CN110855589A - 实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，整体电磁特性通过由控制电路生成的控制信号实时改变。本发明原理简单，通过改变控制信号的频率与波形，就可以改变电磁波能量转换的频率、幅度与相位；利用基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元电磁特性所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；仅通过高速动态变化的控制信号即可将基带数据信号调制到特定载波频率上，实现无线通信；仅利用相位可调的基本单元就获得了精确调控特定载波频率幅度/相位的能力，可以根据不同调制方案的需求生成符合协议标准分布的星座图。

Description

实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面

技术领域

本发明涉及无线通信和新型人工电磁材料技术领域，尤其是一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面。

背景技术

新型人工电磁表面，又名超表面，可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的幅度、相位、极化、波束、轨道角动量等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波等功能，可用于天线、成像等领域。通过引入可调技术，可以设计出能够实时控制电磁波各参数的可调超表面。传统可调超表面的控制信号都是静态的，或者以非常低的频率在改变，因此是一个线性器件，可类比于传统可重构天线阵列。

基于直接调制技术的通信系统是利用可调技术对电磁波实时操控的能力，建立基带数据与电磁波参量(如幅度、相位、极化等)之间的映射关系，实现基带到载波的直接调制与发射，完成无线通信。但该技术通常只能对电磁波某一特定参量进行调控，因此无法实现包括16QAM在内的高阶调制方案。此外，由于可调元件的固有缺陷，直接调制技术实现的星座图与标准协议所规定的有一定差别，造成了解调端的额外压力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，能够实现多种调制方案下的无线通信。

为解决上述技术问题，本发明提供一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，整体电磁特性通过由控制电路生成的控制信号实时改变。

优选的，基本单元为三层结构，第一层为基本单元上表面，包括特定的金属图案、变容二极管、贴片电容与馈电网络，其中变容二极管与贴片电容分别跨接在不同的金属图案之间，馈电网络则连接在金属图案的一侧用于加载控制信号至变容二极管两端；第二层为介质基板层，用于支撑整个超表面；第三层为金属背板；在第一层与第三层之间有多排金属通孔相连。

优选的，控制电路生成的模拟电压，通过馈电网络加载至基本单元上的变容二极管两端，改变其等效电容，进而改变单元的电磁特性，具体为在指定的频点上，电磁波后向反射相位变化超过2.5π，反射幅度波动小于3.5dB。

优选的，控制电路具体组成为：一个以FPGA为核心的基带信号处理器，一个16位数模转换器和一个由运算放大器构成的放大电路；其中基带信号处理器生成基带数字信号并通过16位数模转换器转换为模拟输出电压，后经放大电路放大为所需的控制信号，整个控制电路的输出电压范围为0V～24V。

优选的，当时域编码超表面经电磁波照射时，设计不同的控制信号使电磁波相位在一定范围内连续线性变化，进而将电磁波能量高效率地、任意比例地转换至某一特定频率，从而实现对该频率电磁波的幅度调控；同时通过不同的信号时延对电磁波某一特定频率的相位进行任意操控，从而实现对该频率电磁波的相位调控；结合幅度调控与相位调控方式，即不同的相位变化范围与时延组成控制信号，便可实现对某一特定频率电磁波的幅相独立调控。

优选的，当时域编码超表面经电磁波照射时，根据调制方案的需求，计算出所需星座点对应的电磁波幅度\相位值，之后通过结合电磁波幅相独立调控理论，首先得出幅度对应的控制信号与相应的初始相位值，再计算补偿初始相位与最终相位之差所需的时延，最终组成控制信号使电磁波幅度\相位满足要求，进而生成所需的星座点；在此基础上，建立控制信号与不同星座点之间的映射关系，综合出符合标准分布的星座图。

优选的，当时域编码超表面综合出符合调制方案需求的星座图时，建立基带数据与星座点之间的映射关系，结合控制信号与星座点之间的映射关系完成从基带数据到控制信号之间的完整映射，进而使得当时域编码超表面经电磁波照射时，基带数据可以通过控制信号直接调制到某一频率载波上，完成无线通信。

本发明的有益效果为：(1)本发明原理简单，通过改变控制信号的频率与波形，就可以改变电磁波能量转换的频率、幅度与相位；(2)本发明利用基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元电磁特性所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统通信系统相比，本发明仅通过高速动态变化的控制信号即可将基带数据信号调制到特定载波频率上，实现无线通信；(4)与基于直接调制的新型通信系统相比，本发明仅利用相位可调的基本单元就获得了精确调控特定载波频率幅度/相位的能力，可以根据不同调制方案的需求生成符合协议标准分布的星座图；本发明不需要使用传统通信系统发射机架构中的上混频、滤波以及放大电路部分，大大简化了发射机架构，可以用于构建新体制通信系统，并可以缩短设计周期，降低设计难度，减少制造成本。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图。

图2(a)为本发明一个消息符号周期T内的反射系数相位波形示意图。

图2(b)为本发明一个消息符号周期T内的反射系数幅度波形示意图。

图3为本发明不同Φ下频率f＝f_c+1/T处的幅度\相位理论值。

图4(a)为本发明引入循环时延t₀后，一个消息符号周期T内的反射系数相位波形图。

图4(b)为本发明引入循环时延t₀后，一个消息符号周期T内的反射系数幅度波形图。

图5为本发明不同Φ与t₀组成的相位波形对电磁波在f＝f_c+1/T处在同相(In-phase)/正交(Quadrature)平面内的幅度\相位调控效果示意图。

图6(a)为本发明所提出的时域编码超表面基本结构俯视图。

图6(b)为本发明所提出的时域编码超表面基本结构侧视图。

图7为本发明所提出的时域编码超表面实物图。

图8为本发明在不同控制电压下f＝4.25GHz处反射幅度\相位的测量结果示意图。

图9(a)为本发明在消息符号持续时间T＝10μs(对应载波频率为4.25GHz+100kHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。

图9(b)为本发明在消息符号持续时间T＝1μs(对应载波频率为4.25GHz+1MHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。

图9(c)为本发明在消息符号持续时间T＝0.5μs(对应载波频率为4.25GHz+2MHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。

图9(d)为本发明在消息符号持续时间T＝0.4μs(对应载波频率为4.25GHz+2.5MHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。

具体实施方式

本发明所提出的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面由同一基本单元周期排列而成，其反射系数可以通过由控制电路生成的控制信号实时改变，该超表面类似传统平面可重构反射阵结构。

本发明原理在于利用控制信号使基本单元反射系数相位以一定速率的形式在不同波形之间高速切换，再通过建立控制信号与基带数据信号的映射关系，使得当单音电磁波入射超表面时，可以将基带数据信号直接调制到特定载波频率，实现无线通信，其系统原理框图如图1所示。

本发明所设计的反射系数具有线性变化的相位波形，在一个消息符号周期T内，相位由0线性变化为Φ，即Γ_m(t)＝A·e^j(Φt/T)，0≤t≤T，如图2(a)和图2(b)所示。当入射电磁波为单音频率f_c时，经超表面反射后的电磁波会在f＝f_c+1/T处产生一个新的频率分量，其幅度与相位均受Φ控制。不同Φ下该频率处的幅度\相位理论值如图3所示，其中该频率处幅度将在Φ＝2π时达到最大值。而为了解除f＝f_c+1/T处幅度与相位之间的耦合关系，可在反射系数相位波形中引入循环时延t₀，即Γ’_m(t)＝Γ_m(t-t₀)，t₀≤t≤T或Γ_m(t+T-t₀)，0≤t≤t₀，如图4(a)和图4(b)所示。引入循环时延t₀后，可以在不改变该频率处幅度的情况下引入特定相位2πt₀/T。因此，利用不同的Φ与t₀组成特定的相位波形，就可以实现对f＝f_c+1/T处幅度与相位的任意调控，其在同相(In-phase)/正交(Quadrature)平面内的调控效果如图5所示。不难推断，其可在同相/正交平面归一化幅度为1的圈内的综合出任意星座点。

为了实现多种调制方案下的无线通信，本发明提出了一种星座图综合方法，即如何利用Φ与t₀精确综合出所需的星座点。该方法可分为三个步骤：

(1)幅度合成：找出目标星座点幅度对应的Φ值。例如，设所需合成星座点为1/3e^{j (-0.75π)}，对应Φ为0.549π。

(2)耦合相位计算：计算步骤(1)得到所需幅度时出现的耦合相位，以便后续补偿。例如，对于Φ＝0.549π，耦合相位为-0.726π，对应的初始星座点为1/3e^j(-0.726π)。

(3)相位合成：首先计算初始星座点与目标星座点之间的相位差，再计算出相应t₀的值以完成星座点综合。例如，初始点1/3e^j(-0.726π)与目标点1/3e^j(-0.75π)之间相位差为-0.024π，因此可得t₀＝0.012T。

为了方便表达，可定义一参量用于表达Φ与t₀组成的反射系数波形。根据上文推导，其也可以表示为在f＝f_c+1/T的某一星座点。再结合通信原理中各种调制方案所需的星座图坐标，即可以计算得出在f＝f_c+1/T处实现各种调制方案对应星座图所需的反射系数波形。举例来说，对于16QAM调制方案所需的星座图为，

|M|＝16,m＝0,1,...14,15

同样的，8PSK调制方案对应的星座图为，

|M|＝8,m＝0,1,...6,7

QPSK调制方案对应的星座图为，

|M|＝4,m＝0,1,2,3

为了实现本发明所提出的多种调制方案无线通信方法，需要时域编码超表面基本单元具有低损耗与全相位覆盖的反射系数特性，其结构俯视图与侧视图分别如图6(a)、(b)所示。基本单元为三层结构，第一层为基本单元上表面，包括特定的金属图案、变容二极管、贴片电容与馈电网络，其中变容二极管与贴片电容分别跨接在不同的金属图案之间，馈电网络则连接在金属图案的一侧用于加载控制信号至变容二极管两端；第二层为介质基板层，用于支撑整个超表面；第三层为金属背板；在第一层与第三层之间有多排金属通孔相连。图7所示为本发明所提出的多种调制方案无线通信时域编码超表面的实物图，共包含8×16个基本单元，并可由同一控制信号操控。图8为本发明在不同控制电压下f＝4.25GHz处反射幅度\相位的测量结果，从中可以看出，控制电压从0V到21V的过程中，超表面基本单元的反射幅度有低于3.5dB的波动，相位有超过2.5π的变化范围。

由图8的结果可以反推出使基本单元反射系数相位线性变化所需的控制信号波形，并带入之前综合所需星座图的理论计算结果中去。实验中，选取4种消息符号持续时间T，分别为10μs、1μs、0.5μs以及0.4μs，对应载波频率依次为4.25GHz+100kHz、4.25GHz+1MHz、4.25GHz+2MHz和4.25GHz+2.5MHz。在这些频率处分别使用16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案进行信息调制，经过接收机接收解调后，对应星座图结果分别如图9(a-d)所示。从结果中可以看出，本发明利用仅具有相位可调的基本单元成功实现了多种调制方案的无线通信，并具有符合协议标准分布的星座图。

实验结果表明，本发明所提出的多种调制方案无线通信时域编码超表面，可以有效地、稳定地实时传输大量数据。本发明具有原理简单、成本低廉，易于实现等优点，并且，本发明极大拓展了基于时域编码超表面的无线通信系统的信息调制能力，这使得其在通信领域具有更大的应用价值。

Claims (7)

1.实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，整体电磁特性通过由控制电路生成的控制信号实时改变。

2.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，基本单元为三层结构，第一层为基本单元上表面，包括特定的金属图案、变容二极管、贴片电容与馈电网络，其中变容二极管与贴片电容分别跨接在不同的金属图案之间，馈电网络则连接在金属图案的一侧用于加载控制信号至变容二极管两端；第二层为介质基板层，用于支撑整个超表面；第三层为金属背板；在第一层与第三层之间有多排金属通孔相连。

3.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，控制电路生成的模拟电压，通过馈电网络加载至基本单元上的变容二极管两端，改变其等效电容，进而改变单元的电磁特性，具体为在指定的频点上，电磁波后向反射相位变化超过2.5π，反射幅度波动小于3.5dB。

4.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，控制电路具体组成为：一个以FPGA为核心的基带信号处理器，一个16位数模转换器和一个由运算放大器构成的放大电路；其中基带信号处理器生成基带数字信号并通过16位数模转换器转换为模拟输出电压，后经放大电路放大为所需的控制信号，整个控制电路的输出电压范围为0V～24V。

5.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，当时域编码超表面经电磁波照射时，设计不同的控制信号使电磁波相位在一定范围内连续线性变化，进而将电磁波能量高效率地、任意比例地转换至某一特定频率，从而实现对该频率电磁波的幅度调控；同时通过不同的信号时延对电磁波某一特定频率的相位进行任意操控，从而实现对该频率电磁波的相位调控；结合幅度调控与相位调控方式，即不同的相位变化范围与时延组成控制信号，便可实现对某一特定频率电磁波的幅相独立调控。

6.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，当时域编码超表面经电磁波照射时，根据调制方案的需求，计算出所需星座点对应的电磁波幅度\相位值，之后通过结合电磁波幅相独立调控理论，首先得出幅度对应的控制信号与相应的初始相位值，再计算补偿初始相位与最终相位之差所需的时延，最终组成控制信号使电磁波幅度\相位满足要求，进而生成所需的星座点；在此基础上，建立控制信号与不同星座点之间的映射关系，综合出符合标准分布的星座图。

7.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，当时域编码超表面综合出符合调制方案需求的星座图时，建立基带数据与星座点之间的映射关系，结合控制信号与星座点之间的映射关系完成从基带数据到控制信号之间的完整映射，进而使得当时域编码超表面经电磁波照射时，基带数据可以通过控制信号直接调制到某一频率载波上，完成无线通信。

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