[发明专利]机械天线时频组合调制系统、方法、设备、介质及终端

说明书

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种机械天线时频组合调制系统、方法、设备、介质及终端，包括发射机和接收机；所述发射机包括数字基带比特流的预处理模块、时频组合调制模块、驱动模块及旋转永磁体式机械天线；所述接收机包括磁棒、信号采集模块、滤波模块、过采样判决模块、时频组合解调模块及训练序列检测模块。本发明采用的调制方法是机械天线时频组合调制，同时利用电磁波的频率和频率出现顺序承载数字基带信息，实现的通信传输速率是2FSK调制方法的两倍以上；采用磁棒接收超低频信号，通过滤波、过采样判决、训练序列检测等信号处理模块实现了超低频信号的同步、解调，实现原始比特流的恢复。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种机械天线时频组合调制系统、方法、设备、介质及终端。

背景技术

频率较高的电磁波在水下、地下等良导体介质的传播损耗很大，而由于甚低频(Very Low Frequency，VLF)频段以下的低频电磁波在海水中具有优秀的穿透和绕射能力，它们在海水中具有较远的传播距离。在对潜通信、透地通信、水下/地下探测、导航等领域，低频电磁波通信具有巨大的应用潜力。

传统低频发射天线为电小天线，依靠导体中的振荡电流激励电磁波。根据Chu、Harrington等人的研究，传统天线的辐射品质因数Q_rad满足Q_rad＞1/(ka)³+1/(ka)，其中，k＝2π/λ为真空中的波数，λ为电磁波波长，a为包围天线的最小辐射球半径，该式表明Chu-Harrington极限与天线电尺寸呈负相关。在微波、毫米波和太赫兹频段，小口径的天线就能具备较高的辐射效率，但对于低频电磁波，当ka＜＜1时，Q_rad近似与(ka)³呈反比，天线尺寸的缩小会导致Q_rad的急剧增大，在辐射功率一定的条件下，其近场储能越多，则辐射电阻就相对较小，辐射效率就越低。另外，在高Q_rad值下，由于带宽窄，需要加入阻抗匹配网络，这又显著增加了损耗电阻。所以，传统低频通信系统具有天线体积庞大、辐射效率低、能耗大等缺点，低频通信的应用亟须创新性、变革性低频电磁波发射机理、理论与技术的出现。

旋转永磁体式机械天线：

2016年12月，美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced ResearchProjects Agency，DARPA)首次提出了“机械天线”的概念和项目构想。其辐射原理是通过控制驻极体或永磁体的机械运动，在其周围空间直接激励产生交变电磁波。相比于传统电小天线，机械天线主要有两大优点，首先，该天线是基于将机械能转换为电磁能的思想，它的Q_rad值下限不受Chu-Harrington极限影响，在辐射低频电磁波时，机械天线不需要消耗很大能量就能产生静态强电场或强磁场，而传统电小天线耗能巨大；其次，机械天线不存在高电抗问题，可省去阻抗匹配网络及其带来的损耗，也不存在天线和匹配网络之间的近场储能的谐振转换，没有能量转换带来的损耗。结合低阻尼与低损耗的机械运动激励与控制技术，机械天线有望颠覆传统低频通信系统，在低频段实现较高的辐射效率，并实现通信系统的小型化、机动化。

在机械天线的信息加载方面，目前常见的调制方法为二进制振幅键控(2Amplitude Shift Keying，2ASK)、二进制频移键控(2 Frequency Shift Keying，2FSK)和最小频移键控(Minimum Shift Keying，MSK)，由于低频电磁波周期很长，采用这些传统调制方法会导致信息传输速率过慢。另外，在实际工程应用中，接收机还存在着同步、解调等亟需解决的问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)传统低频通信系统具有天线体积庞大、辐射效率低、能耗大等缺点。

(2)由于低频电磁波周期很长，传统调制方法会导致信息传输速率过慢。

(3)在实际工程应用中，接收机还存在着同步、解调等亟需解决的问题。