CN110851985B - 一种电磁波极化判决方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁波极化判决方法，其实现步骤是：(1)二维矢量天线接收x、y方向电场信号E_x(n)、E_y(n)；(2)接收信号同时选取连续的四个采样点；(3)选择满足一定条件的采样点进行三角变换，可以估计出电场分量幅度和(4)选择满足一定条件的采样点进行分析，先判断电磁波旋向，然后估计出相位差(5)由幅度和相位差估计量可以确定入射电磁波极化特性。本发明能够实现对垂直入射的任意电磁波极化特性估计，并且计算全部在实数域进行，计算复杂度低，可以用于无线通信中的极化调制技术领域。

Description

一种电磁波极化判决方法

技术领域

本发明涉及到无线通信中的极化调制技术领域，具体涉及到二维矢量天线入射电磁波极化特性的估计方法。

背景技术

传统数字调制技术是利用电磁波幅度、频率或者相位承载基带信息，极化调制则是一种新型数字调制方式，即利用电磁波不同极化特性，承载不同的基带信息。极化调制技术中一个关键环节就是接收机对电磁波极化特性的估计。已有电磁波极化估计通常采用二维矢量天线，并假设电磁波从法向入射，极化特性估计仅仅估计电磁波是圆极化还是线极化，是左旋还是右旋极化，并不对极化的准确特性进行估计。在极化调制中，电磁波具有不同特性，需要估计包括线极化、圆极化、椭圆极化在内的任意极化特性。另外，虽然也有方法可以实现对任意极化特性估计，但估计方法往往进行大量复数运算，这并不利用工程实现。为此，对于采用二维矢量天线，在电磁波法向入射情况下，我们采用基于实数域的全新估计方法，通过简单代数运算方式实现对电磁波任意极化特性估计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何通过二维矢量天线，快速估计垂直入射电磁波的任意极化特性。解决该技术问题的方法是一种电磁波极化判决方法，其实现步骤是：

(1)建立空间直角坐标系XOY，任意极化的电磁波垂直入射到XOY平面上；电磁波的接收天线是一个二维矢量天线，该矢量天线由两个相互垂直的线极化天线构成，两个线极化天线的极化方向分别与x和y标轴重合，两个天线的馈点都位于坐标原点；两个线极化天线接收信号为已知量，可以表示为E_xm、E_ym分别为x、y方向接收电场幅度，/>分别为x、y方向接收电场初始相位，/>是相位差，ω为信号频率，T_s为采样周期；其中，ω和T_s是已知量，E_xm、E_ym、/>是待估计量；

(2)分别从x、y方向天线的采样序列上选取连续的四个连续采样点，即E_x(n₁)、E_x(n₂)、E_x(n₃)、E_x(n₄)、E_y(n₁)、E_y(n₂)、E_y(n₃)、E_y(n₄)，其中n_i-n_i-1＝1，i＝2,3,4；

(3)幅度E_xm、E_ym的估计方法为：

第一步：判断E_x(n_i)和E_y(n_i)是否为0，如果E_x(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则信号是y方向线极化；如果E_y(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则/>信号是x方向线极化，极化估计结束；

第二步：如果E_x(n_i)和E_y(n_i)均不全为0，则从采样点中取一个序号m＝n_i，i＝1,2,3，使得E_x(m)和E_y(m)均不为0，根据采样信号的定义有

把式①-④根据积化和差公式和三角变换可以求出：

第三步：将式⑤⑥分别带入式①③，得幅度估计值

(4)相位差η估计方法为：

第一步：判断E_x(n_i)和E_y(n_i)是否为0，如果E_x(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则信号是y方向线极化；如果E_y(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则/>信号是x方向线极化，极化估计结束；

第二步：如果E_x(n_i)和E_y(n_i)均不全为0，则从采样点中取一个序号m＝n_i，i＝1,2,3，使得E_x(m)和E_y(m)均不为0，由⑤减⑥得：

取合适的整数k，使

第三步：如果则电磁波为线极化；且如果点[E_x(m),E_y(m)]在第一，三象限，则相位差估计值/>如果/>且点[E_x(m),E_y(m)]在第二，四象限，则相位差估计值极化估计结束；

第四步：如果选取相邻两个采样点，其值在XOY坐标系下坐标为p₁和p₂，p₁＝[E_x(m),E_y(m)]p₂＝[E_x(m+1),E_y(m+1)]；记△x＝E_x(m+1)-E_x(m)，连接p₁和p₂构成一条直线，记此直线与y的交点为y₀，将p₁和p₂带入直线方程ax+by+1＝0可以解出

根据△x和y₀，可判断电磁波旋向；如果y₀和△x正负性相同，电磁波为右旋电磁波；如果y₀和△x正负性相反，电磁波为左旋电磁波；

第五步：由于左旋电磁波相位差应该在(0,π)范围，右旋电磁波相位差应该在(π,2π)范围，所以，根据第四步极化旋向判断结果，如果是右旋电磁波，则相位差估计值如果是左旋电磁波，则相位差估计值/>

(5)由幅度和相位差估计量可以确定入射电磁波极化特性。

本发明的有益效果是，通过采用二维矢量天线和对接收信号的信号处理，可以在实数域快速估计出入射电磁波的任意极化特性，便于工程实现。本发明可以应用于无线通信的极化调制技术领域。

附图说明：

图1是入射电磁波极化特性判决方法框图；

图2是二维矢量天线示意图；

图3是信号入射示意图；

图4是旋向判决示意图。

具体实施例

在已知电磁波垂直入射的情况下，利用二维矢量天线，可以快速估计电磁波极化特性，总体实现步骤如图1所示。具体实现步骤为：

(1)建立空间直角坐标系XOY，任意极化的电磁波垂直入射到XOY平面上；电磁波的接收天线是一个二维矢量天线，如图2所示，该矢量天线由两个相互垂直的线极化天线构成，两个线极化天线的极化方向分别与x和y标轴重合，两个天线的馈点都位于坐标原点；两个线极化天线接收信号为已知量，可以表示为E_xm、E_ym分别为x、y方向接收电场幅度，/>分别为x、y方向接收电场初始相位，/>是相位差，ω为信号频率，T_s为采样周期；其中，ω和T_s是已知量，E_xm、E_ym、/>是待估计量；

(2)如图3所示，电磁波垂直入射在二维矢量天线上；分别从x、y方向天线的采样序列上选取连续的四个连续采样点，即E_x(n₁)、E_x(n₂)、E_x(n₃)、E_x(n₄)、E_y(n₁)、E_y(n₂)、E_y(n₃)、E_y(n₄)，其中n_i-n_i-1＝1(i＝2,3,4)；

(3)幅度E_xm、E_ym的估计方法为：

第一步：判断E_x(n_i)和E_y(n_i)(i＝1,2,3,4)是否为0，如果E_x(n_i)＝0(i＝1,2,3,4)，则信号是y方向线极化；如果E_y(n_i)＝0(i＝1,2,3,4)，则/>信号是x方向线极化，极化估计结束；

第二步：如果E_x(n_i)和E_y(n_i)(i＝1_,2,3_,4)均不全为0，取m＝n_i(i＝1,2,3)使得E_x(m)和E_y(m)均不为0，根据采样信号的定义有

把式根据积化和差公式和三角变换可以求出：

第三步：将式分别带入式/>得幅度估计值

(4)相位差η估计方法为：

第一步：判断E_x(n_i)和E_y(n_i)(i＝1,2,3,4)是否为0，如果E_x(n_i)＝0(i＝1,2,3,4)，则信号是y方向线极化；如果E_y(n_i)＝0(i＝1,2,3,4)，则/>信号是x方向线极化，极化估计结束；

第二步：如果E_x(n_i)和E_y(n_i)(i＝1,2,3,4)均不全为0，取m＝n_i(i＝1,2,3)使得E_x(m)和E_y(m)均不为0，由减/>得：

取合适的整数k，使

第三步：如果则电磁波为线极化；且如果点[E_x(m),E_y(m)]在第一，三象限，则相位差估计值/>如果/>且点[E_x(m),E_y(m)]在第二，四象限，则相位差估计值极化估计结束；

第四步：如果选取相邻两个采样点，其值在XOY坐标系下坐标为p₁和p₂，p₁＝[E_x(m),E_y(m)]p₂＝[E_x(m+1),E_y(m+1)]；记△x＝E_x(m+1)-E_x(m)，连接p₁和p₂构成一条直线，记此直线与y的交点为y₀，将p₁和p₂带入直线方程ax+by+1＝0可以解出

如图4所示，根据△x和y₀，可判断电磁波旋向；如果y₀和△x正负性相同，电磁波为右旋电磁波；如果y₀和△x正负性相反，电磁波为左旋电磁波；

第五步：由于左旋电磁波相位差应该在(0,π)范围，右旋电磁波相位差应该在(π,2π)范围，所以，根据第四步极化旋向判断结果，如果是右旋电磁波，则相位差估计值如果是左旋电磁波，则相位差估计值/>

(5)由幅度和相位差估计量可以确定入射电磁波极化特性。

本发明能够实现对垂直入射的任意电磁波极化特性估计，并且计算全部在实数域进行，计算复杂度低，可以用于无线通信中的极化调制技术领域。

Claims (1)

1.一种电磁波极化判决方法，其实现步骤是：

(1)建立空间直角坐标系XOY，任意极化的电磁波垂直入射到XOY平面上；电磁波的接收天线是一个二维矢量天线，该矢量天线由两个相互垂直的线极化天线构成，两个线极化天线的极化方向分别与x和y标轴重合，两个天线的馈点都位于坐标原点；两个线极化天线接收信号为已知量，可以表示为E_xm、E_ym分别为x、y方向接收电场幅度，/>分别为x、y方向接收电场初始相位，/>是相位差，ω为信号频率，T_s为采样周期；其中，ω和T_s是已知量，E_xm、E_ym、/>是待估计量；

(2)分别从x、y方向天线的采样序列上选取连续的四个连续采样点，即E_x(n₁)、E_x(n₂)、E_x(n₃)、E_x(n₄)、E_y(n₁)、E_y(n₂)、E_y(n₃)、E_y(n₄)，其中n_i-n_i-1＝1，i＝2,3,4；

(3)幅度E_xm、E_ym的估计方法为：

第一步：判断E_x(n_i)和E_y(n_i)是否为0，如果E_x(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则信号是y方向线极化；如果E_y(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则/>信号是x方向线极化，极化估计结束；

第二步：如果E_x(n_i)和E_y(n_i)均不全为0，则从采样点中取一个序号m＝n_i，i＝1,2,3，使得E_x(m)和E_y(m)均不为0，根据采样信号的定义有

把式①-④根据积化和差公式和三角变换可以求出：

第三步：将式⑤⑥分别带入式①③，得幅度估计值

(4)相位差η估计方法为：

第一步：判断E_x(n_i)和E_y(n_i)是否为0，如果E_x(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则信号是y方向线极化；如果E_y(n_i)＝0，i＝1,2,3,4，则/>信号是x方向线极化，极化估计结束；

第二步：如果E_x(n_i)和E_y(n_i)均不全为0，则从采样点中取一个序号m＝n_i，i＝1,2,3，使得E_x(m)和E_y(m)均不为0，由⑤减⑥得：

取合适的整数k，使

第三步：如果则电磁波为线极化；且如果点[E_x(m),E_y(m)]在第一，三象限，则相位差估计值/>如果/>且点[E_x(m),E_y(m)]在第二，四象限，则相位差估计值/>极化估计结束；

第四步：如果选取相邻两个采样点，其值在XOY坐标系下坐标为p₁和p₂，p₁＝[E_x(m),E_y(m)], p₂＝[E_x(m+1),E_y(m+1)]；记△x＝E_x(m+1)-E_x(m)，连接p₁和p₂构成一条直线，记此直线与y的交点为y₀，将p₁和p₂带入直线方程ax+by+1＝0可以解出

根据△x和y₀，可判断电磁波旋向；如果y₀和△x正负性相同，电磁波为右旋电磁波；如果y₀和△x正负性相反，电磁波为左旋电磁波；

第五步：由于左旋电磁波相位差应该在(0,π)范围，右旋电磁波相位差应该在(π,2π)范围，所以，根据第四步极化旋向判断结果，如果是右旋电磁波，则相位差估计值如果是左旋电磁波，则相位差估计值/>

(5)由幅度和相位差估计量可以确定入射电磁波极化特性。