋相位因子；

(4.2)消除误差，得到拓扑荷k_i所对应的涡旋电波信号的解调信号R_i(t)：

R_i(t)＝I_i(t)/2π＝S_i(t)×2π/2π＝S_i(t)。

所述的方法，其特征在于：

所述信号拓扑荷获取步骤中，所述信道估计方法为基于参考信号的估计方法、盲估计方法或者半盲估计方法。

本发明利用涡旋电波具有相互正交的物理特性，在已知待解调的涡旋电波拓扑荷的情况下，利用方位角积分方法，在积分区间0～2π内，无论非待解调涡旋电波信号的数量多少，它们的积分也为零，而待解调的涡旋电波信号经过积分后，其幅值会增大2π倍，解决了利用相位差进行解调涡旋电波信号所存在的多个涡旋电波相位差小、信号分辨困难的问题；同时，由于待解调的涡旋电波信号幅值增大，即使存在噪声干扰，也能较容易地检测出解调信号。

本发明简单易行，无需增加额外硬件投入，不改变通信系统的核心部件，方便地解决了涡旋电波的解调问题，可应用于现有涡旋电波无线通信系统。

附图说明

图1为第1个涡旋电波信号的三维示意图；

图2为第2个涡旋电波信号的三维示意图；

图3为第1个和第2个涡旋电波信号叠加的三维示意图；

图4为第2个涡旋电波信号的解调信号示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步说明。

本发明的实施例，包括信号发射、信号接收，拓扑荷获取，涡旋电波解调步骤：

(1)信号发射步骤：

在发射机端设置涡旋天线，同时发送2个涡旋电波信号：

第1个V₁(t)的频率为2×10⁹Hz＝2GHz，拓扑荷为1；

第2个V₂(t)的频率为3×10⁹Hz＝3GHz，拓扑荷为2；

其中，t为时间，方位角

图1为第1个涡旋电波信号的三维示意图，图2为第2个涡旋电波信号的三维示意图；图1、图2中，x轴为水平轴，表示时间，单位为ns；在水平面上与x轴垂直的为y轴，分别表示单位为弧度(rad)，图1、图2中k_n分别为1和2；与x-y平面垂直的轴为z轴，表示幅度A，单位为V。

(2)信号接收步骤：

在接收机端对所接收的N个涡旋电波信号进行均衡、滤波，得到2个复用信号

图3为第1个和第2个涡旋电波信号复用的三维示意图；图3中，x轴为水平轴，表示时间t，单位为ns；在水平面上与x轴垂直的为y轴，表示单位为弧度(rad)；与x-y平面垂直的轴为z轴，表示幅度A，单位为V。

(3)拓扑荷获取步骤：

在接收机端通过导频方法得到待解调的涡旋电波信号所携带的拓扑荷k₂＝2；

(4)涡旋电波解调步骤，包括下述子步骤：

(4.1)计算待解调的涡旋电波信号的方位角积分值I₂(t)：

将与的乘积在内作积分运算：

其中，为所述拓扑荷k₂所对应的相反的螺旋相位因子；

(4.2)消除误差，得到拓扑荷k₂所对应的涡旋电波信号的解调信号R₂(t)：

R₂(t)＝I₂(t)/2π＝2πcos(2π×3×10⁹×t)/2πt＝cos(2π×3×10⁹×t)。

图4为第2个涡旋电波信号的解调信号示意图，图4中，x轴为水平轴，表示时间t，单位为ns；与x轴垂直的为y轴，表示幅度A，单位为V。

由本实施例可见，本方法很好地解调了频率为3GHz的涡旋电波。

尽管本实施例针对2个涡旋电波信号进行解调，但不难理解，在积分区间0～2π内，非待解调涡旋电波信号再多，它们的积分也为零，而待解调的各涡旋电波信号经过积分后，其幅值均会增大2π倍，有利于信号分辨。

Claims (2)

1.一种利用涡旋电波进行通信的方法，包括信号发射、信号接收、拓扑荷获取、涡旋电波解调步骤，其特征在于：

(1)信号发射步骤：

在发射机端设置涡旋天线，同时发送N个涡旋电波信号，N≥1，其中，发射的第n个涡旋电波信号

其中，第n个平面波S_n(t)，t为时间，第n个涡旋电波的拓扑荷k_n≥1，方位角

(2)信号接收步骤：

在接收机端对所接收的N个涡旋电波信号进行均衡、滤波，得到N个复用信号

其中，为接收机端得到的第n个涡旋电波信号；

(3)拓扑荷获取步骤：

在接收机端通过导频方法或信道估计方法得到待解调的涡旋电波信号所携带的某个拓扑荷k_i；i为1～N中的某个数；

(4)涡旋电波解调步骤，包括下述子步骤：

(4.1)计算待解调的涡旋电波信号的方位角积分值I_i(t)：

将与的乘积在内作积分运算：

其中，为所述拓扑荷k_i所对应的相反的螺旋相位因子；

(4.2)消除误差，得到拓扑荷k_i所对应的涡旋电波信号的解调信号R_i(t)：

R_i(t)＝I_i(t)/2π＝S_i(t)×2π/2π＝S_i(t)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述信号拓扑荷获取步骤中，所述信道估计方法为基于参考信号的估计方法、盲估计方法或者半盲估计方法。