本發明涉及一種面向MIMO的渦旋電磁波信號正交變換分離方法與裝置，屬于通信信號處理技術與雷達信號處理
技術領域：
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背景技術：
：渦旋電磁波無線通信技術的提出并不是BoTide等人憑空想象的，早在1992年物理學家就發現了渦旋光束。目前文獻報道基于渦旋光束的信息傳輸成果十分喜人。2011年6月24日，瑞典科學家BoTide和意大利帕多瓦大學FabrizioTamburini等人在意大利威尼斯驗證了渦旋電磁波傳輸信息的能力，打開了基于渦旋電磁波的無線通信技術演技的大門。按照經典電動力學理論，渦旋電磁波是由波的軌道角動量(Orbitalangularmomentum，OAM)對波前產生螺旋形扭曲形成的。按照量子力學理論，電磁波的螺旋相位波前結構與其模態(又稱拓撲核)有關，理論上渦旋電磁波的模態可以為任何數，但是對于小數模態渦旋波可按照數學方法將其展開為無窮項整數模態信號之和，為此通信系統中就以整數模態用之。目前有關無線射頻渦旋電磁波通信技術研究的主要成果主要集中在多模態渦旋電磁波的產生、多模態渦旋電磁通信系統容量分析與渦旋電磁波模態接收分離等幾個方面。無線射頻領域，基于多模態渦旋電磁波模態分離方法的研究成果多借鑒了渦旋光束的分離方法，即干涉方法與相位梯度差檢測方法。有無射頻信號的波長較大，基于干涉方法的全息圖方法所產生的干涉圖樣會很大，不便于系統的存儲與辨識，實踐(或文獻)證明：基于干涉方法對單模態恒定振幅渦旋電磁波分離可用，但是對具有振幅、相位與模態復用三維調制的渦旋電磁波信號的識別無能為力。基于相位梯度方法也不能從某一模態渦旋電磁信號中提取對應幅度、相位信息，因此基于該方法的渦旋電磁波通信系統中所使用的渦旋電磁波信號的幅度與相位是不攜帶獨立調制信息的。也有文獻報道采用逆向螺旋相位板識別渦旋電波模態的方法，該方法對特定頻率、特定模態渦旋電磁是可行的。對于多模態渦旋電磁波MIMO信號其缺陷是顯然的。本發明人(組)申請的國家發明專利《基于圓陣列嵌套電磁渦旋波MIMO系統收發天線布局及渦旋信號分離方法與裝置》(申請號：201610207419.3)中提出了基于圓陣列分形嵌套天線陣元布局結構，并以此為基礎構成多模態渦旋電磁波MIMO系統，其天線物理尺寸將隨信號載頻降低變的很大，對以此為收發天線的無線通信系統而言也不利于其移動與使用維護。目前，尚未見文獻報道共形(即同心圓或同軸圓臺)天線的多模態渦旋電磁波MIMO系統，研究共形天線的多模態渦旋電磁波MIMO系統收發天線陣元布局及其產生與接收多模態渦旋電磁波MIMO信號的方法具有理論意義與現實意義。本發明人(組)結合空間信號處理原理、分形幾何理論與MIMO通信信號處理理論，從渦旋電磁波信號空間傳播特點出發，提出了均勻圓陣列同心(或同軸圓臺)布局結構，并以此為基礎，構建了多模態渦旋波MIMO信號，提出了基于同心圓(或同軸圓臺)天線的多模態渦旋電磁波MIMO信號接收分離方法，可有效發揮同心圓(或同軸圓臺)天線產生的多模態渦旋電磁波MIMO信號的可用調制維度。技術實現要素：本發明旨在解決共形(即同心圓或同軸圓臺)的多模態渦旋電磁波信號產生與接收分離問題，最大化發揮渦旋電磁波的信息承載能力。下面的具體實施方式中描述了本發明的進一步特征和方面。附圖說明圖1為本發明所述均勻同心圓(或同心圓臺)均勻圓陣列嵌套結構的多模態渦旋電磁波MIMO系統天線陣元布局結構示意圖。圖2為采用本發明所述同心圓(或同心圓臺)均勻圓陣列結構天線進行多模態渦旋電磁波MIMO信號接收與分離示意圖，圖2中，1.同心圓(或同心圓臺)均勻圓陣列結構渦旋電磁波MIMO天線，2.信道估計器，3.解MIMO器，4.模態分離器，5.控制器。圖3為本發明所述多模態渦旋電磁波MIMO系統分離方法流程示意圖。具體實施方式本發明所述為面向多模態渦旋電磁波MIMO系統的一種同心圓(或同心圓臺)均勻圓陣列陣元布局結構與多模態渦旋電磁波MIMO信號分離方法及實現裝置。無線通信系統的雙方均采用本發明所述的相同參數同心圓(或同軸圓臺)均勻圓陣列天線(①均勻圓陣列天線收發渦旋電磁波見“B.Thidé，H.Then，J.etal，Utlilizationofphotonorbitalangularmomentuminthelow-frequencyradiodomain，Phys.Rev.Lett.，vol.99，no.8，p.087701，Aug.22，2007”，②均勻圓臺列天線見“何明，呂明，圓臺陣列天線方向性能分析，大眾科技，2009年第5期，PP59-61”，以引用的方式在此公開)，通信雙方使用的通信系統均工作在多模態渦旋電磁波MIMO狀態。本發明所述面向同心圓(或同軸圓臺)渦旋電磁波MIMO系統收、發天線布局結構如圖1所示，多模態渦旋電磁波MIMO系統收、發天線布局結構具有N層同心圓(或同軸圓臺)均勻圓陣列天線嵌套結構，各層均勻圓陣列天線的陣元數量不同，但是各層均勻圓陣列天線其圓周上的陣元間隔d均滿足(λ0為MIMO信號載頻波長)，而相鄰兩層均勻圓陣列天線的陣元間隔最小值D滿足在理想視距場景下，通信雙方使用相同參數的同心圓(或同軸圓臺)天線收、發多模態渦旋電磁波MIMO信號，面向同心圓(或同軸圓臺)電磁渦旋波MIMO系統的渦旋信號分離方法流程如圖3所示，首先接收端從接收天線各層陣列中取其0號陣元的響應構成接收信號矢量，并以該接收信號矢量為參考進行多模態渦旋電磁波信號空間傳播信道估計，其次以估計所得的信道函數為基礎，對接收天線各層陣元響應進行解MIMO處理，獲得對應層天線對應的非MIMO渦旋信號，最后對非MIMO渦旋信號進行空間正交變換多模態分離，獲得發送端對應層天線發送的多模態渦旋信號攜帶的獨立調制信息，遍歷處理接收天線的各層，即可獲取本發明所述同心圓(或同軸圓臺)均勻圓陣列天線構成的渦旋電磁波MIMO信號攜帶的所有調制信息；同時本發明公開了基于同心圓(或同軸圓臺)均勻圓陣列天線的多模態渦旋電磁波MIMO信號的分離實現裝置，如圖2所示。圖2中面向同心圓(或同軸圓臺)電磁渦旋波MIMO系統渦旋信號分離系統包括：同心圓(或同軸圓臺)結構天線1，信道參數估計器2，解MIMO器3，模態分離器4，控制器5；同心圓(或同軸圓臺)結構天線1的輸出端連接解MIMO器3的信號輸入端，MIMO器3的輸出端連接模態分離器4；模態分離器4的輸出端為調制信息，同心圓(或同軸圓臺)結構天線1不同半徑均勻圓陣列天線的0號陣元的輸出端連接信道參數估計器2的輸入端，信道參數估計器2的輸出端連接解MIMO器3的信道參數輸入端，并且系統中的信道參數估計器2、解MIMO器3與模態分離器4在控制器5的協同下工作。下面將描述多模態渦旋電磁波MIMO信號模態分離方法的詳細執行過程。所述電磁渦旋波MIMO信號多模態分離方法包括如下步驟：(a)以本發明所述天線的幾何中心(或幾何軸)建立參考系，記為XOY，同心圓(或同軸圓臺)均勻圓陣列天線共有N層(各層分別對應一個均勻圓陣列天線)，不失一般性，將本發明所述天線的由內層到外層均勻圓陣列天線依次記為UCAi(i＝0，1，…，N-1)，其陣元數依次記為Mi，則由UCAi(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模態渦旋電磁波信號記為Si(t)，可按式(1)進行，式(1)中(t)為UCAi(i∈{0，1，…，N-1})生成的li(li＝0，1，…Mi-1)模態渦旋電磁波攜帶的振幅信息，為UCAi(i∈{0，1，…，N-1})生成的li模態渦旋電磁波攜帶的相位信息，θ為UCAi(i∈{0，1，…，N-1})生成的li模態渦旋電磁波繞其傳播軸的方位角；(b)通信雙方采用本發明所述天線，且工作在多模態渦旋電磁波MIMO體制下，且收發天線對齊，發端UCAi(i∈{0，1，…，N-1})生成的多模態渦旋電磁波信號Si(t)經信道后傳遞到接收端UCAk(k∈{0，1，…，N-1})，不失一般性設UCAi到UCAk(k∈{0，1，…，N-1})信道僅為一條傳播路徑，根據本發明所述天線陣元布局特點，信號從UCAi(i∈{0，1，…，N-1})到UCAk(k∈{0，1，…，N-1})的不同陣元傳播信道近似一致，記為hki(r)(r為信號傳播路徑距)，有，接收端UCAk(k∈{0，1，…，N-1})接收的空間傳播的渦旋電磁波MIMO信號為yk(r，t)，可按式(3)進行，y→(r,t)=h→(r)s→(t)+n(t)---(3)]]>式(3)中為列矢量，為列矢量，，n(t)為高斯噪聲；(c)接收端UCAk的不同陣元響應為取UCAk(k＝0，1，…，N-1)的0號陣元響應構成并按式(4)計算其相關矩陣，有，式(4)中，[·]H為復共軛轉置運算；(d)利用式(4)中估計本發明所述多模態渦旋電磁波MIMO信道函數(MIMO信道估計方法參見“李化，MIMO信道模型及信道估計技術研究[D]，太原理工大學，2011(3)”，以引用的方式公開在此)，估計出的信道函數為有，；(e)由式(5)估計所得的對式(3)解MIMO處理，其流程如圖3所示，解MIMO處理步驟如下：(1)k＝0；(2)接收天線UCAk有Mk個陣元，其m(m＝0，1，…，Mk-1)號陣元接收的空間多模態渦旋電磁波MIMO信號為用矩陣形式表達有，式(6)中是按照UCAk的陣元空間布局方位角的信號，對式(6)兩邊同左乘以的廣義逆，有，(3)對接收UCAk而言，是UCAk物理陣元對應的解MIMO多模態渦旋電磁波信號，從式(7)等號左邊的矩陣的k行，有，s→k(t)=[sk(0)(t)sk(1)(t)...sk(Mk-1)(t)]---(8)]]>式(8)中為行矢量；(4)k＝k+1；(5)k＝N？，否，轉步驟(2)，是，結束；(f)對步驟(e)計算所得的進行空間正交變換(見本發明人(組)申請的國家發明專利“基于空間正交變換的渦旋電磁波信號模態并行分離方法與裝置”(申請號：201610077471.1)，以引用的方式將其公開在此)，有式(9)中lk＝0，1，…Mk-1，k＝0，1，…，N-1，即為UCAk的模態lk渦旋電磁波攜帶的獨立調制信息；采用本發明所述天線與多模態渦旋電波MIMO信號分離方法預期實現系統的頻譜效益改善值最大為其中N為普通(或經典)MIMO系統的復用效益，Mk為模態復用效益。對于本領域的技術人員來說，可以根據以上的技術方案和構思，做各種相應改變和變形，而所有的這些改變和變形都應該包括在本發明權利要求的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3