CN116827363A - 具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制mimo发射机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，包括数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天线及M×N单元超表面。本发明利用数字基带信号模块将M×N路用户信号映射为M×N路独立的控制信号，独立控制M×N个超表面单元的相位，由反射波或透射波的相位来传递信息；数字基带信号模块生成一路与控制信号码元周期同步的周期性时域窗函数波形，该波形在经过数模转换器后与射频本振模块的载波混频后入射至超表面，达到抑制调制码元带外辐射的目的。本发明的超表面直接调制MIMO发射机能通过窗函数包络有效抑制直接调制码元的带外辐射，减小该发射机的频谱占用，降低对其他通信系统的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信和新型人工电磁材料的技术领域，具体地，涉及具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机。
背景技术
多输入多输出(MIMO)技术是当代无线通信领域的一项关键技术。通过在收发 两端配备由多根天线组成的天线阵列，并辅助以波束形成及检测算法，可充分利用 多径信道特性，提高系统的吞吐率和频谱效率。然而，传统MIMO传输系统需要在发 射端的每个天线单元后配备一整条基带及射频信号链路，随着阵列规模的提高，尤 其是应用于大规模MIMO中时，发射机的成本、体积、系统复杂度、功耗以及通道间 幅相不一致也随之提高，这些对MIMO发射机的设计提出了更高的要求。
超表面是一种新型电磁材料，由周期性排列的电磁调控单元组成，通过设计单 元的结构、尺寸、空间排布等参数，可以控制透射或反射电磁波的幅度、相位、极 化、轨道角动量等参数，从而实现常规材料所不具备的电磁调控功能。在超表面的 设计中，相比幅度调控，基于数字控制信号的相位调控往往相对较容易实现，如公 开号为CN110767999A的专利中提出了一种比特数字编码天线单元，因而利用超表面 对反射波及透射波进行相位调制可传输简单的PSK调制信号。然而，这种基于电磁波 相位直接调制的信号传输波形为恒模，在频域占据较大的频谱资源，使得频谱利用 率下降，并给工作在邻近频率的通信系统带来较大的干扰，如何利用超表面在实现 调制信息传输的同时抑制带外辐射成为主要难题之一。
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具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机。
根据本发明提供的一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，包括数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天线和超表面；
所述数字基带信号模块以M×N路用户信号为输入，将M×N路用户信号映射为M×N路独立的控制信号波形，所述控制信号波形分别通过控制线加载在超表面M×N个单 元上，所述超表面根据控制信号波形调节反射波或透射波的相位；
所述数字基带信号模块同步生成一路与控制信号码元周期相同的周期性时域窗函数 波形，所述周期性时域窗函数波形经过数模转换器转化为模拟基带信号后与射频本振 模块产生的载波信号在混频器中上变频到射频，通过喇叭天线发射至超表面上，所述超表面的各单元通过控制信号波形调节入射波的相位。
优选地，所述周期性时域窗函数波形为任意基带幅度波形，控制超表面相位调制的 恒模波形。
优选地，所述数字基带信号模块由多种数字逻辑处理器实现。
优选地，所述超表面为透射式或反射式超表面，所对应调制后的射频信号为透射波 或者反射波。
优选地，所述超表面由M行N列周期性排列的电磁调控单元构成，每个单元接受独立的控制信号，所述控制信号为数字或模拟信号，并通过控制信号改变透射该单元或 由该单元反射的电磁波的相位。
优选地，所述M×N路完成直接调制后的反射或透射信号为PSK调制方式，并通过每个码元的周期性时域窗函数包络控制带外辐射。
优选地，接收机完成码元同步后在码元最大幅度处抽样来恢复各原始码元。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明系统结构简单，成本、功耗、体积、幅相不一致等性能指标具有明显 优势；
2、本发明提出的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机利用单元对入射波或反射波的直接相位调制来传输信息，不需要传统MIMO发射机中的多射频 链路。避免了多射频链路带来的成本、功耗、体积等制约；
3、本发明采用周期性时域窗函数调制入射载波，使得带外辐射大大降低，这一 设计在减小对邻信道通信系统干扰的同时，减小了由带外辐射引起的功率损失，提 高了超表面直接相位调制MIMO系统的能量利用效率。
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为本发明的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机结构图；
图2为本发明采用凯塞窗设计周期性时域窗函数的时域波形图(β＝1,4,9)；
图3为本发明采用凯塞窗设计周期性时域窗函数后反射或透射射频信号的时域波形图(β＝4)；
图4为本发明采用凯塞窗设计周期性时域窗函数后反射或透射射频信号的归一化功率谱图(β＝1,4,9)；
图5为本发明的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机简要结构图。
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。
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机。
实施例1
根据本发明提供的一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，如图1所示，分为数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天 线及拥有相位调节能力的M×N单元超表面。数字基带信号模块以M×N路用户信号为输 入，将M×N路用户信号映射为M×N路独立的控制信号波形，该控制信号波形分别通过 控制线以一定码速率加载在超表面M×N个单元上，超表面根据此控制信号波形调节反 射波或透射波的相位；另外，数字基带信号模块同步生成一路与控制信号码元周期相 同的周期性时域窗函数波形，该波形经过数模转换器转化为模拟基带信号后与射频本 振模块产生的载波信号在混频器中上变频到射频，而后通过喇叭天线发射至超表面上， 超表面的各单元通过控制信号波形调节此入射波的相位。所数字基带信号模块可由多 种数字逻辑处理器实现。
周期性时域窗函数波形可为任意基带幅度包络波形，其用以控制超表面相位调制的恒模波形。例如，该周期性幅度波形可基于凯塞窗(Kaiser)进行设计，由下式给 出：
其中，g(t)为时刻t的周期性幅度波形，m为整数，P为码元功率，Tb为码元周期， w(t)为与单个码元周期同步的单个包络函数，由下式给出：
其中，I0为第一类零阶贝塞尔函数，Ns为数模转换器单个码元周期Tb下的采样次数，n表示单个码元周期的第n个采样时隙，Ts为数模转换器的采样时间，三者之间关 系为Tb＝NsTs。mod()表示取模函数。β是用来调整窗函数性能的参数。通过改变参数β， 可以实现不同带外辐射抑制的水平。另外可根据其他原则分别设计对应的周期性窗函 数，例如升余弦窗、汉宁窗、布莱克曼窗等窗函数。
超表面为透射式或反射式超表面，所对应调制后的射频信号为透射波或者反射波； 超表面由M行N列周期性排列的电磁调控单元构成，每个单元接受独立的控制信号，其控制信号可为数字或模拟信号，并通过控制信号改变透射该单元或由该单元反射的电 磁波的相位；M×N路完成直接调制后的反射或透射信号为PSK调制方式，并通过每个 码元的周期性时域窗函数控制带外辐射。以第m行第n列超表面单元为例，设某时刻传 输码元的相位为而与所有同时传输码元同步的周期性时序窗函数为g(t)，则 经过超表面单元调制后传输的透射波或反射波信号sm,n(t)为：
对于具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，对应的接收机完成码元同步后在码元最大幅度处抽样来恢复各原始码元。设接收机采用K根天线组成的阵 列进行接收，则在第k根天线处接收到的信号yk为：
其中，hm,n,k为第m行第n列的超表面单元到接收机第k个天线之间的信道响应，fc为载波频率。
实施例2
结合图1，设有一16×16单元超表面，单元间距为半波长，射频本振模块产生中 心频率为1GHz的载波信号，利用超表面单元直接调制QPSK信号，码速率为10MBaud， 周期性时域窗函数基于前述的凯瑟窗进行设计。
图2给出了不同β参数(β＝1,4,9)下基于凯塞窗设计的周期性时域窗函数的时域波 形图。图中可以看出，随着参数β的提高，不同码元的幅度波形之间变得趋向平滑，意 味着边带辐射同时趋向于下降。进一步地，图3给出了在β＝4时本发明采用凯塞窗设计 周期性时域窗函数后反射或透射射频信号的时域波形，图中可见，由于周期性时域窗 函数的幅度调制，反射或透射波的包络由该周期性时域窗函数决定，因而传输的信号 功率谱分布将与周期性时域窗函数保持一致。
最后，请参阅图4，其给出了采用凯塞窗设计周期性时域窗函数后反射或透射射频信号的归一化功率谱(β＝1,4,9)，另外无窗函数调制的信号归一化功率谱也一并提供作为比较。图中可见，基于周期性时域窗函数的幅度调制使得直接相位调制后信号的带 外辐射大大降低，而随着窗函数设计参数β的增大，边带抑制的效果越明显。
本发明系统结构简单，成本、功耗、体积、幅相不一致等性能指标具有明显优 势；本发明提出的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机利用单元对 入射波或反射波的直接相位调制来传输信息，不需要传统MIMO发射机中的多射频链 路。避免了多射频链路带来的成本、功耗、体积等制约；本发明采用周期性时域窗 函数调制入射载波，使得带外辐射大大降低，这一设计在减小对邻信道通信系统干 扰的同时，减小了由带外辐射引起的功率损失，提高了超表面直接相位调制MIMO系 统的能量利用效率。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发 明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻 辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及 其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种 功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能 的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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 (7)
1.一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，包括数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天线和超表面；
所述数字基带信号模块以M×N路用户信号为输入，将M×N路用户信号映射为M×N路独立的控制信号波形，所述控制信号波形分别通过控制线加载在超表面M×N个单元上，所述超表面根据控制信号波形调节反射波或透射波的相位；
所述数字基带信号模块同步生成一路与控制信号码元周期相同的周期性时域窗函数波形，所述周期性时域窗函数波形经过数模转换器转化为模拟基带信号后与射频本振模块产生的载波信号在混频器中上变频到射频，通过喇叭天线发射至超表面上，所述超表面的各单元通过控制信号波形调节入射波的相位。
2.根据权利要求1所述的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，所述周期性时域窗函数波形为任意基带幅度波形，控制超表面相位调制的恒模波形。
3.根据权利要求1所述的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，所述数字基带信号模块由多种数字逻辑处理器实现。
4.根据权利要求1所述的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，所述超表面为透射式或反射式超表面，所对应调制后的射频信号为透射波或者反射波。
5.根据权利要求1所述的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，所述超表面由M行N列周期性排列的电磁调控单元构成，每个单元接受独立的控制信号，所述控制信号为数字或模拟信号，并通过控制信号改变透射该单元或由该单元反射的电磁波的相位。
6.根据权利要求1所述的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，所述M×N路完成直接调制后的反射或透射信号为PSK调制方式，并通过每个码元的周期性时域窗函数包络控制带外辐射。
7.根据权利要求1所述的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，接收机完成码元同步后在码元最大幅度处抽样来恢复各原始码元。
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