基于超表面的MIMO收发机系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于超表面的MIMO收发机系统，其特征在于，包括：喇叭天线、收发隔离开关、接收链路、发射链路、中频数字信号处理模块、数字控制器以及超表面；所述喇叭天线与收发隔离开关连接，所述收发隔离开关与接收链路和发射链路连接，所述接收链路和发射链路与中频数字信号处理模块连接，所述数字控制器与中频数字信号处理模块以及超表面连接。本发明专利技术利用超表面及单个喇叭馈源天线后的单射频收发链路同时实现MIMO收发功能，克服了超表面自身不能处理多用户信号的限制，且提供收发信息服务的最大单天线用户数与超表面单元数相同。务的最大单天线用户数与超表面单元数相同。务的最大单天线用户数与超表面单元数相同。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面的MIMO收发机系统


[0001]本专利技术涉及无线通信和新型人工电磁材料
，具体地，涉及一种基于超表面的MIMO收发机系统。

技术介绍

[0002]多输入多输出(MIMO)技术是多天线通信中的关键技术之一。在不增加带宽及总功率的情况下，MIMO技术可有效对抗空间信道衰落的影响，显著提高通信系统的频率效率和信道容量，广泛应用于无线通信领域中。但在大规模MIMO技术中，多天线体制一般需多套射频收发链路，因而在成本、体积、功耗、集成度等方面面临着性的挑战。
[0003]新型人工电磁表面，又称超表面，由周期性排列的电磁单元组成，通过对单元的结构、尺寸等参数进行优化设计，可实现区别于常规电磁材料的电磁波调控功能，为基于射频直接调控的无线通信硬件架构提出了新思路。然而，超表面一般仅使用单个喇叭天线进行空间馈电或接收信号，受限于单个发射/接收链路，超表面本身不能同时实现多用户的收发功能，往往作为散射通信的无源中继站或射频直接调制的发射机，如何实现基于超表面的独立收发设备是主要难题之一。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于超表面的MIMO收发机系统。
[0005]根据本专利技术提供的一种基于超表面的MIMO收发机系统，包括：喇叭天线、收发隔离开关、接收链路、发射链路、中频数字信号处理模块、数字控制器以及超表面；所述喇叭天线与收发隔离开关连接，所述收发隔离开关与接收链路和发射链路连接，所述接收链路和发射链路与中频数字信号处理模块连接，所述数字控制器与中频数字信号处理模块以及超表面连接；
[0006]所述超表面包括N个周期性排列的电磁调控微单元，所述电磁调控微单元为反射式、透射式或反射/透射可调节式结构；
[0007]所述数字控制器根据周期性调制时序生成对应周期性数字控制信号，并控制中频数字信号处理模块完成接收及发射信号处理流程；
[0008]所述的电磁调控微单元在数字控制器的控制信号作用下，周期性调节反射电磁波或透射电磁波的相位或幅度；
[0009]所述收发隔离开关分时选择接收链路和发射链路，分别对应接收模式和发射模式的两种工作模式。
[0010]优选的，所述射频接收链路包括依次连接的低噪声放大器、混频器和模数转换器，以及与混频器相连接的射频本振；所述射频接收链路放大来自喇叭天线的接收信号强度，并将射频信号下变频至中频后转换为数字信号。
[0011]优选的，所述射频发射链路包括依次连接的数模转换器、混频器和功率放大器，以
及与混频器相连接的射频本振；所述射频发射链路将数字信号转换为模拟信号，并将中频信号上变频到射频，经过功率放大后由喇叭天线辐射出去。
[0012]优选的，所述中频数字信号处理模块包括中频数字本振、数字混频器和谐波处理模块；所述中频数字信号处理模块通过正交数字下变频及正交数字上变频和谐波处理模块实现多用户信号与2Q+1个谐波之间的映射；
[0013]所述的数字混频器设置有2Q+1个，中心频率分别为f0‑
Qf
p
、f0‑
(Q
‑
1)f
p
、
…
、f0+(Q
‑
1)f
p
、f0+Qf
p
，其中f0为模拟下变频的中心频率，f
p
为超表面周期性幅相调节的频率；数字混频器在接收模式下将选中的2Q+1次谐波分别正交数字下变频到基带，在发射模式下将预编码后的2Q+1路基带信号分别上变频至对应的谐波中频；
[0014]所述的谐波处理模块在接收模式下由2Q+1路基带谐波信号进行信道估计和MIMO检测，并解调输出用户传输的信息；在发射模式下将多用户基带调制信号通过预编码映射为2Q+1路谐波基带信号。
[0015]优选的，所述接收模式包括以下步骤：
[0016]步骤S1：收发隔离开关选通接收链路，通过超表面周期性幅相调制空间中来波信号，由喇叭天线接收并通过接收链路下变频及中频采样传输至中频数字信号处理模块；
[0017]步骤S2：所述中频数字信号处理模块接收的单路中频数字信号含有周期性调制引入的无穷次谐波信号，利用2Q+1个数字混频器将中心频率分别为f0‑
Qf
p
、f0‑
(Q
‑
1)f
p
、
…
、f0+(Q
‑
1)f
p
、f0+Qf
p
的谐波信号数字正交下变频至基带；设接收信号包含k个单发射天线用户信号，则在基带，第q次谐波信号模型为：
[0018][0019]其中K为服务的用户数，满足K≤N≤2Q+1，E
k
和s
k
分别为第k个用户的发射功率和发射基带码元信号，h
n,k
为第n个超表面单元到第k个用户之间的信道响应，p
n,q
为喇叭天线到第n个超表面单元在第q次谐波频率f
c
+qf
p
处的固定近场信道响应，由校准测量获得，其中f
c
为来波射频中心频率，为第n个超表面单元接收模式的第q次谐波的傅里叶系数，由下式给出：
[0020][0021]其中为第n个超表面单元在接收模式下周期幅相调制的等效周期调制函数；
[0022]步骤S3：谐波处理模块基于谐波信号模型，联合下变频的2Q+1次基带谐波信号，进行基于基带谐波信号的信道估计，并从基带谐波信号中检测并解调输出多用户信号，设估计的信道响应为第k个用户的MIMO检测向量为
[0023]g
k
＝[g
‑
Q,k
,g
‑
Q+1,k
,...,g
Q
‑
1,k
,g
Q,k
][0024]则检测第k个用户输出的信号为
[0025][0026]优选的，所述发射模式包括以下步骤：
[0027]步骤A1：谐波处理模块利用接收模式估计的信道响应，将K个用户的基带信号通过基于谐波的预编码映射成2Q+1路信号，K≤N≤2Q+1，分别对应于2Q+1次基带谐波信号，设第k个用户预编码的波束赋形向量为：
[0028][0029]则基于谐波的预编码后第q(
‑
Q≤q≤Q)路发射信号表示为：
[0030][0031]其中s
k
为传输至第k个用户的基带信号；
[0032]步骤A2：在中频数字信号处理模块中，利用2Q+1个数字混频器将经过谐波预编码的2Q+1路信号分别数字正交上变频至f0‑
Qf
p
、f0‑
(Q
‑
1)f
p
、
…
、f0+(Q
‑
1)f
p
、f0+Qf
p
频率处，并合成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的MIMO收发机系统，其特征在于，包括：喇叭天线(1)、收发隔离开关(2)、接收链路、发射链路、中频数字信号处理模块(14)、数字控制器(13)以及超表面(7)；所述喇叭天线(1)与收发隔离开关(2)连接，所述收发隔离开关(2)与接收链路和发射链路连接，所述接收链路和发射链路与中频数字信号处理模块(14)连接，所述数字控制器(13)与中频数字信号处理模块(14)以及超表面(7)连接；所述超表面(7)包括N个周期性排列的电磁调控微单元，所述电磁调控微单元为反射式、透射式或反射/透射可调节式结构；所述数字控制器(13)根据周期性调制时序生成对应周期性数字控制信号，并控制中频数字信号处理模块(14)完成接收及发射信号处理流程；所述的电磁调控微单元在数字控制器(13)的控制信号作用下，周期性调节反射电磁波或透射电磁波的相位或幅度；所述收发隔离开关(2)分时选择接收链路和发射链路，分别对应接收模式和发射模式的两种工作模式。2.根据权利要求1所述的基于超表面MIMO收发机系统，其特征在于：所述射频接收链路包括依次连接的低噪声放大器(3)、混频器(6)和模数转换器(8)，以及与混频器(6)相连接的射频本振(5)；所述射频接收链路放大来自喇叭天线(1)的接收信号强度，并将射频信号下变频至中频后转换为数字信号。3.根据权利要求1所述的基于超表面MIMO收发机系统，其特征在于：所述射频发射链路包括依次连接的数模转换器(9)、混频器(6)和功率放大器(4)，以及与混频器(6)相连接的射频本振(5)；所述射频发射链路将数字信号转换为模拟信号，并将中频信号上变频到射频，经过功率放大后由喇叭天线(1)辐射出去。4.根据权利要求1所述的基于超表面MIMO收发机系统，其特征在于：所述中频数字信号处理模块(14)包括中频数字本振(11)、数字混频器(10)和谐波处理模块(12)；所述中频数字信号处理模块(14)通过正交数字下变频及正交数字上变频和谐波处理模块(12)实现多用户信号与2Q+1个谐波之间的映射；所述的数字混频器(10)设置有2Q+1个，中心频率分别为f0‑
Qf
p
、f0‑
(Q
‑
1)f
p
、
…
、f0+(Q
‑
1)f
p
、f0+Qf
p
，其中f0为模拟下变频的中心频率，f
p
为超表面(7)周期性幅相调节的频率；数字混频器(10)在接收模式下将选中的2Q+1次谐波分别正交数字下变频到基带，在发射模式下将预编码后的2Q+1路基带信号分别上变频至对应的谐波中频；所述的谐波处理模块(12)在接收模式下由2Q+1路基带谐波信号进行信道估计和MIMO检测，并解调输出用户传输的信息；在发射模式下将多用户基带调制信号通过预编码映射为2Q+1路谐波基带信号。5.根据权利要求1所述的基于超表面的MIMO收发机系统，其特征在于：所述接收模式包括以下步骤：步骤S1：收发隔离开关(2)选通接收链路，通过超表面(7)周期性幅相调制空间中来波信号，由喇叭天线(1)接收并通过接收链路下变频及中频采样传输至中频数字信号处理模块(14)；步骤S2：所述中频数字信号处理模块(14)接收的单路中频数字信号含有周期性调制引入的无穷次谐波信号，利用2Q+1个数字混频器(10)将中心频率分别为f0‑
Qf
p
、f0‑
(Q
‑
1)
f
p
、
…
、f0+(Q
‑
1)f
p
、f0+Qf
p
的谐波信号数字正交下变频至基带；设接收信号包含k个单发射天线用户信号，则在基带，第q次谐波信号模型为：其中K为服务的用户数，满足K≤N≤2Q+1，E
k
和s
k...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪刚，贺冲，曹岸杰，白旭东，陈靖峰，朱卫仁，金荣洪，耿军平，梁仙灵，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：