基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于空间正交变换的多模态涡旋电磁波信号模态并行分离方法，该方法是：首先，对圆阵列结构天线的各接收阵元并行输出信号经去波束赋处理，变为具有全指向性的、且带有多个模态的涡旋电磁波并行信号；再将去波束处理后的信号以并行方式作为空间正交变换器的输入信号；空间正交变换器对输入信号做关于涡旋电磁波方位角的空间正交变换(即快速傅里叶变换)，得到多模态涡旋电磁波的模态离散谱分布；最后，并行输出涡旋电磁波的模态离散谱分量，每一输出分量对应该模态携带独立调制信号，且已去模态，从而实现空间多模态涡旋电磁波信号模态并行分离与识别。同时，本发明专利技术同时公开了基于空间正交变换的多模态涡旋电磁波信号模态并行分离装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多模态涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置实现，属于通信信号处理技术与雷达信号处理

技术介绍
由香农信道容量定理知：无线通信系统的信道容量与系统的带宽成正比，因此提高系统的传输速率，需要占用更宽的频带。大量无线系统的使用，使得有限频谱异常拥挤，频谱资源日益匮乏。为缓解频谱资源少而无线业务量大的矛盾，瑞典科学家BoTide等人提出了利用涡旋电磁波的模态传递信息的设计，并于2011年6月24日，BoTide等人在意大利威尼斯证明了利用涡旋电磁波携带信息传播的实验，为无线通信系统的信道容量提升开辟了新途径。由经典电动力学理论可知：涡旋电磁波的波前具有螺旋相位结构，这是由于涡旋电磁波携带有轨道角动量(Orbitalangularmomentum，OAM)，而平面电磁波不具有OAM，所以波前是平面的。相关文献报道了使用螺旋相位板移相法或圆阵列天线法等产生涡旋电磁波的方法，而关于涡旋电磁波的接收分离方法报道较少。目前，涡旋电磁波模态识别可采用干涉方法，该方法通过引入一束参考波与接收涡旋波累加后产生干图样，将其与图库中的图样对比实现涡旋电磁波的模态识别的，实践证明：干涉法识别涡旋电磁波模态灵活性较差，为了提高模态识别的精确性，通信双方减少了可用模态，故而没有最大化增加信道的容量，且实际使用中，也将涡旋电磁波可用的独立调制维度降格使用，如涡旋电磁波的幅度或相位一般不携带调制信息。在实时性要求高、大r>容量的无线通信系统中使用干涉方法完成多模态涡旋电磁波的分离显然是不可取的。也有文献报道了采用相位梯度差法检测涡旋波模态的方法，该方法通过在涡旋波束方位轴的横向垂面上以固定夹角设置两个接收天线对涡旋电磁波方位角采样，再由采样值估计出涡旋电磁波的模态，实践证明：这种方法的易被干扰，精度有限。也有文献报道了采用逆向螺旋相位板方法对特定模态涡旋电磁接收的实现方案，当通信双方在同一信道并行传输多个不同模态的涡旋电磁波时，通信系统的体积将变得十分庞大，对可移动无线系统而言，该方法的局限是显然的。综上所述，不同模态的涡旋电磁波的幅度与相位各自携带不同信息时，干涉识别法或相位梯度差等方法难以实现多模态模态的涡旋电磁的并行分离与识别。目前，尚未见文献报道实现多模态涡旋电磁波的并分离与去模态的方法，本专利技术人(组)基于信号处理原理，从涡旋电磁波空间接收的特点出发，并结合快速傅里叶变换理论精髓，提出了采用空间正交变换方法实现多模态涡旋电磁波的并行分离方法，可有效解决同一载波并行多模态涡旋电磁波的并行分离与去模态，为涡旋电磁波的应用提供智力支持。
技术实现思路
本专利技术旨在解决多模态(拓扑核)涡旋电磁波的并行分离与去模态问题，使涡旋电磁波的可用调制维度得到最大化应用。下面的具体实施方式中描述了本专利技术的进一步特征和方面。附图说明图1为基于空间正交变换的多模态涡旋电磁波模态并行分离方法原理示意图。其中图1中的虚框3涉及了本专利技术所述多模态并行分离与去模态方法。图2为本专利技术所述多模态涡旋电磁波模态并行分离装置整体方案示意方框图。图3为本专利技术所述方法的使用流程结构示意方框图。图中1.均匀圆阵列结构天线，2.去波束赋形器，3.空间正交变换器，4.波束赋形权矢量估计器，5.空间正交变换权计算器。具体实施方式一种基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置，本专利技术所述方法适用于相同载频多模态涡旋电磁波的分离方法，其原理如图1所示。如图1所示，在空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离系统中，均匀圆阵列结构天线1不同阵子独立对空间多模态涡旋电磁波采样，其响应为多模态涡旋电磁波在不同方位角上的复合信号，且具有特定的方向增益；圆阵列结构天线1不同阵子响应作为去波束赋形器2的并行输入信号，经波束赋形器2处理后作为空间正交变换器3的并行输入信号，再经空间正交变换器3做关于涡旋电磁波方位角的快速傅里叶变换，得到空间涡旋电磁波的模态离散谱分布，并行输出涡旋电磁波的模态离散谱分量，每一输出分量对应该模态携带独立调制信号，且该输出分量为已去模态的非涡旋信号，从而实现空间多模态涡旋电磁波信号模态并行分离与识别。同时，本专利技术公布了空间正交变换的多模态涡旋电磁波模态并行分离与去模态装置，如图2所示，N阵元均匀圆阵列结构天线的不同阵子响应{ei(·)|i＝0，1，…，N-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行识别与分离方法，其特征在于，首先，均匀圆阵列结构天线的不同阵元在不同的空间方位角上对空间电磁波采样，得到并行多路信号，同时以连续信号方式将空间并行采样信号传递给去赋形器；去赋形器对并行输入信号按照圆阵列波束赋形所使用的权矢量的逆矢量去赋形处理，并将去赋形处理后的信号并行输出给空间正交变换器；然后，空间正交变换器对并行输入信号做关于涡旋电磁波的方位角空间正交变换(即快速傅立叶变换)，得到空间涡旋电磁波的模态离散谱分布(或拓扑核谱分布)；最后，并行输出涡旋电磁波的模态离散谱分量，每一输出分量对应该模态携带独立调制信号，且该输出分量为已去模态的非涡旋信号，从而实现空间多模态涡旋电磁波信号模态并行分离与识别。所述基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法包括如下步骤：(a)半径为r0圆周上均匀分布N个同性天线(或阵元)(见“Generation of orbital angular momentum(OAM)radio beams with phased patch array”，Qiang Bai，Alan Tennant，Ben Allen，Masood Ur Rehman，Antennas and Propagation Conference(LAPC)，2013 Loughborough，PP410‑413，以引用的方式将其公开在此)收到的空间多模态涡旋电磁波信号按式(1)，操作，其中式(1)中ei(z0，r0，ω)表示N阵元均匀圆阵列天线不同阵元在不同方位角采集到的空间涡旋电磁波信号，其中h(·)为信道系数，z0为接收天线与发送天线对齐条件下接收面与发送面的径向距离，r0为接收阵元距涡旋电磁波传播轴的垂直距离，κ(κ＝ω/c，c＝3×108m/s)为波数，l为涡旋电磁波的模态(或拓扑核)，Al(t)为不同模态涡旋电磁波携带的幅度信息，ω为载波频率，为不同模态涡旋电磁波携带的相位信息，θi(i＝0，1，…，N‑1)为天线阵元空间方位角，为上取整运算符，为下取整运算符；(b)对ei(z0，r0，ω)(i＝0，1，…，N‑1)去赋形处理，由圆阵列波束赋形使用的权矢量的逆进行，按式(2)，e~i(z0,r0,ω)=ei(z0,r0,ω)·wi*,i=0,1,...,N-1---(2)]]>操作，其中wi为第i个涡旋电磁波的波束指向权系数(见“最优阵列处理技术”，Harry L.VanTrees著，汤俊等译，清华大学出版社，2008年1月，ISBN：9787302147602，220‑242页，以引用的方式将其公开在此)，表示wi的逆(或共轭)；(c)空间正交变换器对N路并行输入信号(i＝0，1，…，N‑1)做关于涡旋电磁波的方位角快速傅立叶变换(即空间正交变换)，按式(3)，操作，实际使用的涡旋波模态l是离散的，故将称为空间涡旋电磁波的模态离散谱分布；(d)空间正交变换器使用的权矢量与式(1)中的系数自然正交互逆，因此是涡旋波信号去模态后的独立调制信号，按式(4)，操作，从而实现多模态涡旋电磁波信号的模态分离。...

【技术特征摘要】
1.基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行识别与分离方法，其特征在于，首先，
均匀圆阵列结构天线的不同阵元在不同的空间方位角上对空间电磁波采样，得到并行多路
信号，同时以连续信号方式将空间并行采样信号传递给去赋形器；去赋形器对并行输入信
号按照圆阵列波束赋形所使用的权矢量的逆矢量去赋形处理，并将去赋形处理后的信号并
行输出给空间正交变换器；然后，空间正交变换器对并行输入信号做关于涡旋电磁波的方
位角空间正交变换(即快速傅立叶变换)，得到空间涡旋电磁波的模态离散谱分布(或拓扑
核谱分布)；最后，并行输出涡旋电磁波的模态离散谱分量，每一输出分量对应该模态携带
独立调制信号，且该输出分量为已去模态的非涡旋信号，从而实现空间多模态涡旋电磁波
信号模态并行分离与识别。
所述基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法包括如下步骤：
(a)半径为r0圆周上均匀分布N个同性天线(或阵元)(见“Generationoforbital
angularmomentum(OAM)radiobeamswithphasedpatcharray”，QiangBai，Alan
Tennant，BenAllen，MasoodUrRehman，AntennasandPropagationConference(LAPC)，
2013Loughborough，PP410-413，以引用的方式将其公开在此)收到的空间多模态涡旋电磁
波信号按式(1)，
操作，其中式(1)中ei(z0，r0，ω)表示N阵元均匀圆阵列天线不同阵元在不同方位角采
集到的空间涡旋电磁波信号，其中h(·)为信道系数，z0为接收天线与发送天线对齐条件下
接收面与发送面的径向距离，r0为接收阵元距涡旋电磁波传播轴的垂直距离，κ(κ＝ω/c，c
＝3×108m/s)为波数，l为涡旋电磁波的模态(或拓扑核)，Al(t)为不同模态涡旋电磁波携带
的幅度信息，ω为载波频率，为不同模态涡旋电磁波携带的相位信息，θi(i＝0，1，…，
N-1)为天线阵元空间方位角，为上取整运算符，为下取整运算符；
(b)对ei(z0，r0，ω)(i＝0，1，…，N-1)去赋形处理，由圆阵列波束赋形使用的权矢量的
逆进行，按式(2)，
e ~ i ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海林，赵林军，程文池，刘毅，梁芳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，陕西理工学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61