具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机制造技术

本发明专利技术提供了一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，包括数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天线及M

【技术实现步骤摘要】
具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机


[0001]本专利技术涉及无线通信和新型人工电磁材料的
，具体地，涉及具备带外辐 射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机。

技术介绍

[0002]多输入多输出(MIMO)技术是当代无线通信领域的一项关键技术。通过在收发 两端配备由多根天线组成的天线阵列，并辅助以波束形成及检测算法，可充分利用 多径信道特性，提高系统的吞吐率和频谱效率。然而，传统MIMO传输系统需要在发 射端的每个天线单元后配备一整条基带及射频信号链路，随着阵列规模的提高，尤 其是应用于大规模MIMO中时，发射机的成本、体积、系统复杂度、功耗以及通道间 幅相不一致也随之提高，这些对MIMO发射机的设计提出了更高的要求。
[0003]超表面是一种新型电磁材料，由周期性排列的电磁调控单元组成，通过设计单 元的结构、尺寸、空间排布等参数，可以控制透射或反射电磁波的幅度、相位、极 化、轨道角动量等参数，从而实现常规材料所不具备的电磁调控功能。在超表面的 设计中，相比幅度调控，基于数字控制信号的相位调控往往相对较容易实现，如公 开号为CN110767999A的专利中提出了一种比特数字编码天线单元，因而利用超表面 对反射波及透射波进行相位调制可传输简单的PSK调制信号。然而，这种基于电磁波 相位直接调制的信号传输波形为恒模，在频域占据较大的频谱资源，使得频谱利用 率下降，并给工作在邻近频率的通信系统带来较大的干扰，如何利用超表面在实现 调制信息传输的同时抑制带外辐射成为主要难题之一。
专利
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具备带外辐射抑制能力的超 表面直接调制MIMO发射机。
[0005]根据本专利技术提供的一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，包 括数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天线和超表面；
[0006]所述数字基带信号模块以M
×
N路用户信号为输入，将M
×
N路用户信号映射为M
×ꢀ
N路独立的控制信号波形，所述控制信号波形分别通过控制线加载在超表面M
×
N个单 元上，所述超表面根据控制信号波形调节反射波或透射波的相位；
[0007]所述数字基带信号模块同步生成一路与控制信号码元周期相同的周期性时域窗函数 波形，所述周期性时域窗函数波形经过数模转换器转化为模拟基带信号后与射频本振 模块产生的载波信号在混频器中上变频到射频，通过喇叭天线发射至超表面上，所述 超表面的各单元通过控制信号波形调节入射波的相位。
[0008]优选地，所述周期性时域窗函数波形为任意基带幅度波形，控制超表面相位调制的 恒模波形。
[0009]优选地，所述数字基带信号模块由多种数字逻辑处理器实现。
如图1所示，分为数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天 线及拥有相位调节能力的M
×
N单元超表面。数字基带信号模块以M
×
N路用户信号为输 入，将M
×
N路用户信号映射为M
×
N路独立的控制信号波形，该控制信号波形分别通过 控制线以一定码速率加载在超表面M
×
N个单元上，超表面根据此控制信号波形调节反 射波或透射波的相位；另外，数字基带信号模块同步生成一路与控制信号码元周期相 同的周期性时域窗函数波形，该波形经过数模转换器转化为模拟基带信号后与射频本 振模块产生的载波信号在混频器中上变频到射频，而后通过喇叭天线发射至超表面上， 超表面的各单元通过控制信号波形调节此入射波的相位。所数字基带信号模块可由多 种数字逻辑处理器实现。
[0027]周期性时域窗函数波形可为任意基带幅度包络波形，其用以控制超表面相位调制 的恒模波形。例如，该周期性幅度波形可基于凯塞窗(Kaiser)进行设计，由下式给 出：
[0028][0029]其中，g(t)为时刻t的周期性幅度波形，m为整数，P为码元功率，T
b
为码元周期， w(t)为与单个码元周期同步的单个包络函数，由下式给出：
[0030][0031]其中，I0为第一类零阶贝塞尔函数，N
s
为数模转换器单个码元周期T
b
下的采样次 数，n表示单个码元周期的第n个采样时隙，T
s
为数模转换器的采样时间，三者之间关 系为T
b
＝N
s
T
s
。mod()表示取模函数。β是用来调整窗函数性能的参数。通过改变参数β， 可以实现不同带外辐射抑制的水平。另外可根据其他原则分别设计对应的周期性窗函 数，例如升余弦窗、汉宁窗、布莱克曼窗等窗函数。
[0032]超表面为透射式或反射式超表面，所对应调制后的射频信号为透射波或者反射波； 超表面由M行N列周期性排列的电磁调控单元构成，每个单元接受独立的控制信号，其 控制信号可为数字或模拟信号，并通过控制信号改变透射该单元或由该单元反射的电 磁波的相位；M
×
N路完成直接调制后的反射或透射信号为PSK调制方式，并通过每个 码元的周期性时域窗函数控制带外辐射。以第m行第n列超表面单元为例，设某时刻传 输码元的相位为而与所有同时传输码元同步的周期性时序窗函数为g(t)，则 经过超表面单元调制后传输的透射波或反射波信号s
m,n
(t)为：
[0033][0034]对于具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，对应的接收机完成码 元同步后在码元最大幅度处抽样来恢复各原始码元。设接收机采用K根天线组成的阵 列进行接收，则在第k根天线处接收到的信号y
k
为：
[0035][0036]其中，h
m,n,k
为第m行第n列的超表面单元到接收机第k个天线之间的信道响应，f
c
为载波频率。
[0037]实施例2
[0038]结合图1，设有一16
×
16单元超表面，单元间距为半波长，射频本振模块产生中 心频率为1GHz的载波信号，利用超表面单元直接调制QPSK信号，码速率为10MBaud， 周期性时域窗函数基于前述的凯瑟窗进行设计。
[0039]图2给出了不同β参数(β＝1,4,9)下基于凯塞窗设计的周期性时域窗函数的时域波 形图。图中可以看出，随着参数β的提高，不同码元的幅度波形之间变得趋向平滑，意 味着边带辐射同时趋向于下降。进一步地，图3给出了在β＝4时本专利技术采用凯塞窗设计 周期性时域窗函数后反射或透射射频信号的时域波形，图中可见，由于周期性时域窗 函数的幅度调制，反射或透射波的包络由该周期性时域窗函数决定，因而传输的信号 功率谱分布将与周期性时域窗函数保持一致。
[0040]最后，请参阅图4，其给出了采用凯塞窗设计周期性时域窗函数后反射或透射射频 信号的归一化功率谱(β＝1,4,9)，另外无窗函数调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，包括数字基带信号模块、数模转换器、射频本振模块、混频器、喇叭天线和超表面；所述数字基带信号模块以M
×
N路用户信号为输入，将M
×
N路用户信号映射为M
×
N路独立的控制信号波形，所述控制信号波形分别通过控制线加载在超表面M
×
N个单元上，所述超表面根据控制信号波形调节反射波或透射波的相位；所述数字基带信号模块同步生成一路与控制信号码元周期相同的周期性时域窗函数波形，所述周期性时域窗函数波形经过数模转换器转化为模拟基带信号后与射频本振模块产生的载波信号在混频器中上变频到射频，通过喇叭天线发射至超表面上，所述超表面的各单元通过控制信号波形调节入射波的相位。2.根据权利要求1所述的具备带外辐射抑制能力的超表面直接调制MIMO发射机，其特征在于，所述周期性时域窗函数波形为任意基带幅度波形，控制超表面相位调制的恒模波形。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪刚，贺冲，张高雄，高迪，曹岸杰，白旭东，陈文，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：