CN108134756B - 基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统，主要解决现有系统无法抗多径的问题。其包括发射端涡旋电磁波OAM模式形成器(1)、发射端射频链路模块(2)、均匀圆形发射天线阵列(3)、均匀圆形接收天线阵列(4)、接收端射频链路模块(5)和接收端涡旋电磁波OAM模式分解器(6)，发射端涡旋电磁波OAM模式形成器对输入数据块做IFFT运算后，产生正交频分复用OFDM的调制及产生轨道角动量OAM的模式数给链路模块，并通过天线阵列发射；接收端涡旋电磁波OAM模式分解器对接收数据块做FFT运算，实现正交频分复用OFDM的解调及分解轨道角动量OAM模式数。本发明能对抗宽带传输条件下的多径效应。

Description

基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种无线通信系统，可用于多径条件下基于均匀圆阵产生的涡旋电磁波的发射与接收。
背景技术
随着移动多媒体设备的快速增长及人们对实时通信要求的不断增强，目前的频谱资源已不堪重负。涡旋电磁波因其具有频谱利用率高、抗干扰的优点，自其发现之日起，一直受到广泛关注。由麦克斯韦的经典电磁理论可知，动量是电磁辐射的一个组成部分，而角动量作为动量的一种，它由自旋角动量SAM和轨道角动量OAM组成。轨道角动量可以描述相位结构，如果电磁波的轨道角动量的模式数不为0，则电磁波的波前相位呈螺旋分布，具有这种波前的电磁波称之为涡旋电磁波。2011年6月24日，Bo Tide等人在意大利威尼斯用实验证明了涡旋电磁波可以携带信息进行传播，见Tamburini F,Mari E,Sponselli A,etal.Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity:firstexperimental test[J].New Journal of Physics,2012,14(3):033001.为未来通信系统的设计提供了新思路。
随着对涡旋电磁波的深入研究，目前已经提出了多种产生涡旋电磁波的方法，例如螺旋相位板法、计算全息法、螺旋反射面法和天线阵列法等。由于当天线阵中的阵元子是偶极子时，均匀圆形天线阵列UCA能够辐射出不失真的携带有轨道角动量的涡旋电磁波束且UCA产生的涡旋电磁波束的强度最大，所以目前无线通信的研究中多用UCA来产生涡旋电磁波。2016年，Yan Yan等人在自然杂志发表了文章，见YanY,Li L,Xie G,et al.MultipathEffects in Millimetre-Wave Wireless Communication using Orbital AngularMomentum Multiplexing[J].Scientific reports,2016,6:33482.该论文指出将OAM复用用于毫米波无线通信时也会出现多径效应，但未对多径问题提出解决方案。
多径的存在会导致信号的衰落和相移，即当电磁波经不同路径传播后，由于各分量场到达接收端的时间不同，在接收端形成各自的相位叠加而造成干扰，使得原来的信号失真或者接收产生错误。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统，以解决涡旋电磁波传输过程中遇到的多径问题，避免发送信号的失真，减少接收端信号的错误。
本发明的技术思路是：利用UCA和正交频分复用OFDM的特性，构建一种特殊的架构，用数字的二维傅里叶变换实现OFDM技术和涡旋电磁波的产生与接收，其实现方案如下：
一种基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统，包括发射端涡旋电磁波OAM模式形成器1、发射端射频链路模块2、均匀圆形发射天线阵列3、均匀圆形接收天线阵列4、接收端射频链路模块5和接收端涡旋电磁波OAM模式分解器6，其特征在于：
发射端涡旋电磁波OAM模式形成器1，采用二维IFFT数字处理器，用于对输入数据做IFFT运算后对数据符号加循环前缀，实现对正交频分复用OFDM的调制同时产生轨道角动量OAM发射波束的模式数，以对抗宽带传输条件下的多径效应；
接收端涡旋电磁波OAM模式分解器6，采用二维FFT数字处理器，用于对数据符号减循环前缀后对接收数据块做FFT运算，实现正交频分复用OFDM的解调同时分解轨道角动量OAM波束的模式数，以对抗宽带传输条件下的多径效应。
进一步，所述均匀圆形发射天线阵列3由N个角度间隔为2π/N的阵元组成，这N个阵元呈圆环状均匀排列，该阵列用于涡旋电磁波的发射。
进一步，所述均匀圆形接收天线阵列4由N个角度间隔为2π/N的阵元组成，这N个阵元呈圆环状均匀排列，该阵列用于涡旋电磁波的接收。
进一步，所述发射端射频链路模块2连接在二维IFFT数字处理器与均匀圆形发射天线阵列3之间，用于将二维IFFT数字处理器处理后的数据调频后送至均匀圆形发射天线阵列反射出去。
进一步，所述接收端射频链路模块5连接在均匀圆形接收天线阵列4与二维FFT数字处理器之间，用于将均匀圆形接收天线阵列接收到的信号降频处理后送至二维FFT数字处理器进行处理。
本发明具有如下优点：
1)本发明由于通过发射端涡旋电磁波OAM模式形成器采用二维IFFT数字处理器实现正交频分复用OFDM的调制，通过接收端涡旋电磁波OAM模式分解器采用二维FFT数字处理器实现正交频分复用OFDM的解调，因此具有OFDM抗多径的性能；
2)本发明由于发射端涡旋电磁波OAM模式形成器与接收端涡旋电磁波OAM模式分解器均采用了数字器件，因此相比现有技术可以节约成本。
附图说明
图1是现有由移相器网络和均匀圆阵产生的多模态OAM系统示意图；
图2是本发明构造的OAM-OFDM通信系统示意图；
图3是用本发明构造的射频链路模块组成部分示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
参照图1，现有由移相器网络和均匀圆阵产生的多模态OAM系统，其由发送端和接收端组成。其中，发送信号通过N条不同的数据链路经过射频处理后送至移相器网络，经移相器网络处理后送至均匀圆阵的N个不同阵元，由均匀圆形天线UCA发出的波束即为涡旋电磁波，接收端进行解涡旋恢复出各发射信号。由于该系统的OAM模式形成器和OAM模式分解器均采用模拟器件，故成本较高，又由于该系统并未考虑传输过程中的多径问题，所以会影响涡旋电磁波的接收。
本发明正是对图1所示现有由移相器网络和均匀圆阵产生的多模态OAM系统进行改进。
其改进的原理如下：
为解决涡旋电磁波传输过程中遇到的多径问题，本发明在现有由移相器网络和均匀圆阵产生的多模态OAM系统中加入OFDM技术，使得发射信号首先通过OFDM技术对信号进行调制，即对信号做一次IDFT；然后将调制的信号通过移相器网络来产生涡旋电磁波的模式数，即对信号再做一次IDFT。在这种情况下，对发射前信号的处理等价于做两次的IDFT。又因为二维的IDFT有更为有效的快捷算法二维IFFT，所以对接收信号的处理等价于对信息数据块做二维的快速傅里叶逆变换IFFT。由于对接收信号的处理与发射信号相反，所以对接收信号的处理等价于对接收数据块做二维的快速傅里叶变换FFT，最终形成本发明基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统。
参照图2，本发明的通信系统，包括发射端涡旋电磁波OAM模式形成器1、发射端射频链路模块2、均匀圆形发射天线阵列3、均匀圆形接收天线阵列4、接收端射频链路模块5和接收端涡旋电磁波OAM模式分解器6，其中，
发射端涡旋电磁波OAM模式形成器1，采用二维IFFT数字处理器；
接收端涡旋电磁波OAM模式分解器6，采用二维FFT数字处理器；
所述二维IFFT数字处理器，接收M路数据信号，每一路数据信号以N个点为一个周期，以此形成N*M的数据块，对该数据块做二维IFFT运算后形成维度为N*M的新数据矩阵，对新数据矩阵中的每一个数据符号加循环前缀，然后分N路数据信号输出，实现对正交频分复用OFDM的调制同时产生轨道角动量OAM发射波束的模式数，输出给发射端射频链路模块2；发射端射频链路模块2将二维IFFT数字处理器处理后的N路数据信号调频后送至由N个阵元组成均匀圆形发射天线阵列3，通过均匀圆形发射天线阵列3将该信号变为带有涡旋相位的电磁波发送至外部；均匀圆形接收天线阵列4，接收来自均匀圆形发射天线阵列3的发射信号后，将该信号送至接收端射频链路模块5；接收端射频链路模块5将均匀圆形接收天线阵列接收到的信号降频处理后分N路数据信号送至二维FFT数字处理器；二维FFT数字处理器对接收的N路数据信号进行处理，即先将每一路数据信号以M个点为一个周期，以此形成N*M的数据块；再对数据块中的每一个数据符号减循环前缀；然后对整个数据块做二维FFT运算，并将处理后的数据块分成M路输出至外部，实现正交频分复用OFDM的解调同时分解轨道角动量OAM波束的模式数。
参照图3，所述发射端射频链路模块2包括数模转换器、上变频器和射频功率放大器，其中：
数模转换器，接收二维IFFT数字处理器处理后的数字信号，并将该数字信号转换为基带模拟信号后送至上变频器；
上变频器，接收数模转换器输出的基带模拟信号，并将基带模拟信号调制到高频载波后送至射频功率放大器；
射频功率放大器，接收上变频器的输出信号，并将变频后的信号功率进行放大后，送至均匀圆形发射天线阵列。
所述接收端射频链路模块5包括下变频器和模数转换器，其中：
下变频器，接收均匀圆形接收天线阵列输出的高频信号，然后将该高频信号下变频为基带模拟信号后送至模数转换器；
模数转换器，接收下变频器子模块输出的基带模拟信号，用于将基带模拟信号转换为数字信号后，送至二维FFT数字处理器进行处理。
以上描述是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统，包括发射端涡旋电磁波OAM模式形成器(1)、发射端射频链路模块(2)、均匀圆形发射天线阵列(3)、均匀圆形接收天线阵列(4)、接收端射频链路模块(5)和接收端涡旋电磁波OAM模式分解器(6)，其特征在于：
发射端涡旋电磁波OAM模式形成器(1)，采用二维IFFT数字处理器，用于对输入数据做IFFT运算后对数据符号加循环前缀，实现对正交频分复用OFDM的调制同时产生轨道角动量OAM发射波束的模式数，以对抗宽带传输条件下的多径效应；
接收端涡旋电磁波OAM模式分解器(6)，采用二维FFT数字处理器，用于对数据符号减循环前缀后对接收数据块做FFT运算，实现正交频分复用OFDM的解调同时分解轨道角动量OAM波束的模式数，以对抗宽带传输条件下的多径效应。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：均匀圆形发射天线阵列(3)由N个角度间隔为2π/N的阵元组成，这N个阵元呈圆环状均匀排列，该阵列用于涡旋电磁波的发射。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：均匀圆形接收天线阵列(4)由N个角度间隔为2π/N的阵元组成，这N个阵元呈圆环状均匀排列，该阵列用于涡旋电磁波的接收。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：发射端射频链路模块(2)连接在二维IFFT数字处理器与均匀圆形发射天线阵列(3)之间，用于将二维IFFT数字处理器处理后的数据调频后送至均匀圆形发射天线阵列反射出去。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：接收端射频链路模块(5)连接在均匀圆形接收天线阵列(4)与二维FFT数字处理器之间，用于将均匀圆形接收天线阵列接收到的信号降频处理后送至二维FFT数字处理器进行处理。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：发射端射频链路模块(2)包括：
数模转换器，用于将二维IFFT数字处理器处理后的数字信号转换为基带模拟信号；
上变频器，用于将基带模拟信号调制到高频载波上；
射频功率放大器，用于将变频后的信号功率进行放大后，送至均匀圆形发射天线阵列。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：接收端射频链路模块(5)包括：
下变频器，用于将均匀圆形接收天线阵列接收到的高频信号下变频为基带模拟信号；
模数转换器，用于将基带模拟信号转换为数字信号后，送至二维FFT数字处理器进行处理。
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