基于超表面的MIMO收发机系统

基于超表面的mimo收发机系统
技术领域
1.本发明涉及无线通信和新型人工电磁材料技术领域，具体地，涉及一种基于超表面的mimo收发机系统。


背景技术：

2.多输入多输出(mimo)技术是多天线通信中的关键技术之一。在不增加带宽及总功率的情况下，mimo技术可有效对抗空间信道衰落的影响，显著提高通信系统的频率效率和信道容量，广泛应用于无线通信领域中。但在大规模mimo技术中，多天线体制一般需多套射频收发链路，因而在成本、体积、功耗、集成度等方面面临着性的挑战。
3.新型人工电磁表面，又称超表面，由周期性排列的电磁单元组成，通过对单元的结构、尺寸等参数进行优化设计，可实现区别于常规电磁材料的电磁波调控功能，为基于射频直接调控的无线通信硬件架构提出了新思路。然而，超表面一般仅使用单个喇叭天线进行空间馈电或接收信号，受限于单个发射/接收链路，超表面本身不能同时实现多用户的收发功能，往往作为散射通信的无源中继站或射频直接调制的发射机，如何实现基于超表面的独立收发设备是主要难题之一。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于超表面的mimo收发机系统。
5.根据本发明提供的一种基于超表面的mimo收发机系统，包括：喇叭天线、收发隔离开关、接收链路、发射链路、中频数字信号处理模块、数字控制器以及超表面；所述喇叭天线与收发隔离开关连接，所述收发隔离开关与接收链路和发射链路连接，所述接收链路和发射链路与中频数字信号处理模块连接，所述数字控制器与中频数字信号处理模块以及超表面连接；
6.所述超表面包括n个周期性排列的电磁调控微单元，所述电磁调控微单元为反射式、透射式或反射/透射可调节式结构；
7.所述数字控制器根据周期性调制时序生成对应周期性数字控制信号，并控制中频数字信号处理模块完成接收及发射信号处理流程；
8.所述的电磁调控微单元在数字控制器的控制信号作用下，周期性调节反射电磁波或透射电磁波的相位或幅度；
9.所述收发隔离开关分时选择接收链路和发射链路，分别对应接收模式和发射模式的两种工作模式。
10.优选的，所述射频接收链路包括依次连接的低噪声放大器、混频器和模数转换器，以及与混频器相连接的射频本振；所述射频接收链路放大来自喇叭天线的接收信号强度，并将射频信号下变频至中频后转换为数字信号。
11.优选的，所述射频发射链路包括依次连接的数模转换器、混频器和功率放大器，以
及与混频器相连接的射频本振；所述射频发射链路将数字信号转换为模拟信号，并将中频信号上变频到射频，经过功率放大后由喇叭天线辐射出去。
12.优选的，所述中频数字信号处理模块包括中频数字本振、数字混频器和谐波处理模块；所述中频数字信号处理模块通过正交数字下变频及正交数字上变频和谐波处理模块实现多用户信号与2q+1个谐波之间的映射；
13.所述的数字混频器设置有2q+1个，中心频率分别为f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
，其中f0为模拟下变频的中心频率，f
p
为超表面周期性幅相调节的频率；数字混频器在接收模式下将选中的2q+1次谐波分别正交数字下变频到基带，在发射模式下将预编码后的2q+1路基带信号分别上变频至对应的谐波中频；
14.所述的谐波处理模块在接收模式下由2q+1路基带谐波信号进行信道估计和mimo检测，并解调输出用户传输的信息；在发射模式下将多用户基带调制信号通过预编码映射为2q+1路谐波基带信号。
15.优选的，所述接收模式包括以下步骤：
16.步骤s1：收发隔离开关选通接收链路，通过超表面周期性幅相调制空间中来波信号，由喇叭天线接收并通过接收链路下变频及中频采样传输至中频数字信号处理模块；
17.步骤s2：所述中频数字信号处理模块接收的单路中频数字信号含有周期性调制引入的无穷次谐波信号，利用2q+1个数字混频器将中心频率分别为f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
的谐波信号数字正交下变频至基带；设接收信号包含k个单发射天线用户信号，则在基带，第q次谐波信号模型为：
[0018][0019]
其中k为服务的用户数，满足k≤n≤2q+1，ek和sk分别为第k个用户的发射功率和发射基带码元信号，h
n,k
为第n个超表面单元到第k个用户之间的信道响应，p
n,q
为喇叭天线到第n个超表面单元在第q次谐波频率fc+qf
p
处的固定近场信道响应，由校准测量获得，其中fc为来波射频中心频率，为第n个超表面单元接收模式的第q次谐波的傅里叶系数，由下式给出：
[0020][0021]
其中为第n个超表面单元在接收模式下周期幅相调制的等效周期调制函数；
[0022]
步骤s3：谐波处理模块基于谐波信号模型，联合下变频的2q+1次基带谐波信号，进行基于基带谐波信号的信道估计，并从基带谐波信号中检测并解调输出多用户信号，设估计的信道响应为第k个用户的mimo检测向量为
[0023]gk
＝[g-q,k
,g-q+1,k
,...,g
q-1,k
,g
q,k
]
[0024]
则检测第k个用户输出的信号为
[0025]
[0026]
优选的，所述发射模式包括以下步骤：
[0027]
步骤a1：谐波处理模块利用接收模式估计的信道响应，将k个用户的基带信号通过基于谐波的预编码映射成2q+1路信号，k≤n≤2q+1，分别对应于2q+1次基带谐波信号，设第k个用户预编码的波束赋形向量为：
[0028][0029]
则基于谐波的预编码后第q(-q≤q≤q)路发射信号表示为：
[0030][0031]
其中sk为传输至第k个用户的基带信号；
[0032]
步骤a2：在中频数字信号处理模块中，利用2q+1个数字混频器将经过谐波预编码的2q+1路信号分别数字正交上变频至f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
频率处，并合成一路包含2q+1次谐波的中频信号；
[0033]
步骤a3：收发隔离开关选通接收链路，合成的单路数字中频信号经过接收链路上变频至射频，并经过喇叭天线入射至超表面，由超表面周期性幅相调制后辐射到空间中，其中在中心频率fc处信号包含用户预编码信息，被视为有用信号，设第k个用户使用单天线接收信号，则第k个用户处接收的有用信号表示为
[0034][0035]
其中为第n个超表面单元发射模式的第q次谐波的傅里叶系数，由下式给出
[0036][0037]
其中为第n个超表面单元在发射模式下周期幅相调制的等效周期调制函数。
[0038]
优选的，所述超表面单元在发射模式或接收模式下进行周期性幅相调制的等效周期调制函数选取标准为：调制前或调制后所选取的从-q到q次的2q+1个谐波信号相互独立，且周期性幅相调制的频率与收发基带信号的最大带宽b
max
满足下式：
[0039]fp
≥b
max
。
[0040]
优选的，在所述中频频率f0和超表面周期性幅相调制频率f
p
确定后，所选取的-q次到q次谐波信号能够替换为任意2q+1个不同谐波频率的谐波信号，所选取的2q+1个谐波信号相互独立，且q满足2q+1≥n≥k。
[0041]
优选的，所述超表面n个周期性排列的电磁调控微单元划分为n0个子阵实现mimo收发功能，且选取谐波个数、子阵数及服务的用户数限制条件为k≤n0≤2q+1。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0043]
1、本发明利用超表面及单个喇叭馈源天线后的单射频收发链路同时实现mimo收发功能，克服了超表面自身不能处理多用户信号的限制，且提供收发信息服务的最大单天线用户数与超表面单元数相同；
[0044]
2、系统整体架构简单，成本低、功耗低、体积小。本发明基于周期性幅相调控的超
表面，仅利用单个喇叭天线后的单收发链路进行通信，无需传统mimo通信架构中的多射频收发链路，因而整体硬件架构简单、复杂度低，克服了大规模mimo收发机在成本、功耗、体积等方面的局限性；
[0045]
3、本发明的超表面动态调控收发电磁波，收发通道数可灵活配置，且数字域处理也可相应灵活改变，可根据服务用户数及用户信道信息灵活改变周期性调控方式、收发通道数及数字域变频的谐波数，且切换过程中无需改变硬件，只需改变数字控制器的软件控制逻辑。
附图说明
[0046]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0047]
图1为本发明基于超表面的mimo收发机系统示意图；
[0048]
图2为接收模式下喇叭天线接收的经过超表面周期性调制后的单路调制信号频谱示意图；
[0049]
图3为接收模式下在数字域通过提取的基带谐波信号进行信道估计及mimo解调后输出的4个用户信号的星座图；
[0050]
图4为发射模式下喇叭天线馈入的经过基带谐波信号预编码及不同谐波中频混频后的射频发射信号频谱示意图。
[0051]
附图标记说明：
[0052]
喇叭天线1
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模数转换器8
[0053]
收发隔离开关2
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数模转换器9
[0054]
低噪声放大器3
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数字混频器10
[0055]
功率放大器4
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中频数字本振11
[0056]
射频本振5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
谐波处理模块12
[0057]
混频器6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
数字控制器13
[0058]
超表面7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中频数字信号处理模块14
具体实施方式
[0059]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0060]
本发明公开了一种基于超表面的mimo收发机系统，包括：喇叭天线1、收发隔离开关2、接收链路、发射链路、中频数字信号处理模块14、数字控制器13以及超表面7；所述喇叭天线1与收发隔离开关2连接，所述收发隔离开关2与接收链路和发射链路连接，所述接收链路和发射链路与中频数字信号处理模块14连接，所述数字控制器13与中频数字信号处理模块14以及超表面7连接。
[0061]
所述超表面7包括n个周期性排列的电磁调控微单元，所述电磁调控微单元为反射式、透射式或反射/透射可调节式结构；
[0062]
所述数字控制器13根据周期性调制时序生成对应周期性数字控制信号，并控制中频数字信号处理模块14完成接收及发射信号处理流程；
[0063]
所述的电磁调控微单元在数字控制器13的控制信号作用下，周期性调节反射电磁波或透射电磁波的相位或幅度；
[0064]
所述收发隔离开关2分时选择接收链路和发射链路，分别对应接收模式和发射模式的两种工作模式。
[0065]
所述射频接收链路包括依次连接的低噪声放大器3(lna)、混频器6和模数转换器8(adc)，以及与混频器6相连接的射频本振5(lo)；射频接收链路放大来自喇叭天线1的接收信号强度，并将射频信号下变频至中频后转换为数字信号。
[0066]
所述射频发射链路包括依次连接的数模转换器9(dac)、混频器6和功率放大器4(pa)，以及与混频器6相连接的射频本振5(lo)；射频发射链路将数字信号转换为模拟信号，并将中频信号上变频到射频，经过功率放大后由喇叭天线1辐射出去。
[0067]
所述中频数字信号处理模块14包括中频数字本振11(nco)、数字混频器10和谐波处理模块12；中频数字信号处理模块14通过正交数字下变频及正交数字上变频和谐波处理模块12实现多用户信号与2q+1个谐波之间的映射；
[0068]
所述的数字混频器10设置有2q+1个，中心频率分别为f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
，其中f0为模拟下变频的中心频率，f
p
为超表面7周期性幅相调节的频率；数字混频器10在接收模式下将选中的2q+1次谐波分别正交数字下变频到基带，在发射模式下将预编码后的2q+1路基带信号分别上变频至对应的谐波中频；
[0069]
所述的谐波处理模块12在接收模式下由2q+1路基带谐波信号进行信道估计和mimo检测，并解调输出用户传输的信息；在发射模式下将多用户基带调制信号通过预编码映射为2q+1路谐波基带信号。
[0070]
对于接收模式或发射模式，n个超表面7单元在发射模式或接收模式下进行周期性幅相调制的等效周期调制函数选取标准为：调制前或调制后所选取的从-q到q次的2q+1个谐波信号是相互独立的，且周期性幅相调制的频率f
p
与收发基带信号的最大带宽b
max
满足下式：
[0071]fp
≥b
max
[0072]
对于接收模式或发射模式，在中频频率f0和超表面7周期性幅相调制频率f
p
确定后，所选取的-q次到q次谐波信号可替换为任意2q+1个不同谐波频率的谐波信号，但所选取的2q+1个谐波信号需相互独立，且q满足2q+1≥n≥k；
[0073]
对于接收模式或发射模式，超表面7n个单元可划分为n0个子阵实现mimo收发功能，且选取谐波个数、子阵数及服务的用户数限制条件变为k≤n0≤2q+1；
[0074]
实施例2:
[0075]
所述接收模式包括以下步骤：
[0076]
步骤s1：收发隔离开关2选通接收链路，空间中来波信号经过超表面7周期性幅相调制由喇叭天线1接收并通过接收链路下变频及中频采样送入中频数字信号处理模块14；这里可结合超表面7对电磁波的幅相调节特性，选取的周期性调节方法为：以一定的调制周期，将来波信号的相位在0和180度之间周期切换，且每种相位状态保持一定的时序占空比，即等效的周期性调制函数在第m个调制周期内的表达式为
[0077][0078]
应指出的是，上述的超表面7调制方法和调制函数仅为一种示例，可根据应用需求和优化目标的不同应用多种满足功能的不同调制方法和调制函数。设该超表面7单元数为18
×
18，均匀划分为9个子阵，子阵内单元调制函数相同，子阵间使用上述调制函数，调制频率为20mhz，超表面7周期性调制并接收4个单天线用户信号，其射频载频为5.8ghz，基带调制方式均为16qam，图2给出了喇叭天线1接收的经过超表面7周期性调制后的单路射频调制信号频谱。图中可见，超表面7周期性相位调节后，喇叭天线1接收的射频信号除在载频5.8ghz处的基频信号外还包含以20mhz为频率间隔的谐波信号，将该单路包含谐波的信号下变频到中频并采样到数字域进行进一步处理；
[0079]
步骤s2：所述中频数字信号处理模块14接收的单路中频数字信号含有周期性调制引入的无穷次谐波信号，利用2q+1个数字混频器10将中心频率分别为f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
的谐波信号数字正交下变频至基带；设接收信号包含k个单发射天线用户信号，则在基带，第q次谐波信号模型为：
[0080][0081]
其中k为服务的用户数，满足k≤n≤2q+1，ek和sk分别为第k个用户的发射功率和发射基带码元信号，h
n,k
为第n个超表面7单元到第k个用户之间的信道响应，pn,q为喇叭天线1到第n个超表面7单元在第q次谐波频率fc+qf
p
处的固定近场信道响应，由校准测量获得，其中fc为来波射频中心频率，为第n个超表面7单元接收模式的第q次谐波的傅里叶系数，由下式给出：
[0082][0083]
其中为第n个超表面7单元在接收模式下周期幅相调制的等效周期调制函数；
[0084]
对于图2的单路射频接收调制信号频谱，考虑到用户数k＝4，子阵数n0＝9，可选取q＝4，即利用9个数字混频器10，将中频频率分别为5.72ghz～5.88ghz，以20mhz为间隔的谐波信号(对应图中标号为-4～4的谐波分量)数字正交下变频到基带；
[0085]
步骤s3：谐波处理模块12基于谐波信号模型，联合下变频的2q+1次基带谐波信号，利用已知训练序列进行基于基带谐波信号的信道估计，并采用基于谐波的mimo检测方法从基带谐波信号中检测并解调输出多用户信号；设估计的信道响应为第k个用户的mimo检测向量为
[0086]gk
＝[g-q,k
,g-q+1,k
,...,g
q-1,k
,g
q,k
]
[0087]
则检测第k个用户输出的信号为
[0088][0089]
针对步骤s2中从图2数字正交下变频的9个谐波，可联合该9个谐波，通过已知的信道估计码序列和接收的基带谐波信号的码序列，利用最小二乘法(ls)进行信道估计。在完成信道估计后，利用该信道信息，可计算迫零(zf)的mimo检测矢量，并结合谐波基带信号，分别检测解调输出4个用户的信号，解调4个用户的星座图如图3所示。图中4个用户的信号均被正常解调输出，星座图符号与发射端各用户传输的符号相同。可以指出的是，利用步骤s2中的谐波信号接收模型，还可采用多种信道估计方法和mimo检测方法，此处为说明信道估计及mimo检测的具体流程和结果，分别仅采用ls和zf的方法为示例进行说明。
[0090]
实施例3
[0091]
所述发射模式包括以下步骤：
[0092]
步骤a1：谐波处理模块12利用接收模式估计的信道响应，将k个用户的基带信号通过基于谐波的预编码映射成2q+1路信号，k≤n≤2q+1，分别对应于2q+1次基带谐波信号，设第k个用户预编码的波束赋形向量为：
[0093][0094]
则基于谐波的预编码后第q(-q≤q≤q)路发射信号表示为：
[0095][0096]
其中sk为传输至第k个用户的基带信号；
[0097]
步骤a2：在中频数字信号处理模块14中，利用2q+1个数字混频器10将经过谐波预编码的2q+1路信号分别数字正交上变频至f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
频率处，并合成一路包含2q+1次谐波的中频信号；
[0098]
步骤a3：收发隔离开关2选通接收链路，合成的单路数字中频信号经过接收链路上变频至射频，并经过喇叭天线1入射至超表面7，由超表面7周期性幅相调制后辐射到空间中，其中在中心频率fc处信号包含用户预编码信息，被视为有用信号，设第k个用户使用单天线接收信号，则第k个用户处接收的有用信号表示为
[0099][0100]
其中为第n个超表面7单元发射模式的第q次谐波的傅里叶系数，由下式给出
[0101][0102]
其中为第n个超表面7单元在发射模式下周期幅相调制的等效周期调制函数。
[0103]
针对该发射模式，设一18
×
18单元的超表面7同样工作在5.8ghz，划分为9个子阵，发射模式下超表面7单元周期性调节来自喇叭天线1的射频空间馈电信号，调节方法为将空馈信号的相位在0
°
和180
°
之间周期性切换，其等效调制函数由下式给出
[0104][0105]
设该基于超表面7的mimo收发机服务4个单天线用户，传输给各用户的基带信号调制方式为16qam，射频端周期性调节的频率为20mhz。首先将4个用户的信号根据接收模式估计的信道进行谐波信号预编码，得到9路预编码后的信号输出，而后利用9个数字混频器10，将9路输出分别数字正交上变频到以20mhz为间隔的中频，并通过接收链路上变频到5.72ghz～5.88ghz以20mhz为间隔的射频，最终由喇叭天线1入射到超表面7单元上。其中各用户信号与各谐波之间的预编码可采用最小均方根误差准则(mmse)，最终喇叭天线1入射的射频信号如图4所示，包含谐波预编码及上变频后的9个谐波分量。超表面7单元在周期性调节时序的控制下周期性调节该空馈信号，并将其辐射至空间中。
[0106]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种基于超表面的mimo收发机系统，其特征在于，包括：喇叭天线(1)、收发隔离开关(2)、接收链路、发射链路、中频数字信号处理模块(14)、数字控制器(13)以及超表面(7)；所述喇叭天线(1)与收发隔离开关(2)连接，所述收发隔离开关(2)与接收链路和发射链路连接，所述接收链路和发射链路与中频数字信号处理模块(14)连接，所述数字控制器(13)与中频数字信号处理模块(14)以及超表面(7)连接；所述超表面(7)包括n个周期性排列的电磁调控微单元，所述电磁调控微单元为反射式、透射式或反射/透射可调节式结构；所述数字控制器(13)根据周期性调制时序生成对应周期性数字控制信号，并控制中频数字信号处理模块(14)完成接收及发射信号处理流程；所述的电磁调控微单元在数字控制器(13)的控制信号作用下，周期性调节反射电磁波或透射电磁波的相位或幅度；所述收发隔离开关(2)分时选择接收链路和发射链路，分别对应接收模式和发射模式的两种工作模式。2.根据权利要求1所述的基于超表面mimo收发机系统，其特征在于：所述射频接收链路包括依次连接的低噪声放大器(3)、混频器(6)和模数转换器(8)，以及与混频器(6)相连接的射频本振(5)；所述射频接收链路放大来自喇叭天线(1)的接收信号强度，并将射频信号下变频至中频后转换为数字信号。3.根据权利要求1所述的基于超表面mimo收发机系统，其特征在于：所述射频发射链路包括依次连接的数模转换器(9)、混频器(6)和功率放大器(4)，以及与混频器(6)相连接的射频本振(5)；所述射频发射链路将数字信号转换为模拟信号，并将中频信号上变频到射频，经过功率放大后由喇叭天线(1)辐射出去。4.根据权利要求1所述的基于超表面mimo收发机系统，其特征在于：所述中频数字信号处理模块(14)包括中频数字本振(11)、数字混频器(10)和谐波处理模块(12)；所述中频数字信号处理模块(14)通过正交数字下变频及正交数字上变频和谐波处理模块(12)实现多用户信号与2q+1个谐波之间的映射；所述的数字混频器(10)设置有2q+1个，中心频率分别为f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
，其中f0为模拟下变频的中心频率，f
p
为超表面(7)周期性幅相调节的频率；数字混频器(10)在接收模式下将选中的2q+1次谐波分别正交数字下变频到基带，在发射模式下将预编码后的2q+1路基带信号分别上变频至对应的谐波中频；所述的谐波处理模块(12)在接收模式下由2q+1路基带谐波信号进行信道估计和mimo检测，并解调输出用户传输的信息；在发射模式下将多用户基带调制信号通过预编码映射为2q+1路谐波基带信号。5.根据权利要求1所述的基于超表面的mimo收发机系统，其特征在于：所述接收模式包括以下步骤：步骤s1：收发隔离开关(2)选通接收链路，通过超表面(7)周期性幅相调制空间中来波信号，由喇叭天线(1)接收并通过接收链路下变频及中频采样传输至中频数字信号处理模块(14)；步骤s2：所述中频数字信号处理模块(14)接收的单路中频数字信号含有周期性调制引入的无穷次谐波信号，利用2q+1个数字混频器(10)将中心频率分别为f
0-qf
p
、f
0-(q-1)
f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
的谐波信号数字正交下变频至基带；设接收信号包含k个单发射天线用户信号，则在基带，第q次谐波信号模型为：其中k为服务的用户数，满足k≤n≤2q+1，e
k
和s
k
分别为第k个用户的发射功率和发射基带码元信号，h
n,k
为第n个超表面(7)单元到第k个用户之间的信道响应，p
n,q
为喇叭天线(1)到第n个超表面(7)单元在第q次谐波频率f
c
+qf
p
处的固定近场信道响应，由校准测量获得，其中f
c
为来波射频中心频率，为第n个超表面(7)单元接收模式的第q次谐波的傅里叶系数，由下式给出：其中为第n个超表面(7)单元在接收模式下周期幅相调制的等效周期调制函数；步骤s3：谐波处理模块(12)基于谐波信号模型，联合下变频的2q+1次基带谐波信号，进行基于基带谐波信号的信道估计，并从基带谐波信号中检测并解调输出多用户信号，设估计的信道响应为第k个用户的mimo检测向量为g
k
＝[g-q,k
,g-q+1,k
,...,g
q-1,k
,g
q,k
]则检测第k个用户输出的信号为6.根据权利要求1所述的基于超表面的mimo收发机系统，其特征在于：所述发射模式包括以下步骤：步骤a1：谐波处理模块(12)利用接收模式估计的信道响应，将k个用户的基带信号通过基于谐波的预编码映射成2q+1路信号，k≤n≤2q+1，分别对应于2q+1次基带谐波信号，设第k个用户预编码的波束赋形向量为：则基于谐波的预编码后第q(-q≤q≤q)路发射信号表示为：其中s
k
为传输至第k个用户的基带信号；步骤a2：在中频数字信号处理模块(14)中，利用2q+1个数字混频器(10)将经过谐波预编码的2q+1路信号分别数字正交上变频至f
0-qf
p
、f
0-(q-1)f
p
、
…
、f0+(q-1)f
p
、f0+qf
p
频率处，并合成一路包含2q+1次谐波的中频信号；步骤a3：收发隔离开关(2)选通接收链路，合成的单路数字中频信号经过接收链路上变频至射频，并经过喇叭天线(1)入射至超表面(7)，由超表面(7)周期性幅相调制后辐射到空间中，其中在中心频率f
c
处信号包含用户预编码信息，被视为有用信号，设第k个用户使用
单天线接收信号，则第k个用户处接收的有用信号表示为其中为第n个超表面(7)单元发射模式的第q次谐波的傅里叶系数，由下式给出其中为第n个超表面(7)单元在发射模式下周期幅相调制的等效周期调制函数。7.根据权利要求5或6所述的基于超表面的mimo收发机系统，其特征在于：所述超表面(7)单元在发射模式或接收模式下进行周期性幅相调制的等效周期调制函数选取标准为：调制前或调制后所选取的从-q到q次的2q+1个谐波信号相互独立，且周期性幅相调制的频率与收发基带信号的最大带宽b
max
满足下式：f
p
≥b
max
。8.根据权利要求5或6所述的基于超表面的mimo收发机系统，其特征在于：在所述中频频率f0和超表面(7)周期性幅相调制频率f
p
确定后，所选取的-q次到q次谐波信号能够替换为任意2q+1个不同谐波频率的谐波信号，所选取的2q+1个谐波信号相互独立，且q满足2q+1≥n≥k。9.根据权利要求5或6所述的基于超表面的mimo收发机系统，其特征在于：所述超表面(7)n个周期性排列的电磁调控微单元划分为n0个子阵实现mimo收发功能，且选取谐波个数、子阵数及服务的用户数限制条件为k≤n0≤2q+1。

技术总结
本发明提供了一种基于超表面的MIMO收发机系统，其特征在于，包括：喇叭天线、收发隔离开关、接收链路、发射链路、中频数字信号处理模块、数字控制器以及超表面；所述喇叭天线与收发隔离开关连接，所述收发隔离开关与接收链路和发射链路连接，所述接收链路和发射链路与中频数字信号处理模块连接，所述数字控制器与中频数字信号处理模块以及超表面连接。本发明利用超表面及单个喇叭馈源天线后的单射频收发链路同时实现MIMO收发功能，克服了超表面自身不能处理多用户信号的限制，且提供收发信息服务的最大单天线用户数与超表面单元数相同。务的最大单天线用户数与超表面单元数相同。务的最大单天线用户数与超表面单元数相同。


技术研发人员：倪刚 贺冲 曹岸杰 白旭东 陈靖峰 朱卫仁 金荣洪 耿军平 梁仙灵
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2023/7/31