[发明专利]一种单用户四维无线调制解调器

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种单用户四维无线调制解调器。

背景技术

调制解调是无线通信系统中一项关键的技术。一般而言，常用的调制方式主要包括：脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation, PAM)、相移键控(Phase Shift Keying, PSK)和正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)^[1]。这些调制方式都是以不同的参数作为调制变量来传递信息的，如PAM和PSK是分别通过控制电磁波信号的幅度和相位来携带信息。由于在信息传输的过程中，PAM和PSK仅使用了电磁波信号的幅度或相位作为调制变量，故它们的调制自由度是一维的。在此基础上发展起来的QAM调制，由于能同时利用了信号的幅度和相位来传递信息，因此其调制自由度是二维的。

1994年，Nehorai等人在文献[2]中首次指出了：在使用矢量天线收发电磁波的过程中，电磁场的幅度、传播方向、极化方式、频率和相位等参数都可以用来传递信息。而所谓的矢量天线是由三根相互正交的电偶极子(电场天线)和三根相互正交的磁偶极子(磁场线圈)这六根有向天线在位于空间同一点上构成的，可分别收发空间三维电、磁场信号^[3]。该天线的结构特性使单个矢量天线能够对三维空间中入射电磁波携带的所有信息进行记录^[3]，这就使得基于矢量天线的参数(DOA和极化参数)估计性能优于传统标量天线阵列；同时，在相同的性能要求下，矢量天线的阵列间隙也小于传统的标量天线^[2]。由于具有完备的电磁场信息记录能力，矢量天线能够分辨入射电磁波的极化状态^[2]，这意味着电磁波的极化参数能在信号传递过程中提供携带信息的额外自由度。若这个由极化信息带来的额外自由度能得以充分利用，那么电磁信息处理系统的性能将会有巨大的提升空间。此外，文献[2][4]和[5]中均给出了矢量天线的具体实现方法。所以，矢量天线已经不再只是理论上的概念，这也为其应用的理论研究奠定了基础。

然而，文献[2]并未给出如何利用电磁波极化参数来进行调制和解调的具体方法。针对这一领域的空白，文献[6]提出了一种以矢量天线及其阵列为载体，在电磁波幅度、辅助极化角和极化相位差异角上携带信息的三维调制解调器。该系统从空间电磁场的数学描述出发，推导出了使用矢量天线实现三维调制的方法；并根据收发天线的数量和位置，提出了多种场景下三维调制信号的解调方法。但是，文献[6]中提出的三维调制解调器并未利用到电磁波的相位参数来携带信息，所以其性能还有进一步提高的空间。

仔细研究文献[6]可以发现，高维(多于二维)无线调制解调器的重点之一在于如何在解调过程中对入射电磁波方向(DOA)参数的估计，该模块的性能和复杂度会直接影响整个调制解调器的误符号率和传输速率。基于矢量天线估计电磁源DOA参数的算法研究是从上世纪90年代持续至今的一个研究热点，至今已有许多算法可供选择，它们可归为以下三种数学模型：长矢量模型^[2][7-11]、四元数模型^[13-16]和几何代数模型^[17-19]。

上世纪60-80年代，Hestenes等人将Clifford代数的特殊结构和数学对象的几何特性结合起来，提出了几何代数的概念^[20]。几何代数是一个多维的代数系统，其基本元素被称为多矢量。每个多矢量是由不同维度的几何对象，如标量、矢量、二级矢量等组成的一个整体。因为其具备描述多维数据的能力，几何代数从诞生之日起就作为一个强大的数学工具被广泛应用到理论物理等领域^[21-24]。

为了降低其他模型中DOA参数估计算法的复杂度和数据存储空间，文献[17-19]便将这一问题在三维欧氏空间下几何代数的框架内进行了描述。该类算法的基本思想是用几何代数中多矢量这一概念来表示矢量天线上接收到的电、磁场信号，同时利用几何代数中特有的运算性质，从而使其具有了其他模型所不具备的特性。综合文献[17-19]的理论分析和仿真结果可以发现，基于几何代数的DOA参数估计方法较其他模型下的方法具有算法复杂度低、数据存储空间小以及对相关噪声具有很强的鲁棒性等优势。综上，几何代数可作为一个非常强大的矢量天线阵列建模和信号处理的工具。

发明内容