特許 7056857 軌道角運動量を持つ電磁モードを有する信号を送信及び／又は受信するためのシステム、並びに、そのデバイス及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-11

(45)【発行日】2022-04-19

(54)【発明の名称】軌道角運動量を持つ電磁モードを有する信号を送信及び／又は受信するためのシステム、並びに、そのデバイス及び方法

(51)【国際特許分類】

   H04J 99/00 20090101AFI20220412BHJP

【ＦＩ】

H04J99/00 100

【請求項の数】 19

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2019186771

(22)【出願日】2019-10-10

(62)【分割の表示】P 2016557319の分割

【原出願日】2015-04-17

(65)【公開番号】P2020039129

(43)【公開日】2020-03-12

【審査請求日】2019-11-08

(31)【優先権主張番号】TO2014A000328

(32)【優先日】2014-04-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】515070240

【氏名又は名称】ライ ラディオテレヴィズィオーネ イタリアーナ エッセ．ピー．アー．

(73)【特許権者】

【識別番号】311017326

【氏名又は名称】エッセ．イ．エスヴィー．エアレ ソシアテ イタリアーナ ピエレ エレオ ヴィルプ デレレトロニカ エッセ．ピー．アー．

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】サッコ、ブルーノ

(72)【発明者】

【氏名】デ ヴィータ、アッサンタ

【審査官】川口 貴裕

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／０１６６５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０９－０３６７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２４５１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０８４０３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２８２１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５１０２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２３５８８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２３５７４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００２７０３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】OVE,Edfors et al.，Is Orbital Angular Momentum(OAM) Based Radio Communication an Unexploited Area?，IEEE Transaction on Antennas and Propagation，Vol.60, No.2，2011年10月24日，pp.1126-1131

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｊ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なる複数の軌道角運動量を有する複数の電磁モードを有する複数の無線信号を介して複数の入力信号を送信するためのデバイスであって、
少なくとも１つの信号源より複数の入力信号を複数の入力ポートで受信し、
前記複数の入力信号に高速フーリエ変換を施すことによって複数の出力信号を生成し、
対応する複数の送信アンテナに接続される複数の出力ポートに前記複数の出力信号を提供し、
無線送信の間、前記複数の出力信号は前記高速フーリエ変換を施すことに起因して少なくとも一つの軌道角運動量を有するよう前記複数の送信アンテナによって前記複数の出力信号を無線送信するように構成され、
前記複数の入力ポートで受信される前記複数の入力信号の数Ｍは、前記デバイスによって生成される前記複数の出力信号の数Ｎよりも小さく、
前記複数の入力信号が入力されていない未使用の前記複数の入力ポートは、０信号が供給され、
前記複数の電磁モードの数と前記複数の入力信号の数Ｍとが等しく、
前記複数の入力信号の数Ｍは、前記複数の入力ポートの数Ｎよりも小さく、
前記複数の出力信号、前記複数の出力ポートおよび前記複数の送信アンテナの数はいずれもＮである
デバイス。

【請求項2】

前記デバイスは、アナログコンポーネントを備えるモーダル変換器であって、
前記モーダル変換器は、前記複数の入力信号に対して前記高速フーリエ変換を、組み合わせによって実装するよう構成される、結合器、または分割器、または位相シフタのうちの少なくとも１つのアナログコンポーネントを有する、
請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記複数の入力信号または前記複数の出力信号は、実質的に等しいベースバンドまたはパスバンド周波数を占める、
請求項１または２に記載のデバイス。

【請求項4】

前記複数の入力信号は、複数の無線テレビジョン信号または受動的な放射測定、若しくはリモートセンシング用途の複数の信号である、
請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項5】

異なる複数の軌道角運動量すなわちＯＡＭを有する複数の電磁モードを有する複数の無線信号を介して複数の入力信号を送信するためのシステムであって、
複数の入力信号を生成する少なくとも１つの信号源と、
請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイスと、
を備える、
システム。

【請求項6】

前記デバイスの前記複数の出力ポートと前記複数の送信アンテナとの間に配置され、前記デバイスによって生成される前記複数の出力信号をベースバンドからパスバンドに変換するように構成される、第１の周波数変換器を備える、
請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記少なくとも１つの信号源と前記デバイスとの間に配置され、前記複数の入力信号をベースバンドからパスバンドに変換するように構成される、第１の周波数変換器を備える、
請求項５に記載のシステム。

【請求項8】

前記デバイスは、複数のパスバンド信号を有する、選択される無線チャネルの周波数で動作する、
請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

異なる複数の軌道角運動量の複数の電磁モードを有する複数の無線信号を介して送信される複数の通信信号を受信するためのデバイスであって、
複数の受信アンテナを介して前記複数の無線信号を受信し、
逆高速フーリエ変換モジュールの対応する複数の入力ポートへ複数の受信される信号のそれぞれを提供し、
複数の通信信号の少なくとも１つの受信機へ転送するために前記複数の通信信号を複数の出力ポートで得るべく、前記逆高速フーリエ変換モジュールによって前記複数の受信される信号に逆高速フーリエ変換を施し、
セレクタによって、前記複数の通信信号のいずれか１つを選択し、前記選択された信号を前記受信機へ転送するように構成され、
前記複数の通信信号の数Ｍは、前記デバイスの前記複数の受信アンテナの数Ｎよりも小さく、
前記複数の電磁モードの数と前記複数の通信信号の数Ｍとが等しく、
前記複数の通信信号の数Ｍは、前記複数の入力ポートの数Ｎよりも小さく、
前記逆高速フーリエ変換モジュールの前記複数の出力ポートの数はＭであり、前記複数の受信される信号の数および前記複数の受信アンテナの数はいずれもＮである
デバイス。

【請求項10】

前記逆高速フーリエ変換モジュールは、アナログコンポーネントを備える逆モーダル変換器であって、
前記逆モーダル変換器は、前記複数の無線信号に対して前記逆高速フーリエ変換を、組み合わせによって実装するよう構成される、結合器、または分割器、または位相シフタのうちの少なくとも１つを有する
請求項９に記載のデバイス。

【請求項11】

前記複数の無線信号または前記複数の通信信号は、実質的に等しいベースバンド周波数またはパスバンド周波数を占める、
請求項９または１０に記載のデバイス。

【請求項12】

前記複数の通信信号の数は、前記複数の入力ポートへ提供される前記複数の受信される信号の数より少ない、
請求項９から１１のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項13】

前記複数の通信信号は、複数の無線テレビジョン信号または受動的な放射測定、若しくはリモートセンシング用途の複数の信号である、
請求項９から１２のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項14】

異なる複数の軌道角運動量を有する複数の電磁モードを有する複数の無線信号を介して送信される複数の通信信号を受信するためのシステムであって、
複数の受信アンテナと、
前記複数の受信アンテナを通じて前記複数の無線信号を受信する、請求項９から１３のいずれか一項に記載のデバイスと、
前記デバイスの前記複数の出力ポートと接続される複数の通信信号の少なくとも１つの受信機と、
を備える、
システム。

【請求項15】

前記デバイスの前記複数の出力ポートと前記少なくとも１つの受信機との間に配置され、前記複数の通信信号を、ベースバンドに変換するように構成される、第２の周波数変換器を備える、
請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

前記複数の受信アンテナと前記デバイスの前記複数の入力ポートとの間に配置され、前記複数の受信される信号をベースバンドに変換するように構成される、第２の周波数変換器を備える、
請求項１４に記載のシステム。

【請求項17】

前記デバイスの前記複数の出力ポートと前記少なくとも１つの受信機との間に、通過中の前記複数の通信信号のいずれの相互干渉をも打ち消すよう構成される、干渉キャンセラを更に備える、
請求項１４から１６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項18】

異なる複数の軌道角運動量の複数の電磁モードを有する無線信号を介して複数の入力信号を送信する方法であって、
少なくとも１つの信号源から複数の入力信号を高速フーリエ変換モジュールの複数の入力ポートで受信する段階と、
複数の出力信号を生成するために前記高速フーリエ変換モジュールによって前記複数の入力信号に対して高速フーリエ変換を施す段階と、
対応する複数の送信アンテナに接続される対応する複数の出力ポートに前記高速フーリエ変換モジュールの前記複数の出力信号を提供する段階と、
無線送信の間、前記複数の出力信号は前記高速フーリエ変換を施すことに起因して少なくとも一つの軌道角運動量を有するよう前記複数の送信アンテナによって前記複数の出力信号を無線送信する段階と、
を備え、
前記複数の入力ポートで受信される前記複数の入力信号の数Ｍは、前記複数の出力信号の数Ｎよりも小さく、
前記複数の入力信号が入力されていない未使用の前記複数の入力ポートは、０信号が供給され、
前記複数の電磁モードの数と前記複数の入力信号の数Ｍとが等しく、
前記複数の入力信号の数Ｍは、前記複数の入力ポートの数Ｎよりも小さく、
前記複数の出力信号、前記複数の出力ポートおよび前記複数の送信アンテナの数はいずれもＮである
方法。

【請求項19】

異なる複数の軌道角運動量の複数の電磁モードを有する複数の無線信号を介して送信される複数の通信信号を受信するための方法であって、
複数の受信アンテナを介して前記複数の無線信号を受信する段階と、
逆高速フーリエ変換モジュールの対応する複数の入力ポートへ複数の受信される信号のそれぞれを提供する段階と、
複数の通信信号の少なくとも１つの受信機へ転送される前記複数の通信信号を、複数の出力ポートで得るべく、前記逆高速フーリエ変換モジュールによって前記受信される複数の信号に逆高速フーリエ変換を施す段階と、
セレクタによって、前記複数の通信信号のいずれか１つを選択し、前記選択された信号を前記受信機へ転送する段階と、
を備え
前記複数の通信信号の数Ｍは、前記複数の受信アンテナの数Ｎよりも小さく、
前記複数の電磁モードの数と前記複数の通信信号の数Ｍとが等しく、
前記複数の通信信号の数Ｍは、前記複数の入力ポートの数Ｎよりも小さく、
前記逆高速フーリエ変換モジュールの前記複数の出力ポートの数はＭであり、前記複数の受信される信号の数および前記複数の受信アンテナの数はいずれもＮである
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、軌道角運動量、すなわちＯＡＭを持つ複数の電磁モードを有する複数の信号を通信するためのシステム、並びに関連するデバイス及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ブロードバンドサービスの使用の増加及びその普及拡大と、その結果として高まる無線通信システムからのスペクトルリソースの需要により、情報送信に対する代替的な手法が、例えば、異なる変調スキーム、ＭＩＭＯ（「多入力多出力」）アーキテクチャを用いる空間ダイバーシティ技術、及び同様のものなどの徹底的な分析及び研究のテーマとなってきた。

【0003】

最新の技術の１つが、無線送信のスペクトル効率（故に、容量）を改善する潜在的な可能性があるという理由で、トポロジー的なダイバーシティ（ｔｏｐｏｌｏｇｉｃ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）に取り組む。

【0004】

電磁波がエネルギー及び線形運動量に加えて角運動量も運ぶことは、一世紀以上前から公知である。それに関し、角運動量の２つの形態が存在する。１つ目は、電磁場の偏光に関するものであって、スピン角運動量（ＳＡＭ）と定義される。２つ目は、電磁場の空間的分布に依存するものであって、軌道角運動量（ＯＡＭ）と定義される。スピン角運動量は、古典電磁場及び１つ１つの光子の内因性の特性であり、電磁場の回転自由度のスピン特性を説明するものである。しかしながら、自由空間では、スピン角運動量は、左旋偏波又は右旋偏波の偏波にそれぞれ対応するσ=±１という２つの値だけしかとらない。

【0005】

それとは逆に、電磁気的な軌道角運動量（ＯＡＭ）は、古典電磁場及び１つ１つの光子の外因性の特性であり、その回転自由度の軌道特性を説明するものである。電磁場位相因子ｅｘｐ｛ｉαφ｝は、ＯＡＭと関連付けられ、任意の値をとり得る。ここで、φは波動ビームの軸周りの方位角であり、αは位相関数である。そのため、任意数のＯＡＭモードを運ぶ波動ビームは、互いに直交し、故に独立して伝播するであろう、別個の整数のＯＡＭ自己モードのスペクトルを含む。換言すると、ＯＡＭは、次元がＮ＝１，２，３，...の状態空間を含み、そのため、多数の任意状態を備える「アジマス偏波（ａｚｉｍｕｔｈａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）」であると見なされ得る。

【0006】

この技術により、複数の信号は、軌道角運動量の異なる直交状態を使用して送信され、同じキャリア周波数を使用する事実上無限のチャネル数を提供し、伝送率の向上をもたらす。

【0007】

ＯＡＭ技術は、Ａｌｌｅｎら［Ｌ．Ａｌｌｅｎ、Ｍ．Ｗ．Ｂｅｉｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ、Ｒ．Ｊ．Ｃ． Ｓｐｒｅｅｕｗ、及びＪ．Ｐ．Ｗｏｅｒｄｍａｎ、「Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｇｕｅｒｒｅ Ｇａｕｓｓ ｌａｓｅｒ ｍｏｄｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ、第４５巻、８１８５‐８１８９ページ、１９９２年］が、ＯＡＭが、らせん状位相を有する自然なビーム特性を有し、エルミートガウスビームをラゲールガウスビームに変換することで生成され得ることを発見する１９９２まで、さほど関心を呼ばなかった。

【0008】

特に、ＯＡＭビームの状態の直交性により、光通信にＯＡＭビームを使用する技術が大いに注目されてきた。ＯＡＭは、複数の直交状態として情報を符号化し、同じキャリア周波数を使用して、又は多重化のために異なるＯＡＭ状態を使用して、事実上無限のチャネル数を提供することにより、光通信システムのスペクトル容量及びスペクトル効率を大いに向上させ得る。

【0009】

しかしながら、レーザ光学における、純粋で明確（ｗｅｌｌ‐ｄｅｆｉｎｅｄ）なＯＡＭ状態で複数の光子を生成し、検出し、操作するための複数の実験技術の発見により、それまでは、応用分野は主に光周波数に関するものであった。そのような電磁場の基本的な物理的特性は、光学系から無線周波数に移行され得る。実際、無線通信分野における応用についての全ての研究は、１０年を超える間、光周波数の枠内に留まっていた。見方が変わったのは、アンテナのアレイが、らせん状の波面（位相面が方位角に対して線形的に変化することを意味する）と光学系におけるラゲールガウスレーザビームと同様な複数のＯＡＭモードとを有する無線ビームを生成し得るということを研究者らが示したときだった。

【0010】

ＯＡＭ特性を備える電波を生成すべく、同心で均一な円形アンテナアレイ（ＵＣＡ）が使用されていた。ＵＣＡ内の複数のアンテナ要素には、同じ入力信号が供給されたが、各要素に位相遅延が加えられた。それにより、１回転した後、位相は２πの整数ｋ倍だけ増加させられたであろう。近接場領域において計算された場強度ダイアグラムは、近軸光学系において得られるものに非常に類似していた。この研究はまた、１つのビームにおける異なるＯＡＭ状態が、ビーム軸周りの円に沿ってｅｘｐ（－ｊｋφ）で重み付けされた複素数体のベクトルを積分することによって、どのように分解され得るかを強調した。

【0011】

したがって、ＯＡＭベースの無線送信は、同じ帯域内において同じキャリア周波数で送信するための１つの可能なスキームを提供する。当該分野の実験が、Ｔａｍｂｕｒｉｎｉらによって２０１１年ベニスで実施され［Ｆ．Ｔａｍｂｕｒｉｎｉ、Ｅ．Ｍａｒｉ、Ａ．Ｓｐｏｎｓｅｌｌｉ、Ｂ．Ｔｈｉｄｅ、Ａ．Ｂｉａｎｃｈｉｎｉ、及びＦ．Ｒｏｍａｎａｔｏ、「Ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｍａｎｙ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒａｄｉｏ ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ：ｆｉｒｓｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔ」、Ｎｅｗ Ｊ． Ｐｈｙｓ．、第１４巻、Ｉｓ．３、２０１２年３月］、同じ周波数で、２つの異なるＯＡＭ状態（ｌ＝［０，１］）に符号化された２つの非干渉性の電波を同時に送受信することが可能であることを証明した。そのため、ＯＡＭベースの電波の送信は、従来の無線通信技術と比べて、接続レベルでスペクトル効率を改善する新しい機会を提供するように見える。

【0012】

従って、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号を送信及び／又は受信するためのシステムと、関連するデバイス及び方法とを提供することが本発明の目的である。信号の生成及び受信のプロセスは、複数のパスバンド信号でも容易に実装され得る。

【0013】

軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の送信及び／又は受信のためのシステム、デバイス、及び方法が以下で手短に説明される。ＯＡＭ信号生成のプロセスは、デバイス、すなわち、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を施すモーダル変換器によって行われる。特に、ＤＦＴは、複数の高周波数パスバンド信号とでもまた使用され得る複数の結合器／分割器及び複数の位相シフタなどのアナログコンポーネントによって実装される。複数のＯＡＭ信号は送信中に生成される。

【0014】

受信において、本発明に係る同様のデバイスが、離散フーリエ逆変換（ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ ａｎｔｉ‐ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）による逆モーダル変換を受信された複数のＯＡＭ信号へ施すことを可能にし、それにより、結果的に、初めに送信された複数の電磁信号を得る。

【0015】

上記目的は、本記載の不可欠な部分である添付の特許請求の範囲に述べられた複数の特徴を有する、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号を送信及び／又は受信するためのシステム、デバイス、及び方法によって達成される。

【図面の簡単な説明】

【0016】

これより、本発明が、添付された複数の図面を参照して、非限定的な例として本明細書で提供されるその好適な実施形態のうちの一部で詳細に説明される。

【図1】本発明に係るシステムを示す。

【図2】本発明に係るシステムの受信部の変形例を示す。

【図3】本発明に係るシステムの送信部の変形例を示す。

【図4】高速フーリエ変換を施す典型的なフローグラフを示す。

【図5】図４のグラフに基づく、本発明に係るデバイスの実装例を示す。

【図6】本発明に係るデバイスの更なる実装例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１を参照すると、軌道角運動量（ＯＡＭ）を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の通信のためのシステム（１）は、上記複数のＯＡＭ信号の生成及び送信のためのシステム１Ｔと、上記複数のＯＡＭ信号の受信のためのシステム１Ｒとを備える。

【0018】

本発明に係るシステム１は、Ｎ個の送信アンテナ５とＮ個の受信アンテナ６とのアレイを使用して、それぞれが帯域幅Ｂを有するＭ個の送信チャネルＬ_０、Ｌ_１、...、Ｌ_Ｍ－１（ブロック３）を、帯域幅Ｃを有する単一の無線チャネルで多重化することを提供する。

【0019】

このようにして、使用可能な無線チャネルの（Ｍ回の）再利用が、複数の伝播経路が無い場合でさえも可能になる。加えて、使用される波の（垂直、水平、円）偏波は、チャネルの更なる再利用を可能にする更なる自由度をもたらす。

【0020】

通信システム１は、Ｍ個の入力及びＭ個の出力を備えたブロック７としてモデル化され得る。それぞれが公知の変調で動作する、最大Ｍ個の送信機ＢＢＴｘ_０．．ＢＢＴｘ_Ｍ－１（ブロック３）が上記Ｍ個の入力に接続され、同じＭ個の受信機ＢＢＲｘ_０．．ＢＢＲｘ_Ｍ－１が上記Ｍ個の出力（ブロック９）に接続される。原則として、受信機ＢＢＲｘ０は送信機ＢＢＴｘ０から送信される信号を受信し、受信機ＢＢＲｘ１は送信機ＢＢＴｘ１から送信される信号を受信する、などとなる。しかしながら、ブロック７は、欠陥及び寄生結合の影響を受けることが考えられる無線チャネル及び複数のアンテナを備えるので、上記ブロック７の伝達行列は、理想的ではない、すなわち対角行列ではない。しかし、チャネル内の異なる信号間での相互干渉があるだろう。

【0021】

伝達行列を対角化し、相互干渉をキャンセルすべく、従来技術であるＭＩＭＯ技術が使用され得る。例えば、２つの偏波（例えば、垂直及び水平）上で２つの独立したストリームを送信すべく、通常複数の「ＸＰＩＣ」（「交差偏波干渉キャンセラ（Ｃｒｏｓｓ Ｐｏｌａｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌｅｒ）」）回路が複数の無線リンクにおいて使用される。したがって、２×２ＭＩＭＯ技術が実装され、通信システムの容量を二倍にする。ＸＰＩＣキャンセラは、垂直偏波信号の水平偏波信号と干渉する成分を推定し、当該成分を水平偏波信号から差し引く。同じことが他方のストリームに対しても行われる。

【0022】

Ｎ個の送信アンテナ５は、円周上に等間隔で配置される。そのようなタイプのアンテナアレイは、－Ｎ／２＜Ａ＜Ｎ／２の角度インデックス（ａｎｇｕｌａｒ ｉｎｄｅｘ）Ａを有する複数のＯＡＭモードの生成を可能にする。

【0023】

Ｍ個のベースバンド送信機ＢＢＴｘ_０．．ＢＢＴｘ_Ｍ－１によって生成された複数の電磁信号は、それぞれが各ＯＡＭモードに割り当てられたＭ個の入力Ｌ_０、Ｌ_１、...、Ｌ_Ｍ－１に送信される。Ａ＝０モードは、古典的（ｃｌａｓｓｉｃ）な平面波に関連付けられたモードである。典型的な割り当てによると、最小の複数のインデックスを有する複数のモードが、それらは何れの場合でもよりロバストであるという理由で最初に使用され、続いてＡ＝０、１、－１、２、－２、などの漸進的により高いインデックスを有するモードが使用される。

【0024】

複数のＯＡＭモードとＮ個の送信アンテナ５に供給されるＭ個の入力電磁信号との間のマッピングは、本発明に係るデバイス１１、すなわち、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を実行するモーダル変換器ＴＭ１１によって有利に実行される。例えば、入力信号として、モーダル変換器ＴＭ１１のインデックスｈ（ここで０≦ｈ＜Ｍ）を有する入力におけるユニタリ信号を考える。当該信号は、ＤＦＴによって、複数の出力においてｅｘｐ（ｊ２πｈｋ／Ｎ)タイプ（ｋは、ＤＦＴの出力のインデックスである）の位相ランプに変換されるであろう。ＤＦＴの線形特性のおかげで、マッピングは全ての入力電磁信号Ｌ_０、Ｌ_１、...、Ｌ_Ｍ－１について同時に行われ得る。

【0025】

－Ｎ／２＜Ａ＜Ｎ／２であるので、ＤＦＴは、正の複数の出力位相ランプにおける複数の入力ｈ＝１、...、（Ｎ／２）－１、及び負の複数の出力位相ランプにおける入力ｈ＝（Ｎ／２）、...、（Ｎ－１）をマッピングする。

【0026】

特に、ユニタリ入力ｈ＝１により、Ａ＝１モードについて使用される、１周期１サイクルを有する位相ランプ、すなわちｅｘｐ（ｊ２πｋ／Ｎ）がＤＦＴ出力において得られ、ユニタリ入力ｈ＝２により、Ａ＝２モードについて使用される、１周期２サイクルを有する位相ランプｅｘｐ（ｊ２π２ｋ／Ｎ）が得られる、などとなる。ユニタリ入力ｈ＝（Ｎ－１）により、Ａ＝－１モードについて使用される、１周期１サイクルを有する負の位相ランプｅｘｐ（－ｊ２πｋ／Ｎ）が出力において得られ、ユニタリ入力ｈ＝Ｎ－２により、Ａ＝－２モードについて使用される、１周期２サイクルを有する負の位相ランプｅｘｐ（－ｊ２π２ｋ／Ｎ）が出力において得られる、などとなる。

【0027】

より良好なコンポーネントの効率及び／又は経済性のために、特に、２の整数乗である値Ｎを使用することが可能である。この選択が成された場合、ＤＦＴは、ＦＦＴ（「高速フーリエ変換」）アルゴリズムによってより効率的に実装され得る。

【0028】

「時間デシメーション」アルゴリズム及び「周波数デシメーション」アルゴリズムと呼ばれる主なＦＦＴアルゴリズムは、自然に配置された複数の入力を使用し、「ビット反転」配置（ビット反転置換）で複数の出力を提供する、又はその逆を行う。「ビット反転」配置の場合、通信システム１は、再度自然な配置を得るためのストリーム置換ブロックを備える。

【0029】

モーダル変換器ＴＭ１１の下流に、第１のＵＰＣ周波数変換器１３、すなわち「アップ変換器（Ｕｐ‐Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）」がある。（全ての信号について同期している）周波数変換器１３は、使用中の無線チャネルの周波数で複数の出力ＯＡＭ信号を得ることを可能にする。すなわち、当該変換器は、複数のＯＡＭ信号をベースバンドからパスバンドに変換する。

【0030】

周波数変換された複数のＯＡＭ信号は、Ｎ個の送信アンテナ５（ＡＴ_０、ＡＴ_１、...、ＡＴ_Ｎ－１）に送信される。そのような複数の送信アンテナ５は、任意の技術、例えば、ダイポール、八木‐宇田、ホーンなどを使用して実装され得る。接続性能を改善すべく、単一アンテナＡＴの指向性が有効に利用され得る。

【0031】

受信システム１Ｒに関しては、受信アンテナ６（ＡＲ_０、ＡＲ_１、...、ＡＲ_Ｎ－１）のアレイが使用され得る。当該受信アンテナは、送信アンテナ５と類似しており、かつ対称である。

【0032】

受信アンテナ６ ＡＲ_０、ＡＲ_１、...、ＡＲ_Ｎ－１によって、Ａ＝ｈモード（ここで－Ｎ／２＜ｈ＜Ｎ／２）のＯＡＭ波が受信される。当該受信アンテナの複数の出力において、ｅｘｐ（ｊ２πｈｋ／Ｎ)タイプの位相シフトが発生する。ここで、ｋは、複数の受信アンテナ６のインデックスである。

【0033】

複数の受信アンテナ６の下流に、本発明に係るデバイス１１と同様なデバイス１５がある。しかしながら、この場合は、デバイス１５は、逆ＤＦＴ演算（ＩＤＦＴ）を実施する逆モーダル変換器（ｉｎｖｅｒｓｅ ｍｏｄａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）ＴＭＩ１５であり、それにより、各ＯＡＭモードで送信された複数の電磁信号を、その出力Ｌ_０、Ｌ_１、...、Ｌ_Ｍ－１において選択的に元に戻す。モーダル変換器ＴＭ１１及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５の線形特性により、システム１は同時に複数のモードに対して動作し得る。

【0034】

フーリエ変換の双対性のおかげで、同じデバイス１１,１５は送信及び受信の両方で使用され得る。

【0035】

受信アンテナ６と逆モーダル変換器ＴＭＩ１５との間に第２のＤＮＣ周波数変換器１７（「ダウン変換器」）がある。当該変換器は、全てのストリームについて同期しており、その入力は、使用中の無線チャネルの周波数である。上記ＤＮＣ変換器１７は、受信された複数の電磁信号をベースバンドに戻すことができる。第２のＤＮＣ周波数変換器１７は、複数（Ｍ個）の周波数変換器を備えるのが好ましい。

【0036】

逆モーダル変換器ＴＭＩ１５とＭ個の受信機ＢＢＲｘ_０．．ＢＢＲｘ_Ｍ－１との間には、干渉キャンセラＸＩＣ１９があるのが好ましい。当該キャンセラは、その中を通過中の複数の信号の何れの相互干渉をも打ち消す、すなわち、当該キャンセラは、特定のＯＡＭモードに関連付けられた各信号から、他の複数のＯＡＭモードに関連付けられた複数の信号を除去する。換言すると、干渉キャンセラＸＩＣ１９は、「交差偏波干渉キャンセル」技術と同様の機能を実行する。

【0037】

システム１では、モーダル変換器ＴＭ１１及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５は、複数の複素ベースバンド信号、典型的にはサンプリングされた複数の複素ベースバンド信号に対して動作する。従って、システム１のアーキテクチャは、サンプリングされたデータの数値処理技術で作られた複数の送信機及び／又は複数の受信機に容易に統合され得る。

【0038】

本発明の第２の好適な実施形態では、モーダル変換器ＴＭ１１及び第１のＵＰＣ周波数変換器１３の位置が逆にされ、同じことが、受信部において第２のＤＮＣ周波数変換器１７及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５にも適用される。そのような場合においては、モーダル変換器ＴＭ１１及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５は、選択された無線チャネルの周波数で、それ故、複数のパスバンド信号で動作するであろう。このことにより、第２のＤＮＣ周波数変換器１７を完全な形で実装する必要がなくなる。

【0039】

実際、図２を参照すると、システム１は極めて多くの信号を送信するが、受信機はそれらの一部だけを選択しなくてはならず、それにより、実際には一度に１つの受信機だけが使用されれば十分である場合、第２のＤＮＣ周波数変換器１７（すなわち、前述のようにＭ個の周波数変換器を含んでいる）を完全に取り去り、それをただ１つの周波数変換器で置き換えることが可能である。当該ただ１つの周波数変換器は、受信機Ｒｘ２１に含まれ、したがって、完全な無線周波数受信機として動作するであろう。

【0040】

上記受信機Ｒｘ２１は、セレクタ２３によって逆モーダル変換器ＴＭＩ１５に接続され得、所望のｈ番目のＯＡＭモードから来る信号を選択することを可能にする。

【0041】

従って、受信機Ｒｘ２１は、任意の公知の受信装置、例えば、従来の無線テレビジョン受信機であってよい。

【0042】

受信アンテナ６は、受信機Ｒｘ２１の技術及び使用中の変調タイプとは有利に独立したものである。

【0043】

同様に、送信側でも、送信機Ｔｘ０．．ＴｘＭ－１の全てを使用する必要がない場合は、第１のＵＰＣ周波数変換器１３を取り去ることができる。

【0044】

図３を参照すると、モーダル変換器ＴＭ１１の複数の未使用の入力に、０信号が供給されている。図３は、ただ２つの送信機Ｔｘ０及びＴｘ１（ブロック３）が、モーダル変換器ＴＭ１１に直接接続され、各送信機Ｔｘ０及びＴｘ１は、それ自身の周波数変換器（「アップ変換器」）を備えているという場合を表している。

【0045】

本発明はまた、複数のＯＡＭ信号を生成するためのデバイス１１、すなわちモーダル変換器ＴＭ１１及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５に関する。

【0046】

モーダル変換器ＴＭ１１及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５の両方は、カスケード接続で配置された複数のアナログコンポーネント（ステージ）を備える。そのようなステージの合成は、サンプリングされたベースバンドデータのＦＦＴ処理手法を使用して得られる。しかしながら、本発明では、当該合成技術は非常に異なるフレーム内、すなわちアナログの、又はより正確には、複数のベースバンドデジタル信号ではなくパスバンドの無線周波数の複数の回路に、及び複数のサンプリングされた信号ではなく複数の連続信号に適用される。さらに、複数のデジタルプロセッサが使用されるので、これまでＦＦＴは、一括で、又は別々の段階での何れかで実行されている。本発明では、むしろ、複数のアナログ信号は、変換を施す複数の回路の中を連続ストリームで流れる。

【0047】

ＦＦＴアルゴリズムは、ｎ＝ｌｏｇ２（Ｎ）（ここでＮは入力数）である一連のｎ個のステージによって実装され得る。各ステージは２つのオペランドの複数の複素数の和、及び、純位相定数（ｐｕｒｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）による複数の複素数の積だけから成る。

【0048】

本発明は、パスバンドにおいてこの特性を実装するのが好ましく、それにより、モーダル変換器ＴＭ１１及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５が、無線周波数の複数の結合器／分割器及び複数の位相シフタを備えるという有用な結果を達成する。

【0049】

このことにより、使用される複数のアナログＲＦコンポーネントの性能のみによって制限されるであろう、モーダル変換器ＴＭ１１及び逆モーダル変換器ＴＭＩ１５のための広帯域幅を提供する。例えば、ミリ波用途は、数十ギガヘルツの複数の帯域幅を保証する。それは、デジタル回路では、リアルタイムには達成され得ないことである。

【0050】

図４を参照すると、４つの入力値ｘ０、ｘ１、ｘ２、ｘ３にＦＦＴを施し、４つの出力値Ｘ０、Ｘ２、Ｘ１、Ｘ３を返すフローグラフの一例を示している。出力値の順序は、「ビット反転」型の、自然な（元の）漸進的順序ではないことに注意されたい。このＦＦＴは、ｌｏｇ２（４）＝２ステージに基づいている。この位相項は以下のように定義される。

【数1】

【0051】

インデックスＮは、前述のＦＦＴ入力数であり、ｒは、古典的な「時間デシメーション」ＦＦＴアルゴリズム及び「周波数デシメーション」ＦＦＴアルゴリズムで基本の複素指数関数Ｗ_Ｎが累乗される指数である。

【0052】

図５を参照すると、図４のフローグラフが無線周波数アナログコンポーネント２５,２６,２７,３１で実装されている。無線周波数アナログコンポーネント２５,２６,２７,３１は、複数の無線周波数信号分割器２５として実装され、そこから２つの分岐が延びる複数の第１ノード２５と、複数の無線周波数信号結合器（減算器２７又は加算器２６）として実装され、その中へ２つの分岐が加えられる第２ノード２６，２７とを備える。係数－１（図４の参照符号２９）が、実際は、１８０°位相を持つ出力を有する分割器２５として、又は１８０°位相を持つ入力を有する結合器２６,２７の入力として、実装され得る。位相項

【数2】

は取り除かれる。なぜなら、これは１の乗算を表し、従って、信号は変化しないからである。

【0053】

Ｎ＝４の場合の、項

【数3】

の乗算は、純粋な－９０°の位相シフトであり、－９０°位相、又は同じく＋２７０°位相による無線周波数位相シフタ３１を用いて実装される。従って、アナログ無線周波数コンポーネント２５,２６,２７,３１は位相シフタ３１も備える。

【0054】

位相シフタ３１は、遅延線によって実装される、又は、９０°位相、さらに１８０°位相反転を得るべく構成された分割器２５の出力を使用することで、若しくは、それぞれ、９０°位相、さらに１８０°位相反転を得るべく構成された結合器２６,２７の入力を使用することで得られることが好ましい。

【0055】

Ｎ個の送信アンテナ５のケーブルを、位置の順序ではなく番号順で接続することで、値Ｘ０、Ｘ２、Ｘ１、Ｘ３を有する出力信号の並べ替えが達成される。

【0056】

他の簡易化も可能であり、依然として本発明の範囲内に含まれる。

【0057】

図６を参照し、以下で、図５に示された本発明に係るデバイス１１,１５の実装の更なる例が示される。

【0058】

図６の回路において、入力１及び入力２において、複数の信号の和（Ｓ）及び差（Ｊ）を同時に提供する結合器／分割器コンポーネント３３が導入される。このようにして、これらのコンポーネント３３の１つは、図５の回路の２つの分割器２５及び２つの結合器２６,２７を置き換える。従って、４つの結合器／分割器コンポーネント３３は、図５の回路の１６個を置き換える。

【0059】

受動的なものであれ、能動的なものであれ、複数の変換器、複数のカプラ、複数の集中定数型疑似線（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ‐ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｌｉｎｅ）などを含む様々な技術及び回路解決法を使用して、高周波数分割器２５、結合器２６,２７、位相シフタ３１、及び複数の結合器／複数の分割器３３が実装され得る。そのような技術及び解決法は、依然として本発明の着想内に含まれる。このタイプの実装においてアナログ無線周波数コンポーネント２５,２６,２７,３１,３３を使用することで、相反性に関して利点が得られる、すなわち、それらのコンポーネントが一方向に、又はその逆の方向に動作し、時間デシメーションに基づいた各ＦＦＴアルゴリズムは、周波数デシメーションに基づいたアルゴリズムである逆変換アルゴリズムに対応し、時間デシメーションに基づいた各ＦＦＴアルゴリズムについて、複数の入力及び複数の出力の交換、並びに図４のフローグラフの全ての矢印の方向の反転に対応する周波数デシメーションに基づいたＦＦＴアルゴリズムが存在するので、同じアナログコンポーネント２５,２６,２７,３１,３３は、ＩＦＦＴ（「逆高速フーリエ変換」）に対しては、逆方向に（出力の再配置を介して）再利用され得る。

【0060】

最後に、応用の観点から、本発明の、複数のＯＡＭ電磁モードを有する複数の信号の送信及び／又は受信のためのシステム、並びに関連するデバイス及び方法はまた、無線通信に加え、無線周波数からマイクロ波までの、リモートセンシングから受動的な放射測定（例えば、地球物理学的調査、化学分析のための分光法、医学診断など）にわたる複数の用途、及びその他にも使用され得る。実際、本発明は、送信の間、送信機によって放射され、デバイス１１に入力される複数の電磁信号を参照して、本明細書において説明されてきたが、複数の電磁信号はまた、更なる複数の放射体、例えば、受動的な放射測定を受ける複数の自然源から受信されてもよい。

【0061】

本発明の特徴、及びそれらの利点は上記説明から明らかである。

【0062】

本発明の第１の利点は、複数のＯＡＭ信号が離散フーリエ変換を用いて得られるということである。

【0063】

本発明の第２の利点は、システムが、極めて多くの信号の送信と、それらの一部のみの受信とを提供する場合、第２のＤＮＣ周波数変換器は、完全な形で実装される必要がないということである。

【0064】

本発明の更なる利点は、受信機Ｒｘが、任意の従来技術の受信装置、特に従来の無線テレビジョン受信機であってよいということである。

【0065】

本発明の更なる利点は、モーダル変換器ＴＭにおいていくらかの未使用の入力がある場合、送信部において第１のＵＰＣ周波数変換器を取り去ることができるということである。

【0066】

本発明の更なる利点は、モーダル変換器ＴＭ及び、逆モーダル変換器ＴＭＩのために、使用中の複数のアナログ無線周波数コンポーネントの性能のみによって制限される広帯域幅が得られるということである。

【0067】

本発明の更なる利点は、本発明が、ＦＦＴアルゴリズム及びＩＦＦＴの両方を実行すべく、同じ複数のアナログ無線周波数コンポーネントを使用するということである。

【0068】

軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号を生成及び送信するための方法は、デバイス１１によって上記複数のＯＡＭ信号を生成する段階を提供する。

【0069】

複数のＯＡＭ信号の受信のための方法は、デバイス１５によって複数のＯＡＭ信号を受信する段階と、上記デバイス１５によって複数のＯＡＭ信号に離散フーリエ逆変換を施す段階と、デバイス１５の出力において、少なくとも１つの送信機３によって送信される複数の電磁信号を得る段階とを提供する。

【0070】

当該方法はまた、特に、結合器２６及び２７、複数の分割器２５、位相シフタ３１、並びに複数の結合器／分割器コンポーネント３３において、アナログコンポーネント２５,２６,２７,３１,３３によって離散フーリエ変換及び／又は離散フーリエ逆変換を施す段階を提供する。

【0071】

例として本明細書において説明された、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の送信及び／又は受信のためのシステム、並びに関連するデバイス及び方法は、発明の概念の新規性の趣旨から逸脱することなく多数の考えられる変更を受けてよく、本発明の実際の実装においては、示された詳細が異なる形状を有し得る、又は技術的に等価な他の要素で置き換えられ得ることも明らかである。

【0072】

従って、本発明が、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の送信及び／又は受信のためのシステム、並びに関連するデバイス及び方法に限定されず、以下の特許請求の範囲において明確に規定されるような発明の概念の新規性の趣旨から逸脱することなく、等価な部分及び要素に対する多数の変形、改善、又は置換を受け得ることは容易に理解され得る。
［項目１］
軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の送信、受信、又は送受信のためのデバイスであって、上記デバイスは、その入力において少なくとも１つの送信機から複数の電磁信号を受信し、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号を生成すべく、上記複数の電磁信号に離散フーリエ変換を施す、デバイス。
［項目２］
上記デバイスは、上記複数の電磁信号に対して上記離散フーリエ変換を実施する複数のアナログコンポーネントを備えるモーダル変換器である、項目１に記載のデバイス。
［項目３］
上記複数のアナログコンポーネントは、結合器、分割器、及び位相シフタのうちの少なくとも１つを備える、項目２に記載のデバイス。
［項目４］
上記複数のアナログコンポーネントは、少なくとも１つの結合器／分割器コンポーネントを備える、項目２又は３に記載のデバイス。
［項目５］
上記複数の電磁信号は、複数の無線テレビジョン信号、又は、受動的な放射測定若しくはリモートセンシングの複数の用途のための複数の信号である、項目１から４の何れか一項に記載のデバイス。
［項目６］
軌道角運動量すなわちＯＡＭを持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の生成及び送信のためのシステムであって、
少なくとも１つの電磁信号送信機と、
上記少なくとも１つの送信機に接続された複数の送信アンテナと、
項目１から５の何れか一項に記載のデバイスと、
を備えるシステム。
［項目７］
上記デバイスの下流に配置され、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号をパスバンドに変換する第１の周波数変換器を備える、項目６に記載のシステム。
［項目８］
上記第１の周波数変換器は、上記デバイスの上流に配置される、項目７に記載のシステム。
［項目９］
複数のアナログコンポーネントが、複数のパスバンド信号で、高周波数で動作する、項目６又は８に記載のシステム。
［項目１０］
軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の受信のためのデバイスであって、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号を受信し、上記デバイスの出力において、少なくとも１つの送信機によって送信される複数の電磁信号を得るべく、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号に離散フーリエ逆変換を施す、デバイス。
［項目１１］
軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号に対して上記離散フーリエ逆変換を実施する複数のアナログコンポーネントを備える逆モーダル変換器である、項目１０に記載のデバイス。
［項目１２］
上記複数のアナログコンポーネントは、結合器、分割器、及び位相シフタのうちの少なくとも１つを備える、項目１１に記載のデバイス。
［項目１３］
上記複数のアナログコンポーネントは、少なくとも１つの結合器／分割器コンポーネントを備える、項目１１又は１２に記載のデバイス。
［項目１４］
上記複数の電磁信号は、複数の無線テレビジョン信号、又は受動的な放射測定若しくはリモートセンシングの用途のための複数の信号である、項目１０から１３の何れか一項に記載のデバイス。
［項目１５］
軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の受信のためのシステムであって、
複数の受信アンテナと、
上記複数の受信アンテナに接続された少なくとも１つの受信機と、
項目１０から１４の何れか一項に記載のデバイスとを備える、システム。
［項目１６］
上記デバイスの下流に配置され、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号をベースバンドに変換する第２の周波数変換器を備える、項目１５に記載のシステム。
［項目１７］
上記第２の周波数変換器は、上記デバイスの上流に配置されている、項目１６に記載のシステム。
［項目１８］
上記デバイスと上記少なくとも１つの受信機との間に干渉キャンセラがあり、当該干渉キャンセラは、その中を通過中の上記複数の電磁信号の何れの相互干渉をも打ち消す、項目１５から１７の何れか一項に記載のシステム。
［項目１９］
軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の送信及び受信のためのシステムであって、項目６から９の何れか一項に記載の、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の生成及び送信のためのシステムと、項目１５から１８の何れか一項に記載の、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の受信のためのシステムとを備える、システム。
［項目２０］
軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号の生成及び送信の方法であって、項目１から５の何れか一項に記載のデバイスによって、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号を生成する段階を提供する、方法。
［項目２１］
軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する複数の信号を受信する方法であって、
項目１０から１４の何れか一項に記載のデバイスによって、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号を受信する段階と、
上記デバイスによって、軌道角運動量を持つ複数の電磁モードを有する上記複数の信号に対して離散フーリエ逆変換を施す段階と、
上記デバイスの上記出力において、少なくとも１つの送信機によって送信される複数の電磁信号を得る段階とを提供する、方法。
［項目２２］
離散フーリエ変換及び離散フーリエ逆変換のうちの少なくとも１つが、複数のアナログコンポーネント、特に、複数の結合器、複数の分割器、複数の位相シフタ、及び複数の結合器／分割器コンポーネントを用いて施される、項目２０又は２１に記載の方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】