[发明专利]通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种通信系统中信号的调制方法。 

背景技术

调制解调技术关系到信息传输的速率和误码性能。在通信系统中引入速率更快、性能更好的调制解调技术成为提高或改善系统性能的有效途径之一，其中扩展调制解调信号的维度，即将传统的二维调制解调星座图扩展到三维立体调制解调星座图，是提高调制解调性能的直接方法。

在光通信系统中，人们利用光的偏振（极化）信息对光信号的三维调制解调进行了研究[1]-[7]。在无线通信领域，人们在GSM系统中引入了双极化天线，组合了+45度和-45度两副极化方向相互正交的天线，使其在工作收发双工模式的同时，可通过极化分集来代替空间分集接收，从而提高系统的性能。例如：在GSM和EDGE系统中，文献[8]和[9]讨论了如何运用极化信息来控制功放以提高调制的效率，文献[10]研究了极化矢量调制在X波段的相控阵雷达中的应用。

随着矢量天线的发展，为利用电磁波的极化信息提供了新的思路[11]-[16]。文献[11]报道了电磁矢量天线的实验室实现方法。这种电磁矢量天线可以记录三维空间中电磁波所携带的三维电场和三维磁场信息的同时，它还具备了传统标量天线所不具有的性质。例如，接收端可以在不知道具体阵列结构的情况下，对空间电磁源的波达方向（DOA）和极化参数进行估计[12]-[14]；矢量调制器在相控阵天线中对放大器进行控制[15]；矢量天线应用于接收信号相位误差的校正[16]。这些研究表明：将电磁波的几何特性和天线几何结构相结合的电磁矢量天线的出现，使人们发现了许多以前未知的现象和规律[17]-[21]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高通信系统数据传输速率、降低数据误码率的信号调制方法。

本发明提供的通信系统中信号的调制方法，是将信号的幅度、极化辐角与极化相位角进行三维联合调制与解调的方法。本发明从空间电磁场的数学描述出发，根据描述空间电磁场各参数之间的关系方程，首先建立了三维联合调制信号的模型，然后讨论了三维联合调制信号通过矢量天线发射的实现方式；并给出了在接收端通过信号幅度检测及其波达方向（DOA）极化参数估计这两个步骤来实现的对三维联合调制信号进行解调的策略；分析了三维联合调制误码率的计算方法及其性能。分析与仿真结果均表明：提出的调制解调方法具有传输速率高和误码率低的优点。

本发明提出的信号的三维联合调制方法，具体内容如下：

通信系统中信号的极化和幅度结合的三维调制方法，是利用矢量天线对电磁波极化信息敏感的特点，用矢量天线发射携带有极化信息的载波，在接收端同样利用矢量天线进行接收并解调，同时获得原有的幅度调制信息和极化调制信息；使在无线通信中应用‘信号幅度’、‘极化辐角’和‘极化相位角’作为调制解调中携带数据信息的特征参数，极化与幅度三维联合调制的信号的表达式为： 

          

其中，幅度参数代表电磁波能量的大小；极化辐角代表电磁波方向和方向电场强度的比值；极化差异角代表电磁场在方向和方向的相位差异；为载波频率。

具体推导如下：

我们知道，空间中的电磁场包含幅度、方向、极化方式、频率、相位等信息。为了描述电磁场的这些信息，在三维空间中建立如图1中所示的以，，为单位方向矢量的直角坐标系，在这一坐标系中，用，，作为描述电磁波传播方向的单位矢量。为了获得电磁波的全部信息，就必须要有与传统仅对垂直或者水平极化敏感的天线不同的新天线，矢量天线就是这样一种能敏感电磁波全部信息的天线[11]。矢量天线由三个电偶极子和三个磁偶极子构成，它们在空间上相互正交、同点分布，且具有不同的极化特性，能够同时发射和接收x、y、z三个方向的电场和磁场分量。文献[22]指出，对于远场信号，原点O处矢量天线x、y、z三个方向所接收到的电场信号可以表示为：

  （2）

其中，、、分别表示矢量天线在x、y、z三个方向的电偶极子上感应到的电场分量；表示电磁波信号相对于矢量天线的波达方向；、表示矢量电磁波电场的极化方向；表示信号的俯仰角，即z轴与入射信号方向之间的夹角；表示信号的方向角，即从x轴沿逆时针方向旋转到信号入射方向在x-y平面投影的夹角；表示极化椭圆长轴与方向的夹角；表示极化椭圆的偏心率。电磁波的极化椭圆如图2所示。