[发明专利]通信系统中信号的极化和相位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，是将信号相位、极化幅度与极化俯仰角参数进行三维联合调制的方法。具体来说，本发明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，同时获得原有的相位调制信息和极化调制信息；并具体给出极化与相位联合三维调制解调的表达式，使在无线通信中应用‘信号相位’、‘极化幅度’和‘极化俯仰角’作为调制解调中携带数据信息的特征参数；同时讨论了三维联合调制的星座图和星座点分布。本发明合理利用了电磁波的极化信息，具有传输速率高和误码率低的特点。

矢量天线是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。典型的矢量天线如图1所示。其中，                                                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；表示信号的极化辐角；表示信号的极化相位差。对于远场信号，以矢量天线为原点建立坐标系，以，，来表示TME波传播方向的单位矢量，则全极化TEM波的电场分量E可以表示为[22]：

                                  （1）。

其中为TEM波的水平极化分量，为TEM波的垂直极化分量。由和构成的TEM波极化椭圆如图2所示：在给定极化模式的情况下，矢量天线接收到的，方向电场分量可以表示为[26]：

                                （2）。

其中，为TEM波的幅度，方向电场分量为0。和会在矢量天线，，方向的三个电偶极子上产生感应电压，因此，矢量天线接收到的TEM波的其电磁场分布可表示为：

（3）。

相移键控PSK调制波形符号可表示为：

                            （4）。

其中，为无线通信中传输的复信号包络，Re(?)代表取实部运算，为载波频率，为调制相位，为调制信号幅度。在PSK调制中，发射和接收信号均为标量信号，通过对信号相位进行调制来传递信息，其星座图是二维的。本发明将传统的PSK信号进行扩展，实现三维联合调制，即引入信号的极化参数作为新的调制变量。具体来说，使用全极化TEM波作为载波，将式（1）中描述的全极化波以复信号的形式带入式（4），得到新的极化与相位三维联合调制的信号，其表达式为：

          （5）。