CN110830095A - 一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法 - Google Patents

一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于圆阵列产生同向多模态非规则涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法，它由涡旋电磁波模态数与圆阵列的阵元序号之和作为复数序列的参量构建，该相移复数序列在复平面内的圆周上呈现周期性、非均匀与非对称性，且该相移复数序列在其周期内关于涡旋电磁波的模态求和等于其关于圆阵列的阵元序号求和；同时，公开了基于所构建的相移复数序列实现的圆阵列涡旋电磁波的相位加权矩阵和模态分离的相移复数序列矩阵。

Description

一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生 方法
技术领域
本发明涉及基于圆阵列的多模态涡旋电磁波信号处理，属于通信信号处理技术与雷达信号处理技术领域。
背景技术
众所周知，有限带宽下如何提升系统的容量是无线通信领域的永恒研究课题之一。按照香农定理，在系统信噪比确定前提下，系统的容量与其带宽成正比；目前，已有的频谱异常拥挤，面对未来的无线通信系统的海量数据传输，人们不得不开研究新型的电磁波使用技术，以满足客观需要。
由经典电动力学理论可知，介质中传播的电磁波可以携带线动量与轨道角动量(Orbital angular momentum，OAM)，前者与极化相关，后者与传播电磁波的相位扭曲结构有关；目前，人们谈及的各类无线通信系统所使用的电磁波大多使用的仅有线动量的平面电磁波；2011年6月24日，瑞典科学家Bo Tide等人在意大利威尼斯实验验证了涡旋电磁波具有共享信道的传输能力，为无线通信系统的信道容量提升研究开辟了另一新途径。
根据相关文献报道，圆阵列天线传播涡旋电磁波是可行的，基于圆阵列的涡旋电磁波的产生是由周期有限的傅里叶相位序列对调制信号加权，并将加权后的调制信号作为圆阵列阵元的激励，由各阵元在传播介质中激发的平面电磁波叠加而成；基于圆阵列的涡旋电磁波的接收是通过圆阵列的阵元围绕传播轴采样接收涡旋波信号，对阵元采样信号做关于涡旋电磁波模态的离散傅里叶(Discrete Fourier Transform，DFT)变换进行模态分离后再进行信息提取的。
傅里叶序列在复平面内的圆周上具有均匀分布且对称性，因此，调制信号经傅里叶序列加权后由均匀圆阵列产生的涡旋电磁波波束具有特殊的中空发散结构，这就使得均匀圆阵列传播的不同模态涡旋电磁波波束具有不同的发散度，若通信系统使用圆阵列同时传递多个不同模态的涡旋电磁波信号，则由于它们具有不同的发散度；于是，接收端在有限接收半径下，难以由这些不同模态涡旋电磁波中获取相同的信息；按照相关研究文献的报道，在此条件下，采用模态功率分配策略，也不能从圆阵列传播的高阶涡旋电磁波中获取有用信息，显然，在天线尺寸有限时，傅里叶序列加权的多模态涡旋电磁波并不能有效提升无线通信系统的容量。
目前，多相复数序列包括Frank序列、ZC序列等。由于多相复数序列在复平面圆周上具有非均匀、非对称特性，因此应用多相复数序列对调制信号进行移相，并将移相后的信号作为圆阵列阵元的激励可以产生不同于傅里叶序列所产生的涡旋电磁波波束，该涡旋电磁波的波束具有实心特点，因此，并与接收端在有限的接收半径上完成涡旋电磁波的采样已获得信息。
圆阵列可同时产生同向多模态涡旋电磁波信号，这要求代传递信息需要使用与模态相关的序列加权，从而实现涡旋波的模态复用以增加无线通信系统的信道容量；直接使用现有文献报道的多相复数序列，如ZC序列或Frank序列，均在信号的接收端无法实现涡旋波的模态复用增益。
综上所述，本发明人(组)基于信号处理原理，结合数字信号的圆周卷积理论精髓，基于多相复数序列，提出了一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法，可有效解决诸如ZC序列或Frank序列难以实现涡旋电磁波的模态复用难题，为同向多模态非规则涡旋电磁波信号的大尺度传输提供有力支持。
发明内容
本发明旨在解决基于圆阵列的多模态涡旋电磁波传输所需的复数序列的构建，以实现不同模态的涡旋电磁波的波束旋转重合特征。
下面的具体实施方式中描述了本发明的进一步特征和方面。
附图说明
图1为可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法原理示意图。
图2为本发明说明书摘要附图。
具体实施方式
一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法如图1所示，给定相移复数序列的周期N，N等于圆阵列的阵元数，给定小于N的数S，且S与N互为素数，在模态集合
Figure BSA0000190362640000031
选定可用模态l，取圆阵列结构天线1的阵元编号i，将l与i相加作为多项复数序列的一个独立参量，即可产生用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列；
下面将描述用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列产生的详细执行过程：
(a)给定整数N，在可用模态集中选取
Figure BSA0000190362640000032
工作模态为l，选取整数S，且S与N互素，对圆阵列的阵元按照顺时针或逆时针编号为i，i＝0，1，…，N-1，则相移复数序列按公式(1)，
Figure BSA0000190362640000033
操作，其中
Figure BSA0000190362640000034
为上取整运算符，
Figure BSA0000190362640000035
为下取整运算符，|al，i|表示序列al，i的模值，q为任意整数，(·)N关于N取模运算；
(b)根据公式(1)，可用于圆阵列产生同向多模态涡旋电磁波的相移复数序列的相位加权矩阵按公式(2)，
Figure BSA0000190362640000036
操作；
(c)根据公式(2)，可用于圆阵列分离多模态涡旋电磁波信号的相移复数序列矩阵按公式(3)，
C＝BH (3)
操作，其中(□)H表示共轭转置运算。

Claims (3)

1.一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法，其特征在于，由涡旋电磁波模态与圆阵列的阵元序号之和作为复数序列的参量构建的相移复数序列，该相移复数序列在复平面内的圆周上呈现周期性、非均匀与非对称性，且该相移复数序列在其周期内关于涡旋电磁波的模态求和等于其关于圆阵列的阵元序号求和；
所述可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法包括：涡旋电磁波的模态为l，圆阵列的阵元序号为i，i＝0，1，…，N-1，相移复数序列可按公式(1)，
Figure FSA0000190362630000011
操作，其中
Figure FSA0000190362630000012
且
Figure FSA0000190362630000013
为上取整运算符，
Figure FSA0000190362630000014
为下取整运算符，|al，i|表示序列al，i的模值，N、s互为素数，q为任意整数，(·)N关于N取模运算。
2.根据权利要求1所述的一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法，用于圆阵列产生同向多模态涡旋电磁波的相移复数序列矩阵可按公式(2)，
Figure FSA0000190362630000015
操作，其中N、s互为素数，模态集
Figure FSA0000190362630000016
3.根据权利要求1所述的一种可用于圆阵列产生涡旋电磁波的相移复数序列的产生方法，用于圆阵列分离多模态涡旋电磁波的相移复数序列矩阵可按公式(3)，
C＝BH (3)
操作，其中(□)H表示共轭转置运算。
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