CN114866389A - 一种太赫兹大规模阵列天线无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹无线通信技术领域，具体涉及一种太赫兹大规模阵列天线无线通信系统。本发明提出的通信系统中，一方面，针对大规模阵列天线波束成形只能实现角度自由度的问题，为使波束能够更加精准地指向用户位置，本发明提出了两种发射端模型来实现频率偏移‑相移技术，从而达到对发射波束灵活控制的目的。两种模型分别为：(1)发射端基带信号经过编码调制后在数字域进行频率偏移‑相移。(2)发射端基带信号经过编码调制，通过倍频器和移相器后，实现频率偏移‑相移。另一方面，在接收端，针对接收信号存在多载频的问题，为使接收端能够准确解调被发送的信号，本发明提出对接收信号在下变频处理后进行解调、解码从而实现对信号的接收处理。

Description

一种太赫兹大规模阵列天线无线通信系统
技术领域
本发明属于太赫兹无线通信技术领域，具体涉及一种太赫兹大规模阵列天线无线通信系统。
背景技术
太赫兹通信技术被认为是6G通信的关键技术支撑。为了抵消太赫兹通信极大的路径损耗，扩大太赫兹通信覆盖范围，太赫兹通信将联合大规模阵列天线技术用以提供天线增益以及波束增益。同时，随着网络部署日益密集，电磁通信环境将日益复杂。为了降低越来越复杂的电磁环境对通信安全造成的影响，实现近场-远场统一的灵活可控的太赫兹通信系统至关重要。然而，目前通信系统通常是针对远场场景，波束通常仅具备角度自由度，并不能提供角度-距离二维空间自由度，实现更加精确的二维空间波束聚焦特性。
发明内容
本发明针对传统波束成形系统仅能实现对波束角度维度控制的问题，提出了一种基于频率偏移-相移二维调控的太赫兹大规模阵列天线无线通信系统。在本发明提出的通信系统中，一方面，针对大规模阵列天线波束成形只能实现角度自由度的问题，为使波束能够更加精准地指向用户位置，本发明提出了两种发射端模型来实现频率偏移-相移技术，从而达到对发射波束灵活控制的目的。两种模型分别为：(1)发射端基带信号经过编码调制后在数字域进行频率偏移-相移。(2)发射端基带信号经过编码调制，通过倍频器和移相器后，实现频率偏移-相移。另一方面，在接收端，针对接收信号存在多载频的问题，为使接收端能够准确解调被发送的信号，本发明提出对接收信号在下变频处理后进行解调、解码从而实现对信号的接收处理。
本发明提出的通信系统不仅摆脱了传统大规模阵列天线仅能够控制波束角度自由度的问题，还实现了近远场统一的波束成形。该系统能够精准发射波束并且控制波束覆盖范围，提高了通信系统的安全性、灵活性，减少了空间中电磁干扰，极大地提高了通信系统的通信效率。
本发明的技术方案如下：
一种近场-远场统一的、精确角度-距离空间位置波束成形的通信系统，其包含两种发射端模型和一种接收端模型。其中，
发射端模型(1)：基带信号经过编码和QPSK调制后，在数字域进行频率偏移-相移调制，随后该系统使用倍频器将中心载频调制到信号上并经由功率放大器和大规模阵列天线将信号发射出去。本发明提出的这种模型在数字域进行频率偏移-相移，采用全数字结构实现目标，提高了操作的灵活性。同时该模型使用大规模阵列天线来发射信号，在一定程度上弥补了太赫兹频段通信引起的损耗并且使得在目标位置的波束有着较好的聚焦程度；
发射端模型(2)：基带信号经过编码和QPSK调制后，该系统使用多路倍频器将各路信号调制到对应载波频率上实现频率偏移，随后利用移相器实现相位偏移控制，最后经由功率放大器和大规模阵列天线将信号发射出去。该发射端模型(2)与发射端模型(1)相比，模型(2)在模拟域实现频率偏移-相移技术，虽然波束成形的灵活度有所下降，然而模型(2)却实现了硬件部署和功率开销的大大降低；
接收端模型：接收端接收信号后进行功率放大并对其进行下变频以除去中心载频的影响。随后进行解调、解码完成对信号的接收。
本发明的有益效果：
本发明提出的太赫兹大规模阵列天线无线通信系统利用频率偏移-相移技术，为波束成形提供了角度-距离二维自由度，使得系统对波束的控制更加灵活，实现发送波束在空间上聚焦，并能够根据需要不断调整波束覆盖范围的大小，改善了波束成形的聚焦性能和效益。本发明提出的无线通信系统提高了通信的安全性，灵活性，并减少了用户间通信产生的干扰。
附图说明
图1是本发明在数字域进行频率偏移-相移的系统框图以及发射波束结构示意图；
图2是本发明在模拟域进行频率偏移-相移的系统框图以及发射波束结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的技术方案
如图1和图2所示，本发明提出的通信系统包含两种类型的发送端模型以及一种类型的接收端模型。
发射端模型(1)：如图1中(a)所示，发射端基带信号先通过编码和QPSK调制，随后在数字域实现对信号添加频率偏移和相位偏移实现频率偏移-相移控制；上变频器将经过频率偏移-相移处理的基带信号调制到中心载频中，最后经由功率放大器和大规模阵列天线将信号发射。发射端模型(1)对应的具体发射波束结构图如图1中(b)所示，编码、调制过后的各路基带信号在数字域被加入频率偏移与相位相移；随后信号经过不同采样频率的数模转化器；太赫兹信源产生一定频率的中心载频并通过乘法器和通过数模转化器的各路信号相乘将各路信号搬移到太赫兹频段。最后各路信号经过功率放大器和大规模阵列天线被发射出去。
发射端模型(2)：如图2中(a)所示，发射端对基带信号进行编码和QPSK调制；随后经过上变频器将信号调制到太赫兹频段中并对载波中心频率进行频率偏移处理；在模拟域利用移相器实现相位偏移，最后经由功率放大器和大规模阵列天线将信号发射出去。发射端模型(2)对应的具体发射波束结构图如图2中(b)所示，编码、调制过后的基带信号经过数模转化器后分出多路信号，每路信号与太赫兹信源产生的不同频率的载频通过乘法器相乘，从而获得不同的频率偏移，随后各路信号经过移相器来获得不同的相移并经过功率放大器和大规模阵列天线被发射出去。
接收端实现对接收信号的解调与解码过程。信号经过接收天线和低噪声放大器后，进行下变频处理去除中心载频的影响；随后经过QPSK解调以及解码后得到发送信号。
采用发射端模型(1)时，本发明通信系统具体的工作步骤如下：
1.发射端对数据进行编码与QPSK调制。
2.发射端在数字域设置每路信号的频率偏移-相移。随后经过上变频器将信号搬移到太赫兹频段并通过功率放大器和大规模阵列天线发送信号。
3.接收端接收信号，经过下变频去除中心载频的影响；随后进行解调、解码后接收信息。
采用发射端模型(2)时，本发明通信系统具体的工作步骤如下：
1.发射端对数据进行编码与QPSK调制。
2.发射端通过倍频器设置每路信号的频率偏移并将中心载频调制的信号中。随后经过移相器设置相移并通过功率放大器和大规模阵列天线发送信号。
3.接收端接收信号，经过下变频去除中心载频的影响。随后进行解调、解码后接收信息。
本发明提出的通信系统具有以下优点：在该系统中，通过频率偏移-相移控制实现了对近场-远场波束空间覆盖的准确控制。摆脱了传统波束成形系统只能在角度方位进行控制的约束，且该系统可通过对频率偏移的控制实现对波束覆盖范围的灵活控制，提高了通信系统的安全性。

Claims (1)

1.一种太赫兹大规模阵列天线无线通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于，发射端的实现方式为以下两种方式之一：
第一种：基带信号经过编码和QPSK调制后，在数字域进行频率偏移-相移调制，随后使用倍频器将中心载频调制到信号上并经由功率放大器和大规模阵列天线将信号发射出去；
第二种：基带信号经过编码和QPSK调制后，使用多路倍频器将各路信号调制到对应载波频率上实现频率偏移，随后利用移相器实现相位偏移控制，最后经由功率放大器和大规模阵列天线将信号发射出去；
所述接收端接收信号后进行功率放大并对其进行下变频以除去中心载频的影响，随后进行解调、解码完成对信号的接收。
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