四维无线调制解调器的理论研究

摘要

本文提出了一个同时使用电磁波幅度、相位、辅助极化角和极化相位差异角来携带信息的四维无线调制解调器。借助于空间电磁源入射矢量天线的电磁场信号表达式，我们描述了利用矢量天线调制、解调空间电磁波四维参数的基本原理。
　　在系统的发送端（即调制端），我们根据空间中线形与环形天线通电后的电磁场分布，推导了利用矢量天线中电、磁偶极子来产生含四维调制参数信号的方法。并分别讨论了单用户和多用户情况下发送端的具体实现方式。
　　对于接收端（即解调端），我们给出了以矢量天线（或其阵列）为载体、几何代数为数学工具进行参数解调的方法。四维调制信号的解调过程需要首先对接收到的电磁场信号进行波达方向(DOA)估计。由于几何代数模型下的DOA参数估计方法在复杂度、性能以及数据存储空间方面较其它算法具有优势，故本文将分别使用几何代数模型下的最优加权内积算法与多重信号分离算法来估计单用户和多用户场景下接收信号的DOA参数。在获得了四维调制信号的DOA参数后，接收端将通过最小二乘算法米估计各个调制参数以实现四维解调过程。
　　本文从理论上推导了单用户和多用户场景下四维无线调制解调器的误符号率，并用仿真加以了验证。理论分析与仿真结果均表明:本文提出的四维无线调制解调器较传统调制解调器具有更高的传输速率和更低的误符号率。
　　为了提升四维无线调制解调器的完善性，本文还提出了一种基于格理论来构造高维星座图的方法。
　　星座图的增益指数是格理论中的一个术语，它可以分解成格的编码增益和星座图边界的成形增益。本文将最大化星座图增益指数的过程构造为一系列优化问题，并将星座图的几何特性作为优化问题的约束条件。由于可通过求解优化问题来得到所需的星座图，因此本文的方法可以作为一种构造高维星座图的通用方法。相比现有算法均只适用于星座点个数较少的情况，本文方法可以简便地构造星座点数目较大的高维星座图。仿真结果显示出:在星座点数目较少时，由本文方法所构造的星座图的误符号率性能与最优值十分接近;而当星座点数目较多时，本文构造的星座图较传统基于整数格的星座图具有更低的误符号率。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的目的和立论依据

1．2 研究现状综述

1．2．1 电磁波的极化及其在无线调制解调器中的应用

1．2．2 矢量天线及其阵列

1．2．3 基于矢量天线的DOA估计算法

1．2．4 高维星座图设计

1．3 本文的主要工作和内容安排

第2章 单用户四维无线调制解调器

2．1 单矢量天线的电磁场信号数学模型

2．2 单用户四维无线调制器

2．2．1 线形与环形天线的场分布

2．2．3 单矢量天线发送多路四维调制信号

2．3 单用户四维无线解调器

2．3．1 三维空间中的几何代数(G3)

2．3．2 最优加权内积(WIP)DOA估计算法

2．3．3 单用户四维无线解调器的实现原理

2．3．4 单用户四维无线解调器的理论误符号率分析

2．4 仿真实验

2．5 本章小结

第3章 多用户四维无线调制解调器

3．1 矢量天线阵列的电磁场信号数学模型

3．2 多用户四维无线调制器

3．3 多用户四维无线解调器

3．3．1 G3矩阵的分析工具

3．3．2 G3下的多重信号分离(G-MUSIC)算法

3．3．3 多用户四维无线解调器的实现原理

3．3．4 G-MUSIC算法性能分析

3．3．5 多用户四维无线解调器的理论误符号率分析

3．4 仿真实验

3．5 本章小结

第4章 高维星座图设计

4．1 格与基于格的星座图

4．1．1 格的简介

4．1．2 基于格的星座图

4．2 基于格理论构造高维星座图

4．2．1 最大化星座图的编码增益

4．2．2 最大化成形增益——球形边界的获取

4．2．3 复杂度分析

4．2．4 设计星座图示例

4．3 仿真实验

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

硕士期间研究成果

致谢

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