基于矢量天線的新型三維調(diào)制解調(diào)方法

宋漢斌 陳曉光 張建秋

（復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海200433）

引 言

調(diào)制解調(diào)技術(shù)是通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它關(guān)系到信息傳輸?shù)乃俾屎驼`碼性能。這也意味著，在通信系統(tǒng)中引入速率更快、性能更好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)就成為提高或改善系統(tǒng)性能的途徑之一，其中擴(kuò)展調(diào)制解調(diào)信號(hào)的維度是提高調(diào)制解調(diào)性能的直接方法。近年來，人們對(duì)如何將二維調(diào)制解調(diào)擴(kuò)展到三維調(diào)制解調(diào)開展了一系列研究。例如：在光通信系統(tǒng)中，人們利用光的偏振（極化）信息對(duì)光信號(hào)的三維調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了研究［1－5］。那么，在無線通信領(lǐng)域中，能否也可以在傳統(tǒng)標(biāo)量調(diào)制的基礎(chǔ)上，引入新的變量來實(shí)現(xiàn)多維的聯(lián)合調(diào)制解調(diào)呢？

極化參數(shù)是描述空間電磁場(chǎng)的重要參數(shù)之一，人們通過引入雙極化天線，以極化分集代替空間分集進(jìn)行接收，使接收信號(hào)的增益提高了3dB，這表明，合理利用電磁波的極化信息，可提高無線通信系統(tǒng)的性能［6］。在二三十年代，人們就展開了在調(diào)幅（AM）廣播中使用電磁波的極化信息進(jìn)行調(diào)制的研究，并指出極化調(diào)制可以獲得較高的載噪比。但是，傳統(tǒng)的極化調(diào)制中通常使用與地面平行或者垂直的天線進(jìn)行發(fā)射與接受，調(diào)幅廣播通常采用垂直極化的發(fā)射方式，而電視信號(hào)通常采用水平極化的發(fā)射方式，這種極化調(diào)制只利用了相互正交的載波將信號(hào)進(jìn)行疊加，使原有的雙邊帶信號(hào)變?yōu)閱芜厧盘?hào)，而信息傳遞始終是通過改變電磁波信號(hào)的幅度與相位來完成的，在信息傳輸?shù)倪^程中，并沒有利用電磁波本身的極化參數(shù)來傳遞信息。在無線通信系統(tǒng)中，我們是否能夠利用電磁波的全部極化信息，進(jìn)行三維聯(lián)合的調(diào)制解調(diào)呢？據(jù)作者所知，目前在無線通信系統(tǒng)中所開展的三維聯(lián)合調(diào)制的研究還比較少。文獻(xiàn)［7］指出，矢量電磁波的幅度、極化與相位等變量都可以作為未來聯(lián)合調(diào)制的參數(shù)。因此，希望在傳統(tǒng)的標(biāo)量幅度和相位調(diào)制的基礎(chǔ)上，引入新的變量來攜帶信息，在無線通信中實(shí)現(xiàn)三維聯(lián)合調(diào)制解調(diào)。矢量電磁波的極化參數(shù)就是這種新的變量之一。

近年來，隨著矢量天線的發(fā)展，為利用電磁波的極化信息提供了新的思路［8－9］。美國發(fā)明專利［8］發(fā)明了由6根有向天線構(gòu)成的電磁矢量天線。這6根有向天線分別是在三維空間中相互正交的3個(gè)方向上的電性天線，以及相互垂直的3個(gè)方向上的磁性天線。文獻(xiàn)［9］報(bào)道了電磁矢量天線的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)方法。這種電磁矢量天線可以完整地記錄三維空間中電磁波所攜帶的三維電場(chǎng)和三維磁場(chǎng)信息，同時(shí)，它還具備了傳統(tǒng)標(biāo)量天線所不具有的性質(zhì)。例如，接收端可以在不知道具體陣列結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)空間電磁源的波達(dá)方向（DOA）和極化參數(shù)進(jìn)行估計(jì)［10－11］；矢量天線的應(yīng)用可以提高到達(dá)角的估計(jì)精度［12］。這些研究均表明：將電磁波的幾何特性和天線幾何結(jié)構(gòu)相結(jié)合的電磁矢量天線的出現(xiàn)，使人們發(fā)現(xiàn)了許多以前未知的現(xiàn)象和規(guī)律［13－14］。

借助于矢量天線對(duì)電磁波極化信息敏感的特點(diǎn)，提出了一種無線通信中用矢量天線將信號(hào)相位、極化幅度與極化俯仰角進(jìn)行三維聯(lián)合調(diào)制的新方法，該方法利用矢量傳感器發(fā)射攜帶有極化信息的載波，在接收端同樣利用矢量天線進(jìn)行接收并解調(diào)，可以同時(shí)獲得原有的相位調(diào)制信息和極化調(diào)制信息，具有傳輸速率高、誤碼率低的特點(diǎn)。本文闡述了如何實(shí)現(xiàn)聯(lián)合極化與相位調(diào)制，描述了調(diào)制信號(hào)的接收與解調(diào)方法，給出了聯(lián)合極化與相位調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)框圖和三維空間星座圖，并對(duì)其誤碼率進(jìn)行了仿真，給出了相關(guān)結(jié)論。

1 聯(lián)合極化與相位信號(hào)的調(diào)制

矢量天線由三個(gè)電偶極子和三個(gè)磁偶極子構(gòu)成，它們?cè)诳臻g上相互正交、同點(diǎn)分布，且具有不同的極化特性，能夠發(fā)射和接收x、y和z三個(gè)方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，典型的矢量天線如圖1所示。

圖1 矢量天線極化－角度導(dǎo)向矢量方向圖

文獻(xiàn)［7］指出，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，原點(diǎn)O處矢量天線x、y和z三個(gè)方向所接收到的電場(chǎng)信號(hào)可以表示為

式中：ex、ey和ez分別表示矢量天線在x、y和z三個(gè)方向的電偶極子上感應(yīng)到的電場(chǎng)分量；V（θ，φ）與電磁波相對(duì)于矢量天線的波達(dá)方向有關(guān)，其可以表示為

其中：θ∈［0，π）表示信號(hào)的俯仰角，即z軸與入射信號(hào)方向之間的夾角；φ∈［0，2π）表示信號(hào)的方向角，即從x軸沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到信號(hào)入射方向在x－y平面投影的夾角。Q（γ，η）矢量電磁波的電場(chǎng)極化方向有關(guān)，其可以表示為

式中：γ表示矢量電磁波的輔助極化角；η表示矢量電磁波的極化相位差異角。s（t）是天線發(fā)射電磁波信號(hào)的復(fù)表示，即

文獻(xiàn)［7］在得到了式（1）所示的矢量電磁場(chǎng)表達(dá)式后，認(rèn)為電磁場(chǎng)的幅度、極化和相位等參數(shù)均可以用來傳遞信息，并指出，聯(lián)合這些參數(shù)的矢量調(diào)制方式是未來調(diào)制解調(diào)的研究方向之一。然而，文獻(xiàn)［7］中未討論如何利用這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)制的方法。同時(shí)，文獻(xiàn)［7］中也沒有給出與多維調(diào)制相適應(yīng)的具體的解調(diào)方法。式（1）給出了描述矢量電磁場(chǎng)各個(gè)參數(shù)之間關(guān)系的方程，從這一方程出發(fā)，結(jié)合矢量天線對(duì)極化信息敏感的特點(diǎn)，找到一種多參數(shù)的聯(lián)合矢量調(diào)制方法，給出其調(diào)制信號(hào)的矢量表達(dá)式和三維星座點(diǎn)的排布方式，并將給出矢量天線所接收到三維調(diào)制信號(hào)的解調(diào)方法。

仍然使用圖1中的x，y和z來表示三維空間直角坐標(biāo)系中的單位方向矢量，以φ，θ和－r來表示TME波傳播方向的單位矢量，則全極化TEM波的電場(chǎng)分量可以表示為［15］

式中：Eφ表示TEM波的水平極化分量；Eθ表示TEM波的垂直極化分量。在給定極化模式的情況下，TEM波φ和θ方向電場(chǎng)分量的幅度‖Eφ（t）‖和‖Eθ（t）‖可以表示為［15］

其中‖E（t）‖表示橫向電磁波（TEM）波的幅度。需要說明的是，電磁波在傳播方向－r方向上電場(chǎng)分量為0.結(jié)合式（4）、（5）和（6），當(dāng)信號(hào)的復(fù)幅度恒定時(shí)，可以將TEM波θ和φ方向的電場(chǎng)信號(hào)E表示為

考慮具有如下形式的相移鍵控（PSK）調(diào)制波形符號(hào)sm（t）

式中：s（t）表示無線通信中傳輸?shù)膹?fù)信號(hào)；Re（·）表示取實(shí)部運(yùn)算；fc表示載波頻率；φ表示調(diào)制信號(hào)的相位；‖E‖表示調(diào)制信號(hào)的幅度。PSK調(diào)制通過控制調(diào)制信號(hào)的相位來傳遞信息，其星座圖是二維星座圖。我們希望在傳統(tǒng)的PSK調(diào)制中引入新的調(diào)制參數(shù)，從而將傳統(tǒng)的PSK信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)三維聯(lián)合調(diào)制。文獻(xiàn)［6］中指出，合理地運(yùn)用電磁波的極化信息可以有效提高通信系統(tǒng)的性能，因此，引入電磁波信號(hào)的極化參數(shù)作為新的調(diào)制變量，來實(shí)現(xiàn)電磁波極化與相位的三維調(diào)制，即使用全極化TEM波作為載波信號(hào)來進(jìn)行調(diào)制。將式（5）中描述的全極化波以復(fù)信號(hào)的形式帶入式（8），可以得到新的極化與相位三維聯(lián)合調(diào)制的信號(hào)，其表達(dá)式為

式中：sφ（t）和sθ（t）分別表示水平極化方向和垂直極化方向的復(fù)信號(hào)；fc表示載波頻率，‖E‖′＝‖E‖／cosγ表示三維調(diào)制信號(hào)的歸一化能量；A＝tanγ為水平極化方向與垂直極化方向電場(chǎng)分量幅度的比值；φ為PSK調(diào)制相位；η為信號(hào)的極化相位差。也就是說，A和η表達(dá)了調(diào)制信號(hào)的極化信息，φ表達(dá)了調(diào)制信號(hào)的相位信息。這樣，可以通過控制A，φ和η這三個(gè)獨(dú)立參數(shù)來傳遞信息，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合極化和相位的三維調(diào)制，并稱其為poPSK調(diào)制（極化PSK調(diào)制）。此時(shí)，式（7）中所示的矢量天線x、y和z方向電偶極子上的復(fù)信號(hào)可表示為

2 三維調(diào)制信號(hào)的解調(diào)

在單信號(hào)源發(fā)射、單矢量天線接收的情況下，接收端采用圖1所示的矢量天線接收全極化TEM波信號(hào)，矢量天線的x、y和z三個(gè)方向的電偶極子上能夠分別接收到發(fā)射端所發(fā)出TEM波在x、y和z三個(gè)方向的電場(chǎng)分量。當(dāng)波達(dá)方向角為（θ，φ）時(shí)，矢量天線接收到的電場(chǎng)信號(hào)可表示為

在微波中繼傳輸過程中，可以通過調(diào)整接收天線的角度，使其x、y和z軸與發(fā)射天線的x、y和z軸對(duì)準(zhǔn)。此時(shí)，天線z軸的方向即為電磁波的傳播方向，于是有θ＝0，φ＝0.此時(shí)式（11）可化簡為

式中：‖E‖表示電磁波的幅度；‖E‖x和‖E‖y表示矢量天線x和y方向電偶極子接收到電場(chǎng)信號(hào)的幅度；φx和φy表示矢量天線x和y方向電偶極子接收到電場(chǎng)信號(hào)的相位。在解調(diào)過程中，采用包絡(luò)檢波或者最大似然的檢波方法［16］，分別檢測(cè)出x方向和y方向電場(chǎng)信號(hào)的幅度‖E‖x和‖E‖y.根據(jù)poPSK調(diào)制中各參數(shù)的物理意義，可知‖E‖x和‖E‖y的比值為tanγ，即三維極化和相位調(diào)制中的調(diào)制參數(shù)A，滿足

在x和y方向分別利用相干解調(diào)方法，將歸一化之后的信號(hào)分別乘以cos 2πfct和sin 2πfct，再經(jīng)過低通濾波即可得到φx和φy的值，采用差分編碼可以消除可能存在的相位模糊。其中，y方向電偶極子接收到信號(hào)的相位φy即為聯(lián)合極化和相位的三維調(diào)制中的調(diào)制參數(shù)φ；x和y方向信號(hào)的相位差φx－φy即為聯(lián)合極化和相位的三維調(diào)制中的調(diào)制參數(shù)η.

這樣，就恢復(fù)出了三維極化和相位調(diào)制的三個(gè)參數(shù)A、φ、η，在得到這三個(gè)參數(shù)之后，通過三維星座圖的映射就能解調(diào)出原始數(shù)據(jù)信息。

3 三維聯(lián)合調(diào)制系統(tǒng)框圖與信號(hào)星座圖

無線通信較光纖通信會(huì)存在空間電磁波的干擾，應(yīng)該如何克服這些干擾對(duì)極化與相位三維聯(lián)合調(diào)制帶來的影響呢？在環(huán)境比較空曠，高度比較高的高空，空間電磁場(chǎng)比較穩(wěn)定，此時(shí)電磁波受到干擾和多徑衰落的影響都比較小，且電磁波干擾變化的速度比較緩慢。而微波中繼通信和衛(wèi)星通信的信道環(huán)境恰恰滿足這兩個(gè)特點(diǎn)。于是，在信號(hào)傳輸過程中，每隔一段時(shí)間間隔就插入一段固定的導(dǎo)頻信號(hào)，由于高空電磁場(chǎng)變化緩慢，因此，可以認(rèn)為每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的電磁場(chǎng)是穩(wěn)定的。導(dǎo)頻信號(hào)可以為極化相位的聯(lián)合調(diào)制解調(diào)提供一個(gè)初始值，用來修正空間電磁場(chǎng)干擾對(duì)調(diào)制信號(hào)帶來的影響。三維極化和相位調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 三維聯(lián)合調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖

三維調(diào)制是通過三個(gè)獨(dú)立參數(shù)來傳遞信息的，顯然，二維坐標(biāo)不能表示三個(gè)獨(dú)立參數(shù)，因此，在球坐標(biāo)系中以A為半徑，以φ和η為兩個(gè)角度來確定星座點(diǎn)的坐標(biāo)（A，φ，η），以便在三維球坐標(biāo)系中畫出poPSK調(diào)制的三維星座圖。

在聯(lián)合極化和相位的三維調(diào)制中，令θ方向的信號(hào)總小于φ方向的信號(hào)，則有0＜tanγ＜1.這樣，便可將所有星座點(diǎn)歸一化到半徑為1的球面之內(nèi)。A相同的信號(hào)，在星座圖中分布在同一個(gè)球面上；φ∈［0，2π）代表信號(hào)的相位調(diào)制分量，即星座點(diǎn)投影在x－y平面后與x軸的夾角，與PSK信號(hào)中星座點(diǎn)的意義相同；η∈［0，π）代表信號(hào)的極化方位角，即信號(hào)與z軸的夾角。以4－poPSK調(diào)制、6－poPSK調(diào)制和26－poPSK調(diào)制為例，其星座圖如圖3所示。

通過引入極化參數(shù)作為新的調(diào)制變量，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合極化和相位的三維調(diào)制。其星座圖也從傳統(tǒng)的二維調(diào)制解調(diào)星座圖，擴(kuò)展到了三維立體調(diào)制解調(diào)星座圖。星座圖中相鄰星座點(diǎn)之間的最小歐氏距離代表著信號(hào)誤碼率的大小，在星座點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，由于分布在三維空間的poPSK信號(hào)較二維空間的PSK信號(hào)能夠獲得更大的歐式距離，因此，它具有更小的誤碼率，或者說，當(dāng)分布在三維空間中的poPSK信號(hào)星座點(diǎn)與二維空間中的PSK信號(hào)星座點(diǎn)的最小歐式距離相近時(shí)，由于三維空間中可容納更多的星座點(diǎn)，因而poPSK能同時(shí)傳遞更多的信息，從而獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在第4部分的仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。

圖3 三維poPSK調(diào)制信號(hào)星座圖

4 三維調(diào)制信號(hào)誤碼率的計(jì)算與仿真

對(duì)于三維調(diào)制信號(hào)，星座點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為（x0，y0，z0）。將信道噪聲表示為（nx，ny，nz），它們都是均值為零，方差為σ2的加性高斯白噪聲。經(jīng)過信道傳輸后的接收信號(hào)可以表示為（x0＋nx，y0＋ny，z0＋nz）。可以看出，接收信號(hào)的均值為（x0，y0，z0），其聯(lián)合概率密度分布可以表示為［3］

式中N0＝2σ2表示加性高斯白噪聲的功率。

根據(jù)星座點(diǎn)的聯(lián)合概率密度分布，接收端能夠正確判決的概率可以表示為

對(duì)x，y和z三個(gè)變量做三重積分，信號(hào)誤碼率的表達(dá)式為

式（19）一般不能簡化為簡單的計(jì)算形式，除了6poPSK調(diào)制的情況，需要采用數(shù)值分析。對(duì)于6poPSK調(diào)制，由于其6個(gè)星座點(diǎn)的坐標(biāo)具有對(duì)稱性，因此，其信號(hào)誤碼率可表示為

二維QPSK信號(hào)的4個(gè)星座點(diǎn)也具有對(duì)稱性，其BER可以表示為

式中：

文獻(xiàn)［3］中對(duì)圖3中與4poPSK信號(hào)具有相同星座圖的光通信調(diào)制信號(hào)誤碼率（BER）進(jìn)行了仿真，我們將4poPSK、QPSK、6poPSK和6路雙極化調(diào)制信號(hào)的BER進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 幾種調(diào)制信號(hào)誤碼率的對(duì)比

從圖4中可以看出，在星座點(diǎn)數(shù)量為4的情況下，4poPSK比四相相移鍵控信號(hào)（QPSK）具有更低的誤碼率；在星座點(diǎn)數(shù)量為6的情況下，6poPSK比6路雙極化調(diào)制信號(hào)具有更低的誤碼率。其原因是由于星座點(diǎn)數(shù)量相同時(shí)，分布在三維空間中的poPSK信號(hào)較二維空間中的PSK信號(hào)能具有更大的歐式距離，從而具有更低的誤碼率。圖4中的仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析結(jié)果，表明了本文所提出的極化與相位聯(lián)合三維調(diào)制方法具有傳輸速率高和誤碼率低的特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本文提出了一種用矢量傳感器將通信信號(hào)相位、極化幅度與極化俯仰角進(jìn)行三維聯(lián)合調(diào)制的方法，給出了極化與相位聯(lián)合三維調(diào)制方法的調(diào)制與解調(diào)實(shí)現(xiàn)方式，畫出了三維聯(lián)合調(diào)制星座圖和星座點(diǎn)分布，并對(duì)該調(diào)制方法的誤碼率做了仿真驗(yàn)證和對(duì)比。計(jì)算與仿真說明該方法具有傳輸速率高、誤碼率低的特點(diǎn)，在微波中繼通信中有廣闊的利用價(jià)值。

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