CN110620746A - 基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统 - Google Patents

基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统 Download PDF

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刘易清
陈靖峰
金荣洪
梁仙灵
朱卫仁
耿军平
倪刚
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Abstract

本发明提供了一种基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，包括：发射端：采用周期性时间调制的方法将多用户的信号调制到不同的涡旋场模式上进行传输，且各用户的信号具有相同的载波频率；接收端：采用周期性时间调制的方法将不同的涡旋场模式上的信号调制到不同的载频上。本发明利用单射频通道即可实现多模态涡旋波通信信号的发射和接收。与现有的利用旋转相位板、相控阵等实现涡旋波多用户通信的系统相比，具有较低的系统复杂度及成本。

Description

基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统。
背景技术
随着4G以及5G移动通信技术的发展，频谱资源变得原来越珍贵。在移动通信系统中，用户希望利用有限的频谱资源，传输尽可能多的信息，或者在特定的频带内传输尽可能多的用户的信息。因此，如何提高有限频率资源的利用效率，成为现代移动通信技术的关键技术之一。研究多用户信号的同频传输技术，具有迫切的需求和现实的意义。
传统上，利用相同载频传输不同用户信号的方法主要有三种多址技术。一是时分多址，即在不同的时段利用相同的载频传输不同用户的信息；二是码分多址技术，即将不同用户的信号用特定的正交码系调制后，再进行同频传输，在接收端用不同的正交码区分不同用户的信号；三是空分多址技术，即将位于空间不同方位的用户的信号调制到相同的载频上，在接收端利用天线的空间选择性将不同用户的信号区分开来。
电磁涡旋场是带有轨道角动量的电磁波，其根据涡旋结构的不同具有不同的模式。平面电磁波可以看作是电磁涡旋场的特例。利用不同的涡旋模式并行传输用户信息成为近年来国际上的研究热点，并被看作是5G移动通信的候选技术之一。
专利文献CN108923130A公开了一种基于超表面的涡旋场反射面天线，主要解决现有涡旋场反射面天线焦距大，天线整体所占空间大，相位补偿误差大的问题。其包括载体、主反射镜、馈源和支撑结构，其中，载体采用凹面结构，主反射镜为凹面结构，且与载体共形，主反射镜的焦距小于载体的几何焦距，用于实现短焦效果，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，主相位调控层由多个均匀排布，并按螺旋状整体分布的主金属环微结构组成，用于产生涡旋电磁波，支撑结构用于固定馈源。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统。
根据本发明提供的一种基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，包括：
发射端：采用周期性时间调制的方法将多用户的信号调制到不同的涡旋场模式上进行传输，且各用户的信号具有相同的载波频率；
接收端：采用周期性时间调制的方法将接收到的多用户的信号进行时间调制并区分开。
优选地，所述发射端包括依次连接的：可编程逻辑器件1、数模转换器2、中频驱动放大器3、上混频器4、单刀多掷射频开关6、射频带通滤波器7以及天线阵列8；
射频带通滤波器7与天线阵列8一一相连，上混频器4还与射频本振5连接。
优选地，所述天线阵列8包括均匀圆形天线阵列。
优选地，采用开关网络替换所述单刀多掷射频开关6。
优选地，采用ASIC器件替换所述可编程逻辑器件1。
优选地，所述发射端预先将各用户的信号调制在不同的中频载波上，或利用不同的射频本振将不同用户的信号调制到不同的中频载波上。
优选地，所述接收端包括依次连接的：天线阵列9、射频带通滤波器10、单刀多掷射频开关11、下混频器12、中频驱动放大器14、模数转换器15和可编程逻辑器件16；
天线阵列9与射频带通滤波器10一一相连，下混频器12还与射频本振13连接。
优选地，所述天线阵列9包括均匀圆形天线阵列。
优选地，采用开关网络替换所述单刀多掷射频开关11。
优选地，采用ASIC器件替换所述可编程逻辑器件16。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明利用单射频通道即可实现多模态涡旋波通信信号的发射和接收。与现有的利用旋转相位板、相控阵等实现涡旋波多用户通信的系统相比，具有较低的系统复杂度及成本。
接收端对于具有相同载频的不同用户的信号，采用时间调制的方法，将具有不同电磁涡旋模式的信号调制到不同的载频上。这样，经过带通滤波、下变频、低通滤波以及模式转换后，可以在数字域内利用具有不同通道的带通滤波器将不同用户的信号选择出来。接收端的时间调制同样是由单刀多掷开关完成，信号与天线单元的连接时序应与发射端一致，如附图所示。
本发明实现了多个用户信号的涡旋场同频传输，能有效地提高单位频谱的利用效率。相比已有的涡旋场通信系统，本系统只需要一套发射和接收系统就能完成各种涡旋模式的信号传输，能大大降低系统的复杂度和成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为发射端的结构示意图；
图3为接收端的结构示意图；
图4为时间调制的圆形天线阵列示意图；
图5a、5b、5c分别为用户一、二、三的三种发射信号在空间电磁场场强相位分布示意图；
图6为发射信号在空间电磁场场强幅度随俯仰角分布示意图；
图7为系统的通信误码率示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，包括：
发射端：采用周期性时间调制的方法将多用户的信号调制到不同的涡旋场模式上进行传输，且各用户的信号具有相同的载波频率；
接收端：采用周期性时间调制的方法将接收到的多用户的信号进行时间调制并区分开。
发射端包括依次连接的：可编程逻辑器件1、数模转换器2、中频驱动放大器3、上混频器4、单刀多掷射频开关6、射频带通滤波器7以及天线阵列8；射频带通滤波器7与天线阵列8一一相连，上混频器4还与射频本振5连接。
接收端包括依次连接的：天线阵列9、射频带通滤波器10、单刀多掷射频开关11、下混频器12、中频驱动放大器14、模数转换器15和可编程逻辑器件16；天线阵列9与射频带通滤波器10一一相连，下混频器12还与射频本振13连接。
在本发明中，天线阵列8、天线阵列9包括均匀圆形天线阵列。采用开关网络替换单刀多掷射频开关6、单刀多掷射频开关11，此改进方案应用于需要区分各用户信号优先级和传输速率的系统中。也可采用ASIC器件替换可编程逻辑器件1、可编程逻辑器件16。
发射端预先将各用户的信号调制在不同的中频载波上，或利用不同的射频本振将不同用户的信号调制到不同的中频载波上。
本发明的发射端，利用时间调制方法将不同用户的信号预先调制到不同的中频载频上。经过时间调制后，各用户的信号能量分配到基波分量和谐波分量上。由于各用户信号的中频载频经过特别设计，例如用户n的中频载频为：
FIn＝FI+nFp (0.1)其中，FI为常量，Fp为调制频率。将用户信号进行上变频后，经过时间调制和带通滤波，选择其第-n次谐波分量，其载频为：
其中，FLO为本振的频率。这样，所有用户信号的载频都被调制到相同的载波频率Fc上。为将不同用户的信号调制到不同的电磁涡旋模式上，需要将上混频后的信号进行周期调制，即利用单刀多掷射频开关，将射频信号周期性地依次接到均匀圆形阵列的不同单元上。信号与天线单元的连接时序图如附图2所示。
本发明的接收端，对于具有相同载频的不同用户的信号，采用时间调制的方法，将具有不同电磁涡旋模式的信号调制到不同的载频上。这样，经过带通滤波、下变频、低通滤波以及模式转换后，可以在数字域内利用具有不同通道的带通滤波器将不同用户的信号选择出来。接收端的时间调制同样是由单刀多掷开关完成，信号与天线单元的连接时序应与发射端一致，如附图3所示。
本发明的优点在于实现了多个用户信号的涡旋场同频传输，能有效地提高单位频谱的利用效率。相比已有的涡旋场通信系统，本系统只需要一套发射和接收系统就能完成各种涡旋模式的信号传输，能大大降低系统的复杂度和成本。
为描述方便，首先对所用术语作如下定义。
天线阵列：将若干个天线单元组织起来，形成特定性质的天线的集合。
时间调制阵列：一种在普通的天线阵列的射频前端增加周期性调制的射频开关的特殊天线阵列。
轨道角动量：电磁波具有能量和动量。动量可以分为线动量和角动量，角动量包括由偏振性决定的自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和由场空间分布决定的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)。
电磁涡旋场：电磁涡旋场是带有轨道角动量的电磁波，也称为轨道角动量波束。
带通滤波器：允许特定频带内的射频微波信号通过的装置单元。
混频器：将射频信号变换至中频，或将中频信号变换至射频的单元。
本振：在混频过程中，为混频器提供参考信号的射频单元。
数模转换器：将数字信号转换成模拟信号的单元。
模数转换器：将模拟信号转换成数字信号的单元。
可编程逻辑器件：具有大量逻辑资源，并能进行重配置的大规模集成电路。包括复杂可编程逻辑(CPLD)以及现场可编程逻辑(FPGA)两种。
本发明在发射端和接收端，采用了时间调制的方法，实现了多用户信号的同频传输。该系统在空间传输过程中，将各用户的信号调制到不同的电磁涡旋模式上，其基本方案如下：
如图2所示的基于时间调制的多用户涡旋场通信发射系统，在基带信号处理过程中，待通信的用户信号首先被调制到不同的中频上。各用户信号的中频载频间隔为Fp，例如用户1的信号的中频为FI-kFp，用户2的信号的中频为FI-(k-1)Fp，用户2k+1的信号的中频为FI+kFp。随后，在数字域内，各用户信号相加起来，并通过数模转换器转换为模拟信号。经过混频器、单刀多址开关以及射频带通滤波器后，馈入均匀圆形天线阵列并向空间进行辐射。
如图3所示的基于时间调制的多用户涡旋场通信发射系统，均匀圆形天线阵列接收到射频信号，经过带通滤波器后，由单刀多掷射频开关进行周期性调制。经过混频器、低通滤波器后，由模数转换器将其变换至数字域。在基带信号处理中，利用数字滤波器对接收到的信号进行带通滤波。其中数字带通滤波器的通带中心频点分别为FI-kFp，FI-(k-1)Fp,…,FI+kFp.对带通滤波后的中频信号进行数字解调，即可恢复各用户的信号。
本发明提出的基于时间调制的多用户涡旋场通信系统，利用单射频通道即可实现多模态涡旋波通信信号的发射和接收。与现有的利用旋转相位板、相控阵等实现涡旋波多用户通信的系统相比，具有较低的系统复杂度及成本。
实施例
参照图2设计的发射机系统，通信的用户信号首先被调制到不同的中频上。各用户信号的中频载频间隔为Fp，例如用户1的信号的中频为FI-kFp，用户2的信号的中频为FI-(k-1)Fp，用户2k+1的信号的中频为FI+kFp。随后，在数字域内，各用户信号相加起来，并通过数模转换器转换为模拟信号。经过混频器、单刀多址开关以及射频带通滤波器后，馈入图4所示的均匀圆形天线阵列并向空间进行辐射，发射信号在空间电磁场场强幅度随俯仰角分布如图5所示。
以k＝1为例，即传输三个用户信号，用户一的信号中频是FI-Fp,用户二的信号中频是FI，用户三的信号中频是FI+Fp。发射机将三个用户的信号通过时间调制圆形阵列发射到空间中，如图5a、5b、5c所示，携带用户一信息的电磁涡旋波模式是0，携带用户二信息的电磁涡旋波模式是1，携带用户三信息的电磁涡旋波模式是-1。从而实现用不同模式的电磁涡旋波传输不同用户的信息。
在接收端，如图3所示，三个用户的信号由均匀圆形天线阵列接收，对于具有相同载频的不同用户的信号，采用时间调制的方法，将具有不同电磁涡旋模式的信号调制到不同的载频上，再混频解调到中频，经由模数转换后可以在数字域内处理三个用户的中频信号，利用数字带通滤波器将不同用户的信号选择出来，其中数字带通滤波器的通带中心频点分别为FI+FP，FI,FI-FP,对带通滤波后的中频信号进行数字解调，即可恢复各用户的信号。接收端的时间调制同样是由单刀多掷开关完成，信号与天线单元的连接时序应与发射端一致。
图7显示的是不同的信噪比条件下，通信系统的误码率曲线。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，包括：
发射端：采用周期性时间调制的方法将多用户的信号调制到不同的涡旋场模式上进行传输，且各用户的信号具有相同的载波频率；
接收端：采用周期性时间调制的方法将不同的涡旋场模式上的信号调制到不同的载频上。
2.根据权利要求1所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，所述发射端包括依次连接的：可编程逻辑器件(1)、数模转换器(2)、中频驱动放大器(3)、上混频器(4)、单刀多掷射频开关(6)、射频带通滤波器(7)以及天线阵列(8)；
射频带通滤波器(7)与天线阵列(8)一一相连，上混频器(4)还与射频本振(5)连接。
3.根据权利要求2所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，所述天线阵列(8)包括均匀圆形天线阵列。
4.根据权利要求2所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，采用开关网络替换所述单刀多掷射频开关(6)。
5.根据权利要求2所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，采用ASIC器件替换所述可编程逻辑器件(1)。
6.根据权利要求1所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，所述发射端预先将各用户的信号调制在不同的中频载波上，或利用不同的射频本振将不同用户的信号调制到不同的中频载波上。
7.根据权利要求1所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，所述接收端包括依次连接的：天线阵列(9)、射频带通滤波器(10)、单刀多掷射频开关(11)、下混频器(12)、中频驱动放大器(14)、模数转换器(15)和可编程逻辑器件(16)；
天线阵列(9)与射频带通滤波器(10)一一相连，下混频器(12)还与射频本振(13)连接。
8.根据权利要求7所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，所述天线阵列(9)包括均匀圆形天线阵列。
9.根据权利要求7所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，采用开关网络替换所述单刀多掷射频开关(11)。
10.根据权利要求7所述的基于时间调制阵列的多用户涡旋场通信系统，其特征在于，采用ASIC器件替换所述可编程逻辑器件(16)。
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