CN112217528B - 发射机、通信系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种发射机、通信系统及信号发射方法，属于通信技术领域。该发射机包括：偏置信号生成电路、发射本振电路、发射天线和具有有源超表面的混频器；偏置信号生成电路生成偏置信号，并将偏置信号加载于有源超表面，发射本振电路通过发射天线向有源超表面发射第一模拟信号，有源超表面对第一模拟信号和偏置信号进行混频，并向外界空间辐射电磁波。本申请实施例实现了信号辐射和载波调制的分离，降低了对射频前端线性度的要求，与直接调频电路相比，由于发射本振的输出频率较单一，可以更容易实现中心频率的稳定性和精度，保证通信质量。

Description

发射机、通信系统及电子设备

技术领域

本申请实施例涉及通信技术领域，具体涉及一种发射机、通信系统及电子设备。

背景技术

为了实现远距离无线通信，需要利用天线进行电磁波的发射和接收，而天线的尺寸要大于四分之一倍的电磁波波长，对于声音等低频信号，波长较长，很难实现通信设备的小型化，因此需要利用信号调制技术，将低频的基带信号调制到高频信号上，由于频率越高波长越短，就可以实现接收天线的小型化。

传统的无线通信调制方式主要有调幅、调频和调相等，根据信号改变高频模拟信号的参数，再由天线发射出去，例如全球移动通信系统(Global System for MobileCommunications，GSM)网络的高斯最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum ShiftKeying，GMSK)，利用混频器将同相分量-正交分量(In-phase Quadrate，IQ)信号混频到载波频率上，调制后的高频模拟信号需要经过功率放大器(Power Amplifier，PA)放大及杂波滤除以后再由天线发射出去，这种通信系统的缺点是杂波干扰的影响比较大。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种，能够解决传统无线通信调制杂波干扰的影响比较大的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种发射机，包括：偏置信号生成电路、发射本振电路、发射天线和具有有源超表面的混频器；

所述发射本振电路与所述发射天线电连接，所述发射天线与所述混频器之间具有间隔；

所述偏置信号生成电路和所述混频器电连接；

所述发射本振电路用于生成第一模拟信号，所述发射天线用于向所述混频器发射所述第一模拟信号，所述偏置信号生成电路用于生成偏置信号，所述混频器用于对所述第一模拟信号和所述偏置信号进行混频，并向外界空间辐射电磁波信号。

第二方面，本申请实施例提供一种通信系统，包括：接收机和如第一方面所述的发射机。

第三方面，本申请实施例提供一种电子设备包括如第二方面所述的通信系统。

本申请实施例中，通过偏置信号生成电路在具有有源超表面的混频器上加载偏置信号，并由发射本振直接向有源超表面发射模拟信号，通过有源超表面进行偏置信号与模拟信号的混频，实现了信号辐射和载波调制的分离，降低了对射频前端线性度的要求，与直接调频电路相比，由于发射本振的输出频率较单一，可以更容易实现中心频率的稳定性和精度，保证通信质量。

附图说明

图1a为一种采用电磁波幅度调制的系统框图；

图1b为一种有源超表面的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的发射机的结构示意图之一；

图3为本申请实施例提供的发射机的结构示意图之二；

图4a为有源超表面透射相位与偏置电压的变化关系示意图；

图4b为有源超表面透射幅度与偏置电压的变化关系示意图；

图5为本申请实施例提供的接收机的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的信号发射方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

为更好理解本申请的技术方案，首先对以下内容进行描述：

除了对高频模拟信号进行调制以外，近年来关于电磁波调制技术的研究也不断深入。根据人工电磁材料领域目前已有的研究成果发现，人工电磁表面可以对入射电磁波的幅度、相位进行调控，因此可以实现对电磁波信号的幅度调制和相位调制。超材料是一种亚波长的金属结构周期排布在介质基板上的人工复合材料，利用金属结构的谐振特性实现自由空间电磁波反射和透射可控的特性，例如异常反射、极化转换等。

参见图1a，图中示出是一种采用电磁波幅度调制的系统框图，利用了一块吸波频率随偏置电压可调的特性，当加载偏置信号时，信号透射基本无反射，当偏置信号为0时有信号发射，就可以根据反射波的有无来判断信号的0和1，实现信号的传递。

参见图1b，图中示出一种能实现电磁波混频的有源超表面的结构，由于其传输相位随偏置电压有360度的变化，所以具有电磁波混频器的特性，即假设入射电磁波频率为f₀，超表面加载的偏置信号上三角波频率为f₁，则透射电磁波的频率会向上偏移到f₀+f₁，是一种较好的电磁波混频器。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的发射机进行详细地说明。

参见图2，本申请实施例提供一种发射机，包括：偏置信号生成电路1、发射本振电路2、发射天线3和具有有源超表面的混频器4(以下简称为有源超表面4)；

发射本振电路2与发射天线3电连接，发射天线3与有源超表面4之间具有间隔；需要说明的是，本申请实施例对发射天线3与有源超表面4之间的具体间隔不做限定，但该发射天线3与有源超表面4之间的间隔要与有源超表面4特性要求一致。

偏置信号生成电路1和有源超表面4电连接；

在本申请实施例中，偏置信号生成电路1生成偏置信号，并将偏置信号加载于有源超表面4，发射本振电路2通过发射天线3向有源超表面4发射第一模拟信号，有源超表面4对第一模拟信号和偏置信号进行混频，并向外界空间辐射电磁波。

需要说明的是，上述外界空间指的是发射机和接收机之间相离较远的外部空间，作为透射电磁波的传输路径。

上述发射本振电路2用于产生单一频率的载波信号f₀，即第一模拟信号，在一些实施方式中，上述发射本振电路2可以采用带锁相环的频率合成器，来保证输出频率的精度和稳定性，本申请实施例对发射本振电路2的具体实现方式不做限定。

本申请实施例中，通过偏置信号生成电路在有源超表面上加载偏置信号，并由发射本振直接向有源超表面发射模拟信号，通过有源超表面进行偏置信号与模拟信号的混频，实现了信号辐射和载波调制的分离，降低了对射频前端线性度的要求，与传统的电磁波幅度调制技术相比，由于同一个本振频率可以根据偏置信号产生较大范围内的频偏，因此传输速率可以得到很大提高。受限于变容二极管的工作频率，至少可以达到1MHz，则1KHz时传输比特率可以增加10倍。与直接调频电路相比，由于发射本振的输出频率较单一，可以更容易实现中心频率的稳定性和精度，保证通信质量。

参见图3，在一些实施方式中，偏置信号生成电路1，包括：依次电连接的信源11、信源编码单元12和任意波形发生器13；

在本申请实施例中，信源11向信源编码单元12发送第二模拟信号，信源编码单元12将第二模拟信号转化为数字信号(也可以称为基带信号)，并将数字信号发送给任意波形发生器13，任意波形发生器13根据数字信号生成偏置信号，并将偏置信号加载于有源超表面4。

上述信源11用于产生需要发送的第二模拟信号，具体地，该第二模拟信号可以是语音信号或图像信号；

上述信源编码单元12用于信源11产生的模拟信号进行数字化处理，具体地，可以采用现有的编码方式，例如通过抽样、量化再编码的过程实现模拟信号向数字信号的转化。

上述任意波形发生器13指的是能够输出一定频率、形状和峰值的信号发生器，其输出信号加载在有源超表面4上。

具体地，在一些实施方式中，偏置信号满足以下条件：

f₂(n)＝s(n)·f₁；

其中，f₂(n)为所述偏置信号的输出频率，s(n)为所述数字信号的大小，f₁为预设频率间隔

需要说明的是，该偏置信号可以是上三角波，也可以是下三角波，即经过有源超表面4对第一模拟信号和偏置信号的混频后，辐射到外界空间中的电磁波频率为f₀+s(n)·f₁或者f₀-s(n)·f₁，通过改变任意波形发生器13的输出频率，使辐射电磁波产生相应的频率偏移。

进一步地，当偏置信号为v(2πf₁t)，透射电磁波频率会向上偏移；当偏置信号为v(-2πf₁t)，透射电磁波频率会向下偏移。可以将这两种偏移分别定义为基站和用户的发送信号，减少信号干扰。

在一些实施方式中，如图3所示，发射机还包括：PA 5，该PA 5电连接于发射本振电路2和发射天线3之间，通过该PA 5对发射本振电路2产生的第一模拟信号进行功率放大，便于根据通信距离的远近调整载波功率的大小。

在一些实施方式中，如图3所示，偏置信号生成电路1还包括：用于对数字信号进行加密的加密单元14，加密单元14电连接于信源编码单元12和任意波形发生器13之间，加密单元14对编码后的数字信号进行加密处理，可以根据信息的保密程度采用现有的加密算法，或者也可以不进行加密，直接输出基带信号。

下面对有源超表面的电磁波混频原理说明：

首先测量得到超表面的传输幅度随偏置电压的变化关系E(t)，传输相位随偏置电压的变化关系为p(v)，然后插值计算出传输相位的逆函数v(p)，若偏置电压随时间的变化关系v_b(t)，如下：

v_b(t)＝v(2πf₁t)，0＜t＜T₁；

则传输相位随时间的变化为：

p(t)＝p[v_b(t)]＝p[v(2πf₁t)]＝2πf₁t，0＜t＜T₁；

若入射到超表面上的电磁波如下：

则透射出去的电磁波为y_f1，即电磁波频率从f₀偏移到f₀+f₁。

同理，若偏置电压随时间变化为：

v_b(t)＝v(-2πf₁t)，0＜t＜T₁；

则透射出去的电磁波为y_-f1，即主频从f0偏移到f0-f1：

由于传输幅度随电压变化的非线性，透射电磁波会有一定的谐波分量，图4a和图4b示出超表面谐波分量有-20dB左右时，超材料透射相位和超材料透射幅度的变化，谐波问题可以通过设计传输幅度线性度更好的超表面来解决。

参见图5，图中示出与本申请实施例的发射机相对应的接收机，包括：接收天线58、接收本振电路59、混频器55和解码电路，在接收天线58和混频器55之间一次电连接有低噪声放大器57、滤波单元56，其中解码电路包括依次电连接的信宿51、信源解码单元52、解密单元53、信道解码单元54，其中混频器55还与接收本振59电连接。

接收天线58用于接收发射机发射的电磁波信号，接收本振电路59用于生成第一模拟信号，混频器55用于对第一模拟信号和电磁波信号进行混频，得到第三模拟信号，解码电路用于将第三模拟信号解码为第四模拟信号。

进一步地，信道解码单元54用于将第三模拟信号转化为数字信号，信源解码单元52用于根据数字信号生成第四模拟信号，并将第四模拟信号发送给信宿。

9.根据权利要求8的通信系统，其特征在于，解码电路包括还包括：用于对数字信号进行解密的解密单元53，解密单元53电连接于信道解码单元54和信源解码单元52之间。

具体地：接收天线58：捕获电磁波能量，将频率调制后的电磁波转化为射频信号。

混频器55：将电磁波频率调制后的高频信号f₀+f₂(n)与本振信号f₀进行混频，下变频为低频信号f₂。

信道解码单元54：根据公式

计算数字信号的大小，将接收到的频偏信息依次翻译成数字信号。

解密单元53：采用加密算法对应的解密算法，将加密后的数字信号还原成真实的数字信息s(n)。

信源解码单元52：根据信源编码的规则推导出解码算法，将s(n)还原为真实的模拟信号。

信宿51：接收信号的用户。

本申请实施例提供一种通信系统，包括：接收机和如图2或图3所示的发射机。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括如上述的通信系统。

参见图6，本申请实施例还提供一种信号发射方法，应用于如图2或图3所示的发射机，该方法包括：

步骤601：通过偏置信号生成电路生成偏置信号；

在本申请实施例中，由偏置信号生成电路生成加载在有源超表面上的偏置信号；

在一些实施方式中，通过偏置信号生成电路生成偏置信号，包括如下子步骤：

(1)信源向信源编码单元发送第二模拟信号；

上述第二模拟信号可以是语音信号或者图像信号。

(2)信源编码单元将第二模拟信号转化为数字信号；

可选地，信源编码单元可采用现有的编码方式，通过抽样、量化再编码的过程实现模拟信号向数字信号的转化。

(3)信源编码单元向任意波形发生器发送数字信号；

在一些实施方式中，在信源编码单元向任意波形发生器发送数字信号之前，本方法还包括：加密单元对数字信号进行加密；

在本申请实施例中，对编码后的数字信号进行加密处理，可以根据信息的保密程度采用现有的加密算法。

(4)任意波形发生器根据数字信号生成偏置信号；

具体地，任意波形发生器通过公式：f₂(n)＝s(n)·f₁生成偏置信号；

其中，f₂为偏置信号的输出频率，s(n)为数字信号的大小，f₁为预设频率间隔。

步骤602：偏置信号生成电路将偏置信号加载于有源超表面；

步骤603：发射本振电路通过发射天线向有源超表面发射第一模拟信号；

在本申请实施例中，由发射本振电路产生单一频率的第一模拟信号，并通过发射天线向有源超表面发射该第一模拟信号。

在一些实施方式中，本方法还包括：通过PA对第一模拟信号进行功率放大，便于根据通信距离的远近调整载波功率的大小。

步骤604：通过有源超表面对第一模拟信号和偏置信号进行混频，并向外界空间辐射电磁波。

在本申请实施例中，发射天线将第一模拟信号发射到有源超表面发生透射时，由于有源超表面加载了偏置信号(上三角波或下三角波)，使辐射到外界空间中的电磁波产生频率偏移；通过改变任意波形发生器的输出频率，使辐射电磁波产生相应的频率偏移。

本申请实施例中，实现了信号辐射和载波调制的分离，发射机不需要再对高频调制波进行PA放大、滤波和辐射，远距离传输时只需要用功率放大器对载波进行放大，降低了对射频前端线性度的要求，减少了对高线性度PA、高抑制度的滤波器的依赖。与电磁波幅度调制技术相比，由于同一个本振频率可以根据偏置信号产生较大范围内的频偏，因此传输速率可以得到很大提高。受限于变容二极管的工作频率，至少可以达到1MHz，为1KHz时传输比特率可以增加10倍。与直接调频电路相比，由于发射本振的输出频率较单一，可以更容易实现中心频率的稳定性和精度，保证通信质量。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (9)

1.一种发射机，其特征在于，包括：偏置信号生成电路、发射本振电路、发射天线和具有有源超表面的混频器；

所述发射本振电路与所述发射天线电连接，所述发射天线与所述混频器之间具有间隔；

所述偏置信号生成电路和所述混频器电连接；

所述发射本振电路用于生成第一模拟信号，所述发射天线用于向所述混频器发射所述第一模拟信号，所述偏置信号生成电路用于生成偏置信号，所述混频器用于对所述第一模拟信号和所述偏置信号进行混频，并向外界空间辐射电磁波信号；

所述偏置信号满足以下条件：

f₂(n)＝s(n)·f₁；

其中，f₂(n)为所述偏置信号的输出频率，s(n)为数字信号的大小，f₁为预设频率间隔；

经过所述有源超表面的混频器对第一模拟信号和偏置信号的混频后，辐射到外界空间中的电磁波频率为f₀+s(n)·f₁或者f₀-s(n)·f₁，其中f₀为第一模拟信号。

2.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述偏置信号生成电路，包括：依次电连接的信源、信源编码单元和任意波形发生器；

所述信源用于生成第二模拟信号，所述信源编码单元用于将所述第二模拟信号转化为数字信号，所述任意波形发生器用于根据所述数字信号生成所述偏置信号，并将所述偏置信号发送给所述混频器。

3.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述发射机还包括：功率放大器，所述功率放大器电连接于所述发射本振电路和所述发射天线之间。

4.根据权利要求2所述的发射机，其特征在于，所述偏置信号生成电路还包括：用于对所述数字信号进行加密的加密单元，所述加密单元电连接于所述信源编码单元和所述任意波形发生器之间。

5.一种通信系统，其特征在于，包括：接收机和如权利要求1至4任一项所述的发射机。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述接收机包括：接收天线、接收本振电路、混频器和解码电路；

所述接收天线用于接收发射机发射的电磁波信号，所述接收本振电路用于生成第一模拟信号，所述混频器用于对所述第一模拟信号和所述电磁波信号进行混频，得到第三模拟信号，所述解码电路用于将所述第三模拟信号解码为第四模拟信号。

7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，解码电路包括：依次电连接的信道解码单元、信源解码单元和信宿；

所述信道解码单元用于将所述第三模拟信号转化为数字信号，所述信源解码单元用于根据所述数字信号生成所述第四模拟信号，并将所述第四模拟信号发送给所述信宿。

8.根据权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述解码电路包括还包括：用于对所述数字信号进行解密的解密单元，所述解密单元电连接于所述信道解码单元和所述信源解码单元之间。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求5至8任一项所述的通信系统。

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