涡旋微波量子超窄带通信相位同步装置

1.本发明涉及通信领域，具体涉及到一种涡旋微波量子超窄带通信相位同步装置。


背景技术：

2.随着移动互联网技术的飞速发展，人们对于无线通信的需求大幅增加。进行无线通信需要使用一定的频谱资源。然而频谱资源是有限的，因此频谱资源逐渐变得紧缺。飞速增加的通信需求与逐渐紧缺的频谱资源的矛盾成为了亟待解决的问题。
3.轨道角动量(oam)是电磁波固有的一种物理性质，近些年来被广泛研究。电磁波中携带oam模态的涡旋微波量子被认为是不同于电场强度的新资源，利用电磁波中涡旋微波量子携带的不同oam模态取代传统的电场强度作为传输信息的物理量，可以突破传统通信的频谱带宽限制，即占据极少的频谱带宽便可以进行无线通信，从而有效缓解频谱资源紧缺的矛盾。
4.涡旋微波量子超窄带通信系统的核心在于形成携带不同oam模态涡旋微波量子的电磁波，并将其合成为一个时域上电场强度相位连续的简单正弦波形电磁波进行辐射。该电磁波在不同时间携带不同oam模态，从而可以利用不同的oam模态代表不同符号进行信息传输。而在形成该电磁波的过程中，由于携带不同oam模态的电磁波不是由同一个源产生，往往有着不同的初相位，或者随着时间的改变会发生相位漂移，导致存在相位差，从而无法形成一个时域上电场强度相位连续的电磁波。例如图1所示，横坐标t是时间，纵坐标e是电场强度波形幅值，携带oam模态1的电磁波电场强度信号与携带oam模态0的电磁波电场强度信号之间具有相位差，并不能形成时域上相位连续的电磁波电场强度信号。而如果相位不连续，将可能大大增加其占据的频谱带宽，直接影响到涡旋微波量子超窄带通信系统的性能，如图2所示。
5.需要采取额外的措施使得上述中具备不同oam模态的不同电磁波电场强度信号具备同样的相位，从而使得最后合并形成的电磁波电场强度信号相位连续，也即本发明中所提出的相位同步。由于涡旋微波量子超窄带通信系统构成了全新的应用场景，传统意义上的相位同步无法直接应用于该系统，因此需要针对涡旋微波量子超窄带通信系统提出相应的相位同步方法。


技术实现要素：

6.针对涡旋微波量子的超窄带通信系统的需要，本发明提出一种涡旋微波量子超窄带通信相位同步装置，可以实现携带不同oam模态的电磁波电场强度信号在时域上相位连续，以使该信号仅占据极窄频谱带宽，达到节省频谱资源的目的。
7.本发明提出以下方法解决该问题：
8.一种涡旋微波量子超窄带通信相位同步装置，用于对n路携带不同oam模态涡旋微波量子的电磁波电场强度信号进行同步处理，n为大于等于2的整数，n路输入的电磁波电场强度信号中包括1个基准oam电磁波电场强度信号和n-1个待同步oam电磁波电场强度信号，
n路电磁波电场强度信号的幅度和频率一致，相位和所携带的oam模态不相同，
9.涡旋微波量子超窄带通信相位同步装置包括n-1个相位同步单元，基准oam电磁波电场强度信号与每一个待同步oam电磁波电场强度信号分别组合输入到不同的相位同步单元中，任一个相位同步单元包括依次连接的相位差信号模块、移相控制信号模块、移相模块、信号选通模块，
10.其中，相位差信号模块包括依次连接的混频元件和滤波器，所述混频元件用于将待同步oam电磁波电场强度信号与基准oam电磁波电场强度信号相乘形成混频信号，所述滤波器滤除混频信号中的高频交流分量，获得相位差信号；
11.其中，移相控制信号模块包括信号采样模块和计算模块，信号采样模块用于对相位差信号采样离散化，形成离散数字信号，计算模块根据该离散数字信号计算相位差值并输出对应的多比特数字信号给移相模块；
12.其中，移相模块根据所述多比特数字信号将待同步oam电磁波电场强度信号的相位进行移相，使得与基准oam电磁波电场强度信号的相位同步；
13.其中，信号选通模块通过选通键控将移相后的待同步oam电磁波电场强度信号与基准电磁波电场强度信号选通组合成为时域上电场强度相位连续的信号。
14.可选地，还包括辐射模块，用于将所述时域上电场强度相位连续的信号辐射成在空间中传播的电磁波信号，且该电磁波信号在不同时刻携带有不同的oam模态。
15.可选地，基准oam电磁波电场强度信号0与任一待同步oam电磁波电场强度信号n通过混频元件相乘后的信号为：
[0016][0017]
其中，
[0018][0019][0020]
s0(t)表示基准oam电磁波电场强度信号，sn(t)表示待同步oam电磁波电场强度信号n，a表示电磁波电场强度信号的幅度，ωc表示电磁波电场强度信号的角频率，t表示时间，表示基准电磁波电场强度信号0的初相位，表示待同步电磁波电场强度信号n的初相位。
[0021]
可选地，第n路经过滤波器滤除交流分量后的信号为
[0022][0023]
其中b是滤波器的幅度增益。
[0024]
可选地，所述信号采样模块得到的离散数字信号表示为
[0025]
βn(k)＝βn(kt
sa
)
[0026]
其中βn(k)表示第n路滤波后信号的第k个采样值，t
sa
表示模数转换器的采样周期。
[0027]
可选地，计算模块根据该离散数字信号计算相位差值的公式为：
[0028][0029]
其中k为计算用到的采样点数。
[0030]
可选地，所述移相控制信号模块生成的多比特数字信号以ttl电平输出。
[0031]
可选地，所述移相模块中包括数控移相器，在控制信号的控制下对电磁波电场强度信号进行移相，移相后的信号表示为
[0032][0033]
表示移相后携带oam模态n的电磁波电场强度信号n，其中表示不需要移相的基准oam电磁波电场强度信号。
[0034]
可选地，所述信号选通模块包括n个乘法器，所述信号选通模块的乘法器n(0≤n≤n-1)的输入为和脉冲选通信号n，通过乘法器n后的信号为
[0035][0036]
其中是脉冲选通信号n，a
nk
表示要传输的第k个符号，a
nk
取值为0或1，且g(t)为矩形脉冲函数，具体为：
[0037][0038]
ts表示传输系统的符号周期；
[0039]
还包括一个合路器，用于将总共n路通过乘法器后的信号进行合并，形成电场强度相位连续的电磁波信号。
[0040]
可选地，所述电场强度相位连续的电磁波信号，电场强度时域表达式为：
[0041][0042]
与现有方法相比，本发明的有益之处在于：
[0043]
涡旋微波量子超窄带通信系统是解决通信需求与频谱资源紧缺矛盾的有效措施，本发明针对涡旋微波量子超窄带通信系统这一新场景设计，是实现超窄带通信传输的关键技术。
[0044]
支持n个包含不同模态涡旋微波量子的电磁波电场强度信号作为输入，n为大于2的整数，实现n个涡旋微波量子电磁波电场强度信号的相位同步。
[0045]
通过选通模块和辐射模块可以将携带不同oam模态的不同电磁波电场强度信号选通合并，形成携带不同oam模态且电场强度相位连续的电磁波，并将其辐射。
附图说明
[0046]
图1是未经同步处理携带不同oam模态电磁波电场强度信号波形示意图；
[0047]
图2是本发明实施例的相位同步前后频谱的比较示意图；
[0048]
图3是涡旋微波量子超窄带传输通信系统结构示意图；
[0049]
图4是本发明的模块示意图；
[0050]
图5是本发明实施例的具体结构示意图；
[0051]
图6是本发明实施例的电磁波电场强度信号波形示意图。
[0052]
其中图6(a)是本发明实施例的待同步oam电磁波电场强度信号移相前后的示意图；
[0053]
图6(b)是本发明实施例的第一脉冲信号的示意图；
[0054]
图6(c)是本发明实施例的第二脉冲信号的示意图；
[0055]
图6(d)是本发明实施例的基准oam电磁波电场强度信号通过乘法器后的波形示意图；
[0056]
图6(e)是本发明实施例中移相后的待同步oam电磁波电场强度信号通过乘法器后的波形示意图；
[0057]
图6(f)是本发明实施例合路后形成的相位连续的电磁波电场强度信号示意图。
具体实施方式
[0058]
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
[0059]
未经同步处理时，携带不同oam模态电磁波电场强度信号波形示意图如图1所示；
[0060]
在相位同步前后，携带不同oam模态电磁波电场强度信号频谱的比较示意图如2所示；
[0061]
如图3所示，在涡旋微波量子超窄带传输通信系统中，涡旋微波量子信号产生装置产生包含不同oam模态涡旋微波量子的电磁波信号，再经过本发明进行相位同步形成包含不同oam模态且在时域上电场强度相位连续的辐射电磁波，在接收端通过涡旋微波量子信号接收检测装置接收电磁波信号检测oam模态，实现通信。
[0062]
本发明的结构示意图如图4所示，多路携带不同oam模态涡旋微波量子的电磁波电场强度信号并行通过相位差信号模块、移相控制信号模块、移相模块、信号选通模块，最终形成时域上波形幅值相位连续的电磁波。
[0063]
本实施例的具体相位同步装置结构如图5所示，可以用于处理2路携带不同oam模态涡旋微波量子的电磁波信号，以形成时域上波形幅值相位连续的电磁波。
[0064]
其中oam模态为0的电磁波电场强度信号0、oam模态为1的电磁波电场强度信号1，两路电磁波电场强度信号的幅度和频率相同，oam模态和相位不相同，输入到涡旋微波量子超窄带通信相位同步装置中。电磁波电场强度信号0作为基准oam电磁波电场强度信号，电磁波电场强度信号1作为待同步oam电磁波电场强度信号。电磁波电场强度信号0和电磁波电场强度信号1的时域表达式分别为：
[0065][0066][0067]
其中s0(t)表示电磁波电场强度信号0的时域表达式，s1(t)表示电磁波电场强度信号1的时域表达式，a表示电磁波电场强度信号的幅度，ωc表示电磁波电场强度信号的角频率，t表示时间，表示电磁波电场强度信号0的初相位，表示电磁波电场强度信号1的初相位。
[0068]
电磁波电场强度信号0和电磁波电场强度信号1通过混频器进行相乘，混频相乘后的信号可以表示为：
[0069][0070]
在混频相乘后形成的信号中，包含一个交流分量和一个直流分量而直流分量的值与电磁波电场强度信号0和电磁波电场强度信号1的相位差直接相关。
[0071]
混频后的信号继续通过低通滤波器，该低通滤波器的截止频率低于混频信号的交流分量频率，将会滤除掉混频信号中的交流分量，而直流分量将会通过该滤波器，通过低通滤波器后的信号为：
[0072][0073]
其中b是滤波器的幅度增益。
[0074]
信号β(t)的值表示了电磁波电场强度信号1和电磁波电场强度信号0的相位差大小，作为相位差信号。
[0075]
移相控制信号模块包括adc(模数转换器)和fpga(现场可编程门阵列)，adc将对相位差信号进行采样，形成离散的数字信号，供fpga处理。
[0076]
该离散数字信号可以表示为
[0077]
β(k)＝β(kt
sa
)
[0078]
其中β(k)表示第k个采样值，t
sa
则是adc的采样周期。
[0079]
该离散数字信号作为fpga的输入，fpga可以根据该离散数字信号计算并输出数字移相器的数字控制信号，计算公式为：
[0080][0081]
其中β(k)是adc采样离散后的数字信号，k为计算用到的采样点数，通过取平均的
方式提高了计算的准确度。
[0082]
通过在fpga中提前写入对应的计算程序可以实现该计算，fpga内部计算得到相位差值后，再将其量化成m比特的离散值，并由输出端口作为ttl电平输出，ttl电平是指+5v电平等价于逻辑"1"，0v电平等价于逻辑"0"，其中m与数控移相器的精度有关，是数控移相器的控制位数。
[0083]
移相模块采用数控移相器，然后数控移相器根据fpga输出的多比特ttl电平控制信号移动电磁波电场强度信号1的相位，使其与电磁波电场强度信号0具有相同的相位。移相后的电磁波电场强度信号1可以表示为：
[0084][0085]
移相前后的电磁波电场强度信号1如图6(a)所示，其中虚线是移相前的电磁波电场强度信号1的波形，实线是经过数字移相器后的电磁波电场强度信号1的波形。理想情况下，经过移相的电磁波电场强度信号1与输入的电磁波电场强度信号0相位相同。
[0086]
信号选通模块包括乘法器、双通道合路器、脉冲信号源和反相器。脉冲信号源产生第一脉冲信号，形成的第一脉冲信号如图6(b)所示，反相器用于将第一脉冲信号变换为相位相反的第二脉冲信号，第二脉冲信号如图6(c)所示。电磁波电场强度信号0与第一脉冲信号相乘，移相后的电磁波电场强度信号1与第二脉冲信号相乘，相乘后的信号为
[0087][0088]
其中表示经过移相后的电磁波电场强度信号，且表示不需要移相的基准oam电磁波电场强度信号0；
[0089]ank
表示要传输的第k个符号，a
nk
取值为0或1，且g(t)为矩形脉冲函数，具体为：
[0090][0091]
ts表示传输系统的符号周期；
[0092]
基准oam电磁波电场强度信号通过乘法器后的波形示意图如图6(d)所示
[0093]
移相后的待同步oam电磁波电场强度信号通过乘法器后的波形示意图如图6(e)所示
[0094]
双通道合路器用于将2路通过乘法器选通后的信号进行合并，形成相位连续的信号波形s(t)。
[0095][0096]
合路后形成的相位连续的电磁波电场强度信号示意图如图6(f)所示。
[0097]
辐射模块包括天线，含不同oam模态且相位连续且的电磁波信号通过辐射模块辐射成在空间中传播的电磁波。
[0098]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。