CN112034263B - 一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法 - Google Patents

一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单天线接收就可检测轨道角动量模态的涡旋波调制信号设计与接收方法。发射端将产生涡旋波的均匀圆环阵的天线分成奇偶两组，每组用差分编码的数字调制信号和特定的相移序列激励，产生复合的涡旋波数字调制信号。接收端采用单天线就可以解调数字通信信号，估计奇偶涡旋波束的相位差，检测涡旋波携带轨道角动量的模态。本发明可用于微型化接收机的涡旋波数字通信、导航测向和雷达探测等应用中，为数字信息涡旋波传输、导频信号设计和涡旋波参数估计等过程提供新的解决方案。

Description

一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法
技术领域
本发明涉及携带轨道角动量的涡旋电磁波应用领域，具体涉及涡旋波束的调制信号设计与接收技术。
背景技术
涡旋波能携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)信息，不同模态OAM的涡旋电磁波间具有正交性，将数字信息调制到不同的模态的涡旋波中，可以实现复用传输，提高了通信容量，这些特性在现在频谱资源越来越稀缺的时代，倍受关注。此外，涡旋波的轨道角动量含有方位信息，在雷达探测、导航测向等方面也有潜在的应用可能。在涡旋电磁波应用研究中，涡旋波如何激励发射问题已经有了许多解决方案，而接收信号处理的研究还不充分，接收提取有用信息的关键一步是对轨道角动量的模态进行检测。
涡旋波的OAM模态检测方法主要有双接收天线相位梯度、多接收天线相位梯度和OAM模态的偏轴检测等方法。这些方法接收机需要多天线，还需要阵列与波束轴对准，限制了微小接收机的涡旋波应用场景。本发明提出一种单天线的轨道角动量检测方法，接收端采用单天线检测轨道角动量模态，无需检测偏轴和波束轴对准，特别适用于微小型接收机的涡旋波应用系统。
发明内容
发明目的：本发明提出一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法，其目的在于对产生携带OAM涡旋波束的均匀环形天线阵的奇偶两组天线阵分组激励，由相邻阵元的方位角和螺旋相位差的关系得到奇偶两组天线阵的相位差，将奇偶两路信号的相位差调制到信号中，接收端只需单天线解调出相位差，从而实现单接收天线的OAM模态检测。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
(1)将能产生涡旋波的均匀圆环阵中2M元天线分成奇偶两组，奇数组阵元天线用s1(n，t)＝c11(n)cosωt+c12(n)sinωt和相移序列
Figure BSA0000183240680000011
分别激励，偶数组阵元天线用s2(n，t)＝c21(n)cosωt+c22(n)sinωt和相移序列
Figure BSA0000183240680000012
分别激励，ω为发射信号载波角频率，cij(n)∈[-1，0，1]为编码矩阵中的元素，i，j＝1，2，γ2m-1和γ2m为均匀圆环阵中中阵元天线所在的方位角，则远区接收信号为
Figure BSA0000183240680000021
其中，l为涡旋波OAM的模态，m表示第m个阵元，k＝2π/λ，λ为波长，r为UCA半径，ρ为阵元天线在远场的衰减幅度，δ为仰角，γ为接收端的方位角，
Figure BSA0000183240680000022
aI(n)，aQ(n)为等效基带信号，得到等效复基带信号a(n)。
Figure BSA0000183240680000023
其中，
Figure BSA0000183240680000024
为UCA产生不同OAM模态时，奇偶阵元间的相位差且相邻的奇偶阵元相位差保持不变。由等效复基带信号a得到一个由天线方向图组成矩阵K。
Figure BSA0000183240680000025
第n帧上的两路基带信号可表示为
A(n)＝[aI(1，n)aQ(1，n)aI(2，n)aQ(2，n)]T (4)
发送四进制的数字信息zn∈{0，1，2，3}，设计差分编码的调制矩阵P(n)，差分迭代关系为
Figure BSA0000183240680000026
其中
Figure BSA0000183240680000027
其中，P(1)为初始矩阵，得到两路差分编码调制后的信号A(n)。
A(n)＝P(n)K (6)
归一化的两路QPSK信号的星座图如图2所示。接收信号相位的差分方程为
Figure BSA0000183240680000031
由上式原理可得相邻两帧n-1和n得到接收信号V(i，n)的差分解调关系为
Figure BSA0000183240680000032
第n帧信号的似然估计为
Figure BSA0000183240680000033
由于涡旋波束的OAM模态存在正负值，解调时需要区分螺旋相位差
Figure BSA0000183240680000034
的正负，因此，通过反正弦函数解调的螺旋相位差，则奇偶两组天线阵的螺旋相位差
Figure BSA0000183240680000035
为
Figure BSA0000183240680000036
将
Figure BSA0000183240680000037
代入式(11)可计算涡旋波束OAM的模态值，从而实现单接收天线检测涡旋波OAM模态。
Figure BSA0000183240680000038
由式(10)可以推出：
1)估计的相位差
Figure BSA0000183240680000039
与调制相位
Figure BSA00001832406800000310
存在相位多值问题，得到UCA的阵元数目与模态的关系。
Figure BSA00001832406800000311
满足式(12)条件可由信号调制的方法正确检测OAM模态。
2)解调的螺旋相位差
Figure BSA00001832406800000312
识别范围为[-π/2，π/2]，可实现OAM模态的正负值区分。
本发明的有益效果是：本发明提出一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法，对UCA中的阵元采用奇偶分组激励，达到对发射信号时空调制的目的，采用单个接收天线作为检测端解调出螺旋相位差，由UCA阵元数目和螺旋相位差，计算涡旋波束的OAM模态值。由于本方法在检测OAM模态时检测端只需要单个接收天线，因此，对未来射频OAM通信系统的应用具有重要意义。
附图说明
图1 是涡旋波调制信号的单天线模态检测；
图2 是接收信号的星座图；
图3 是高斯信道下误比特率曲线；
图4 是调制螺旋相位差
Figure BSA0000183240680000041
与估计相位差
Figure BSA0000183240680000042
的多值关系；
图5 是调制相位差
Figure BSA0000183240680000043
的估计误差；
图6 是调制相位差
Figure BSA0000183240680000044
与估计OAM模态的多值关系；
图7 是估计相位差
Figure BSA0000183240680000045
与OAM模态关系；
图8 是模态检测范围；
图9 是OAM模态的检测误差。
具体实施方式
下面结合仿真和附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
(1)选择由2M个阵元组成的均匀环形微带天线阵列，设2M＝12，UCA半径r＝λ，波长λ＝170mm，频率f＝1.8GHz，阵元数目一定时，允许UCA产生的模态为
|l|max＜M
对UCA中的阵元设计两组激励信号：
Figure BSA0000183240680000046
其中，奇数组阵元天线相移序列为
Figure BSA0000183240680000047
偶数组阵元天线相移序列为
Figure BSA0000183240680000048
ω为发射信号载波角频率；cij∈[-1，0，1]为编码矩阵中的元素，i，j＝1，2。如图1所示，将两组激励分别加在UCA中的奇数阵元和偶数阵元上，则接收天线在远场的接收信号为
Figure BSA0000183240680000049
其中，l为涡旋波OAM的模态，m表示第m个阵元，k＝2π/λ，ρ为阵元天线在远场的衰减幅度，γ-γ2m-1和γ-γ2m为UCA中阵元天线所在的方位角，δ为仰角，γ为接收端的方位角，
Figure BSA00001832406800000410
令等效复基带信号a(n)＝aI(n)+jaQ(n)，则
其中，
Figure BSA0000183240680000051
为UCA产生不同OAM模态时，奇偶阵元间的相位差且相邻的奇偶阵元相位差保持不变。由等效复基带信号a得到一个由天线方向图组成矩阵K。
Figure BSA0000183240680000052
第n帧上的两路基带信号可表示为
A(n)＝[aI(1，n)aQ(1，n)aI(2，n)aQ(2，n)]T
发送四进制的数字信息zn∈{0，1，2，3}，设计差分编码的调制矩阵P(n)，则差分迭代关系为
Figure BSA0000183240680000053
其中
Figure BSA0000183240680000054
其中，P(1)为初始矩阵，得到两路差分编码调制后的信号A(n)。
A(n)＝P(n)K
归一化的两路QPSK信号的星座图如图2所示。接收信号相位的差分方程为
Figure BSA0000183240680000055
(2)由上式原理可得接收信号V(i，n)的差分解调关系
Figure BSA0000183240680000056
得到第n帧信号的似然估计：
Figure BSA0000183240680000057
由于涡旋波束的OAM模态值存在正负值，解调时需要区分螺旋相位差
Figure BSA0000183240680000058
的正负，因此，通过反正弦函数解调的螺旋相位差，则奇偶两组天线阵的螺旋相位差
Figure BSA0000183240680000059
为
Figure BSA00001832406800000510
由
Figure BSA00001832406800000511
计算涡旋波束OAM的模态值，从而实现单接收天线检测涡旋波OAM模态。
Figure BSA0000183240680000061
由相位解调推出估计的相位差
Figure BSA0000183240680000062
与调制相位
Figure BSA0000183240680000063
存在相位多值问题，得到模态检测范围和正负值区分及UCA的阵元数目与模态的关系。
Figure BSA0000183240680000064
如图3所示，高斯高斯信道下的误比特率曲线(信噪比SNR＝信号功率/噪声功率)。由相位差
Figure BSA0000183240680000065
的估计方法，可推出估计的相位差
Figure BSA0000183240680000066
与
Figure BSA0000183240680000067
存在相位多值问题。设信噪比SNR＝15dB，如图4所示，
Figure BSA0000183240680000068
在-90°和90°之间解调出的相位差
Figure BSA0000183240680000069
可作为
Figure BSA00001832406800000610
的估计值；如图5所示，估计的相位差
Figure BSA00001832406800000611
与
Figure BSA00001832406800000612
的角度误差曲线；由于相位的多值问题，从而使得检测的模态存在多值问题，如图6所示，当
Figure BSA00001832406800000613
在-90°和90°之间，接收端可检测出-3～3之间的模态值；如图7所示，接收端检测的模态值与UCA产生的OAM模态关系；如图8的误差曲线所示，接收端可检测的模态范围；如图9所示，接收端检测模态-3～3的误差曲线，平均模态误差约为0.077，对于OAM模态的检测精度较高。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法，其特征在于：
将能产生涡旋波的均匀圆环阵中2M元天线分成奇偶两组，奇数组阵元天线用s1(n，t)＝c11(n)cosωt+c12(n)sinωt和相移序列
Figure FSB0000194353260000011
分别激励，偶数组阵元天线用s2(n，t)＝c21(n)cosωt+c22(n)sinωt和相移序列
Figure FSB0000194353260000012
分别激励，ω为发射信号载波角频率，cij(n)∈[-1，0，1]为编码矩阵中的元素，i，j＝1，2，γ2m-1和γ2m为均匀圆环阵中阵元所在的方位角，则远区接收信号为
Figure FSB0000194353260000013
其中，l为涡旋波轨道角动量的模态，m表示第m个阵元，k＝2π/λ，λ为波长，r为均匀圆环阵半径，ρ为阵元天线在远场的衰减幅度，δ为仰角，γ为接收端的方位角，
Figure FSB0000194353260000014
令等效复基带信号a(n)＝aI(n)+jaQ(n)，即
Figure FSB0000194353260000015
Figure FSB0000194353260000016
其中，
Figure FSB0000194353260000017
对发送端差分编码后的相邻两帧n-1和n得到接收信号V(i，n)的差分解调关系为
Figure FSB0000194353260000018
其中发送四进制的数字信息zn∈{0，1，2，3)，由于涡旋波束的轨道角动量模态存在正负值，解调时需要区分螺旋相位差
Figure FSB0000194353260000019
的正负，因此，通过反正弦函数解调的螺旋相位差，则奇偶两组天线阵的螺旋相位差
Figure FSB00001943532600000110
为
Figure FSB00001943532600000111
2.权利要求1所述的一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法，其特征在于：通过信号调制的方法将螺旋相位差调制到信号中，在接收端只需单接收天线即可完成对信号的解调，由接收端估计的螺旋相位差
Figure FSB0000194353260000021
得到涡旋波束轨道角动量的模态值，即
Figure FSB0000194353260000022
通过反正弦解调螺旋相位可推出：
(1)估计的螺旋相位差
Figure FSB0000194353260000023
与调制相位
Figure FSB0000194353260000024
存在相位多值问题，推出均匀圆环阵的阵元数目与模态的关系为
Figure FSB0000194353260000025
(2)解调的螺旋相位差
Figure FSB0000194353260000026
识别范围为[-π/2，π/2]，实现轨道角动量模态的正负值区分。
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