【摘要】：提高通信系統(tǒng)的容量一直被視為是通信領(lǐng)域的一個(gè)長期目標(biāo)。一種有效的提高通信容量的方法是對(duì)電磁波的獨(dú)立自由度進(jìn)行復(fù)用。攜帶有軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OAM)的渦旋電磁波在理論上可以實(shí)現(xiàn)不同頻率下無窮多種互不干擾的正交模態(tài)的復(fù)用,從而表現(xiàn)出一種新的自由度。然而,將OAM運(yùn)用于實(shí)際的無線通信系統(tǒng)還有很多的問題,本文主要對(duì)其中兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行研究,分別是OAM無線通信系統(tǒng)中的多徑問題和到達(dá)角(Angle-of-Arrival,AoA)估計(jì)問題,主要研究內(nèi)容如下:1.為了解決基于均勻圓形天線陣列(Uniform Circular Array,UCA)的OAM無線通信系統(tǒng)中存在的多徑問題,本文在原有系統(tǒng)上引入了正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù),從而構(gòu)成了OAM-OFDM無線通信系統(tǒng)框架。由于信號(hào)在發(fā)射端經(jīng)過OFDM調(diào)制后,等同于對(duì)信號(hào)做了一次離散傅里葉逆變換(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT),如果將此時(shí)的信號(hào)通過OAM系統(tǒng),又可以等同于對(duì)信號(hào)做一次IDFT,由此,我們可以直接對(duì)信號(hào)做一次二維離散傅里葉逆變換(2-Dimensional Inverse Discrete Fourier Transform,2-D IDFT)。該系統(tǒng)在理論上可以產(chǎn)生和原始方案相同的效果并且可以對(duì)抗多徑效應(yīng),在接收端對(duì)接收信號(hào)做二維離散傅里葉變換(2-Dimensional Discrete Fourier Transform,2-D DFT)就可以恢復(fù)出原信號(hào)。由于該通信系統(tǒng)使用基帶數(shù)字2-D DFT/IDFT代替現(xiàn)有的射頻模擬移相器來產(chǎn)生和接收OAM-OFDM信號(hào),從而降低了能耗和硬件成本。進(jìn)一步,2-D DFT/IDFT是可以由某種快速算法來實(shí)現(xiàn)的,本文針對(duì)上述系統(tǒng)提出了一種靈活的二維快速傅里葉變換(2-Dimensional Fast Fourier Transform,2-D FFT)算法,通過理論分析和仿真結(jié)果可以表明,與傳統(tǒng)的行列2-D FFT算法相比,本文提出的2-D FFT算法可以將乘法復(fù)雜度降低(1/4)NMlog_2 M,其中N和M分別是UCA的陣元數(shù)和子載波數(shù)。2.OAM無線通信系統(tǒng)需要發(fā)射端和接收端波束方向進(jìn)行精準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn),否則通信性能會(huì)大幅下降。而完成發(fā)射端和接收端波束方向精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)的前期就是入射波束的AoA估計(jì)。若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在進(jìn)行AoA估計(jì)的同時(shí)也要考慮多普勒頻移帶來的影響。本文以子陣列技術(shù)作為切入點(diǎn),利用由子陣列構(gòu)成的均勻圓陣(Uniform Circular Array of Subarrays,UCA-SAs)的特殊性,提出了一種AoA估計(jì)的方法,通過理論分析和仿真結(jié)果可以表明,該方法既實(shí)現(xiàn)了處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下接收端多普勒頻移的消除,同時(shí)也完成了AoA的估計(jì),為下一步波束的跟蹤奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN92;O441
【圖文】：

幾種不同模態(tài)狀態(tài)下的等相位圖

(a)源平面( l 2) (b)傳輸 1 米后( l 2)(c)源平面( l 1/2) (d)傳輸 1 米后( l 1/2)圖2.2 模態(tài)值分別為 2 和 1/2 時(shí)的光強(qiáng)分布[32]由圖 2.2 可以看出，如果渦旋電磁波攜帶的是分?jǐn)?shù)階的 OAM 模態(tài)值，則經(jīng)過一段距離的傳輸后，光強(qiáng)完全失去中心對(duì)稱性，光強(qiáng)分布呈現(xiàn)不均勻性，奇點(diǎn)也不復(fù)存在，渦旋特性不能繼續(xù)保持。而攜帶整數(shù)階 OAM 模態(tài)值的渦旋電磁波在經(jīng)過一段距離的傳輸后除了呈現(xiàn)出光強(qiáng)發(fā)散外整體特性沒有發(fā)生太大改變。因此，只有攜帶整數(shù)階 OAM 模態(tài)值的渦旋電磁波才可以應(yīng)用于無線通信。2.3 渦旋電磁波的產(chǎn)生方法2.3.1 透射法在無線通信領(lǐng)域最早是使用光學(xué)領(lǐng)域里的一種工具螺旋相位板（Spiral PhasePlate，SPP）來產(chǎn)生攜帶所需 OAM 模態(tài)值的渦旋電磁波。該方法的基本原理為：在平面波的基礎(chǔ)上加入螺旋相位因子，由此產(chǎn)生具有螺旋相位波前的電磁波。2013 年

SPP結(jié)構(gòu)示意圖

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本文編號(hào)：2776681