CN106130655A - 一种多模态轨道角动量复用通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模态轨道角动量复用通信系统及方法，其中所述系统包括：相互通信连接的发射装置和接收装置，其中，所述发射装置包括比特级处理模块、星座映射模块、轨道角动量调制模块、数字域轨道角动量多模态复用模块、DAC模块、上变频模块以及圆环阵列发射天线；所述接收装置包括圆环阵列接收天线、下变频模块、ADC模块、数字域轨道角动量解调及解复用模块以及检测译码模块。本发明实现了物理特征显著区别与传统平面波的涡旋电磁波多模态OAM复用通信技术，并达到了频谱效率与传输速率倍增的目的，进而进一步扩充了模态复用数提升的空间与潜力。本发明可应用于微波或毫米波频段的多模态OAM复用通信系统中。

Description

一种多模态轨道角动量复用通信系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，尤其涉及一种适用于微波与毫米波频段上的基于数字域共轴复用的多模态轨道角动量复用通信系统及方法。

背景技术

根据量子力学和麦克斯韦理论，天线辐射的电磁波具有波粒二象性，可以像运动粒子一样携带线动量与角动量。电磁波角动量包括白旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)两部分，其中，SAM与光子旋转相关，表现为电磁波的左旋或右旋圆极化，仅有( 表示约化普朗克常量)两个正交状态；OAM则与光子波函数空间分布相关，是所有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为波束具有螺旋状等相位面并且沿螺旋线传播(如图1所示)。涡旋电磁波中每个光子携带的轨道角动量，拓扑荷l取值为任意整数，不同拓扑荷l的OAM模式彼此正交。因此，拥有无穷多个正交模式的涡旋电磁波，理论上可以承载无穷多路信息同时同频的复用传输，从而提供了一种独立于时间、频率与极化之外的信息复用新自由度，进而有望成倍提升无线通信系统的容量与频谱效率。

轨道角动量复用通信理论上超高的频谱效率，使其成为解决未来通信网络频谱资源稀缺与千倍容量增长需求间矛盾的最有潜力的关键技术之一；目前已成功应用于自由空间光通信、光纤通信、可见光通信、毫米波与太赫兹通信等诸多前沿领域。

白1992年Allen等人首次试验证实了具有相位因子的拉盖尔-高斯(LG，Laguerre-Gaussian)涡旋光束可携带轨道角动量，针对OAM的研究已深入至射电天文、原子操纵、关联成像、量子通信、光学与光子学等诸多领域。近年来，研究发现涡旋电磁波的无穷多个OAM正交模式，与光子能量、频率和极化属性一样，是信息复用的独立自由度。深入挖掘OAM这一尚未充分利用的电磁波参数维度，有望大幅提高无线通信频谱效率，满足未来2-3个数量级的容量增长需求。

现有技术中，携OAM涡旋电磁波的产生方法，总体上可分为“通过模态转换”和“基于OAM天线”两类。前者多用于可见光与毫米波频段，具体包括：将平面电磁波(高斯光束)通过螺旋相位板、Q盘、柱面透镜、计算全息光栅等转换器变为涡旋电磁波(LG光束)；后者则适用于微波频段，具体包括：直接由经过特殊设计的OAM天线辐射产生，例如：均匀圆环阵列天线、赋形抛物面天线和环形谐振器天线等。上述方法共同的局限性在于：当天线或转换器的设计加工完成后，就只能产生一种或几种固定的OAM模态，而无法通过软件重新定义模态拓扑荷。

对于涡旋电磁波多个本征模态的复用，现有技术中普遍采用“大圈套小圈”的共轴传输方式。如图2(a)所示，在毫米波与可见光频段，通常采用准光学器件分束镜(即：半透半反片)将多个独立产生的单模OAM波(例如图2(a)中的信号1和信号2)在空间上叠加合成多模复用波束。基于该技术途径，2012年Wang等人提出并演示了4路OAM模态复用的光通信实验，频谱效率达到25.6bit/s/Hz；2014年Yan等人在28GHz的载波频率上同样实现了4路OAM模态共轴复用传输，频谱效率超过16bit/s/Hz。而在微波频段上，实现共轴复用的技术途径则比较单一，即，设计可同时辐射多个OAM模态的一体化天线。例如，文献“Utilization ofphoton orbital angular momentum in the low-frequency radio domain，”(B.Thide，H.Then，J.Sjoholm，et al.，Physical review letters，vol.99，no.8，Aug.2007)中提出了由偶极子组成的双圈同心圆环阵列天线可产生双模叠加的OAM电磁波(如图2(b)所示)，并完成了不含馈电网络的天线仿真验证。文献“Multiplexed millimeter wavecommunication with dual orbital angular momentum(OAM)mode antennas”(X.Hui，S.Zheng，Y.Chen，Y.Hu，et al.，Scientific Reports，5，2015)和“基于半模基片集成波导的轨道角动量模式复用天线”(陈弋凌、郑史烈、池灏、金晓峰、章献民，全国微波毫米波会议，2015)基于环形谐振腔原理设计并实现了多模OAM天线，分别在60GHz与10GHz实现多模共轴复用。然而，现有的微波段OAM复用理论与技术手段，也在一定程度上导致了模态复用数完全取决于多模天线的性能指标。

轨道角动量复用传输，在光通信领域的研究进展令人兴奋(传输速率已突破100Tbps)；然而，在无线通信系统最常使用的微波频段，该项技术尚处于理论探索与概念验证阶段，其中一个主要技术瓶颈即上述“微波频段上模态复用数受限问题”，即：为了确保OAM模态间的正交性，多路复用的涡旋电磁波通常需要调节至“共轴”(如图2(a)、(b)所示)。而将多个单模涡旋电磁波通过分束镜共轴叠加的方法，实用性与集成度较差，仅适合毫米波及更高频段。同时，当前主流的OAM多模天线(圆阵列/谐振腔/抛物面等)，则受限于阵元数及馈电网络等因素，因此，要大幅增加OAM模态复用数，技术难度与成本代价都很高。基于OAM复用的新型通信体制，在微波频段上巨大潜力的发挥，将很大程度上依赖于上述关键问题的解决。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种多模态轨道角动量复用通信系统及方法，以实现物理特征显著区别与传统平面波的涡旋电磁波的多模态OAM复用通信技术，并达到频谱效率与传输速率的倍增。

本发明之一所述的一种多模态轨道角动量复用通信系统，其包括：相互通信连接的发射装置和接收装置，其中，

所述发射装置包括：

M个比特级处理模块，用于分别对外围输入的相互独立的M路信息比特流A(n)进行处理，并生成M路编码比特流B(n)；

M个分别与所述M个比特级处理模块一一对应地连接的星座映射模块，用于分别对所述M路编码比特流B(n)进行数字调制，并生成M路调制符号流D(n)；

M个分别与所述M个星座映射模块一一对应地连接的轨道角动量调制模块，用于根据一模态定义模块提供的M个预设的OAM拓扑荷，将所述M路调制符号流D(n)转变为M路OAM激励矢量流R(n)；

一与所述M个轨道角动量调制模块连接的数字域轨道角动量多模态复用模块，用于对所述M路OAM激励矢量流R(n)进行多路复用处理，以合并产生N路并行的复用激励符号流X(n)；

2N个与所述数字域轨道角动量多模态复用模块连接的DAC模块，用于对所述N路复用激励符号流X(n)进行数模转换，并生成2N路复用模拟信号流X(t)；

N个与所述2N个DAC模块连接的上变频模块，其中每两个所述DAC模块与一个所述上变频模块连接，所述N个上变频模块用于根据第一相位同步模块提供或触发产生的第一本振信号，对所述2N路复用模拟信号流X(t)进行IQ调制，并产生N路并行的复用射频信号流Y(t)；以及

一与所述N个上变频模块连接的圆环阵列发射天线，用于接收所述N路复用射频信号流Y(t)，以发射电磁波；

所述接收装置包括：

一圆环阵列接收天线，用于接收所述圆环阵列发射天线发射的电磁波，并生成N路并行的阵元射频信号流Г(t)；

N个与所述圆环阵列接收天线连接的下变频模块，用于根据第二相位同步模块提供或触发产生的第二本振信号，分别对所述N路阵元射频信号流Г(t)进行IQ解调，其中，所述第二本振信号与所述第一本振信号一致；

2N个与所述N个下变频模块连接的ADC模块，其中，每两个所述ADC模块与一个所述下变频模块连接，所述2N个ADC模块用于对经过IQ解调的所述N路阵元射频信号流Г(t)进行模数转换，并生成N路并行的接收复用符号流Θ(n)；

一与所述2N个ADC模块连接的数字域轨道角动量解调及解复用模块，用于根据一模态控制模块提供的所述M个预设的OAM拓扑荷，对所述N路接收复用符号流Θ(n)进行OAM解调及多路解复用处理，并生成M路并行的接收基带符号流Λ(n)；以及

M个与所述数字域轨道角动量解调及解复用模块连接的检测译码模块，用于分别对所述M路接收基带符号流Λ(n)进行处理，并生成M路并行的输出信息比特流Ω(n)。

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述M路OAM激励矢量流R(n)中的第k路OAM激励矢量流R_k(n)包括N个激励矢量元素，且所述N个激励矢量元素中的第p个激励矢量元素r_k，p(n)由下式(1)表示：

$\begin{array}{c}{r}_{k,p}\left(n\right)=(d_{I,k}\left(n\right)cos\frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}-d_{Q,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\\ +j(d_{I,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}+d_{Q,k}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\end{array},$

k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N (1)；

其中，d_I，k(n)表示所述M路调制符号流D(n)中第k路调制符号流的实部的I路信号流，d_Q，k(n)表示所述M路调制符号流D(n)中第k路调制符号流的虚部的Q路信号流，l_k表示所述模态定义模块提供给第k个所述轨道角动量调制模块的预设的OAM拓扑荷。

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述N路复用激励符号流X(n)中的第p路复用激励符号流x_p(n)由下式(2)表示：

$x_p\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{r}_{k,p}\left(n\right),p=1,2,......,N---\left(2\right).$

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述M路接收基带符号流Λ(n)中的第k路接收基带符号流λ_k(n)由下式(3)表示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_k\left(n\right)={\mathrm{\λ}}_{I,k}\left(n\right)+{\mathrm{j\λ}}_{Q,k}\left(n\right)\\ =\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\]\\ +j\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[-{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\]\end{array},$

k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N (3)

其中，λ_I，k(n)表示所述第k路接收基带符号流λ_k(n)中实部的I路信号流，λ_Q，k(n)表示所述第k路接收基带符号流λ_k(n)中虚部的Q路信号流，θ_I，p(n)表示所述N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的实部的I路信号流，θ_Q，p(n)表示所述N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的虚部的Q路信号流，l_k表示所述模态控制模块提供给所述数字域轨道角动量解调及解复用模块的针对所述第k路接收基带符号流λ_k(n)的预设的OAM拓扑荷。

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述发射装置还包括：M个分别连接在各个所述星座映射模块与对应的各个所述轨道角动量调制模块之间的第一符号级处理模块，用于分别对所述M路调制符号流D(n)进行信号处理，生成M路基带符号流H(n)，并将所述M路基带符号流H(n)一一对应地传输至各个所述轨道角动量调制模块以供其处理。

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述发射装置还包括：M个分别连接在各个所述轨道角动量调制模块与所述数字域轨道角动量多模态复用模块之间的第二符号级处理模块，用于分别对所述M路OAM激励矢量流R(n)进行信号处理，生成M路基带激励矢量流S(n)，并将所述M路基带激励矢量流S(n)同时传输至所述数字域轨道角动量多模态复用模块以供其处理。

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述发射装置还包括：N个分别连接在各个所述上变频模块与所述圆环阵列发射天线之间的第一射频处理模块，用于分别对所述N路复用射频信号流Y(t)进行信号处理，并产生N路并行的阵元激励信号流Z(t)。

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述接收装置还包括：N个分别连接在所述圆环阵列接收天线与各个所述下变频模块之间的第二射频处理模块，用于分别对所述N路阵元射频信号流Г(t)进行信号处理，产生N路并行的接收射频信号流Δ(t)，并将所述N路接收射频信号流Δ(t)一一对应地传输至各个所述下变频模块以供其处理。

在上述的多模态轨道角动量复用通信系统中，所述接收装置还包括：M个分别连接在所述数字域轨道角动量解调及解复用模块与各个所述检测译码模块之间的第三符号级处理模块，用于分别对所述M路接收基带符号流Λ(n)进行信号处理，生成M路接收复数符号流Φ(n)，并将所述M路接收复数符号流Φ(n)一一对应地传输至各个所述检测译码模块以供其处理。

本发明之二所述的一种多模态轨道角动量复用通信方法，其包括以下步骤：

步骤S1，提供如权利要求1-9中任意一项所述的多模态轨道角动量复用通信系统；

步骤S2，通过所述M个比特级处理模块分别对外围输入的相互独立的M路信息比特流A(n)进行处理，并生成M路编码比特流B(n)；

步骤S3，通过所述M个星座映射模块分别对所述M路编码比特流B(n)进行数字调制，并生成M路调制符号流D(n)；

步骤S4，通过所述M个轨道角动量调制模块分别根据所述模态定义模块提供的M个预设的OAM拓扑荷将所述M路调制符号流D(n)转变为M路OAM激励矢量流R(n)；

步骤S5，通过所述数字域轨道角动量多模态复用模块对所述M路OAM激励矢量流R(n)进行多路复用处理，以合并产生N路并行的复用激励符号流X(n)；

步骤S6，通过所述2N个DAC模块对所述N路复用激励符号流X(n)进行数模转换，并生成2N路复用模拟信号流X(t)；

步骤S7，通过所述N个上变频模块根据所述第一相位同步模块提供或触发产生的第一本振信号，对所述2N路复用模拟信号流X(t)进行IQ调制，并产生N路并行的复用射频信号流Y(t)；

步骤S7，通过所述圆环阵列发射天线接收所述N路复用射频信号流Y(t)，以发射电磁波；

步骤S8，通过所述圆环阵列接收天线接收所述圆环阵列发射天线发射的电磁波，并生成N路并行的阵元射频信号流Г(t)；

步骤S9，通过所述N个下变频模块根据所述第二相位同步模块提供或触发产生的第二本振信号，分别对所述N路阵元射频信号流Г(t)进行IQ解调，其中，所述第二本振信号与所述第一本振信号一致；

步骤S10，通过所述2N个ADC模块对经过IQ解调的所述N路阵元射频信号流Г(t)进行模数转换，并生成N路并行的接收复用符号流Θ(n)；

步骤S11，通过所述数字域轨道角动量解调及解复用模块根据所述模态控制模块提供的所述M个预设的OAM拓扑荷，对所述N路接收复用符号流Θ(n)进行OAM解调及多路解复用处理，并生成M路并行的接收基带符号流Λ(n)；以及

步骤S12，通过所述M个检测译码模块分别对所述M路接收基带符号流Λ(n)进行处理，并生成M路并行的输出信息比特流Ω(n)。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明在利用传统无线通信发射机与接收机的比特级处理模块、星座映射模块、DAC/ADC模块、上/下变频模块等的基础上，新增了轨道角动量调制模块、数字域轨道角动量多模态复用模块、数字域轨道角动量解调及解复用模块、圆环阵列发射/接收天线、模式定义/控制模块以及相位同步模块等，从而通过这些新增模块的综合运用与协同工作，引入了数字域共轴OAM复用的概念，实现了物理特征显著区别与传统平面波的涡旋电磁波多模态OAM复用通信技术，并达到了频谱效率与传输速率倍增的目的，进而进一步扩充了模态复用数提升的空间与潜力。本发明可应用于微波或毫米波频段的多模态OAM复用通信系统中。

附图说明

图1是涡旋电磁波与轨道角动量(OAM)复用技术的原理示意图；

图2(a)、(b)分别是现有技术中基于准光学器件的多模复用技术和圆环阵列天线的多模复用技术的原理示意图；

图3是本发明的一种多模态轨道角动量复用通信系统中发射装置的结构框图；

图4是本发明的一种多模态轨道角动量复用通信系统中接收装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明之一，即一种多模态轨道角动量复用通信系统，包括：相互通信连接的发射装置和接收装置。

具体来说，如图3所示，发射装置包括：

M个比特级处理模块101，其用于一一对应地对外围输入的相互独立的M路信息比特流A(n)进行处理，并生成M路编码比特流B(n)，其中，M路信息比特流A(n)记作：A(n)＝[a₁(n)，a₂(n)，......，a_M(n)]，M路编码比特流B(n)记作：B(n)＝[b₁(n)，b₂(n)，......，b_M(n)]，即，第1个比特级处理模块101对第1路信息比特流a₁(n)进行处理，并生成第1路编码比特流b₁(n)；第2个比特级处理模块101对第2路信息比特流a₂(n)进行处理，并生成第2路编码比特流b₂(n)；……；第M个比特级处理模块101对第M路信息比特流a_M(n)进行处理，并生成第M路编码比特流b_M(n)；在本实施例中，比特级处理模块1可以包括：信道编码、交织、加扰、扩频等多个处理单元；

M个分别与M个比特级处理模块101一一对应地连接的星座映射模块102，其用于一一对应地对M路编码比特流B(n)进行数字调制，并生成M路调制符号流D(n)，其中，每路调制符号流包括实部的I路信号流以及虚部的Q路信号流，因此，M路调制符号流D(n)记作：D(n)＝[d_I，1(n)+jd_Q，1(n)，d_I，2(n)+jd_Q，2(n)，......，d_I，M(n)+jd_Q，M(n)]，即，第1个星座映射模块102对第1路编码比特流b₁(n)进行数字调制，并生成第1路调制符号流d_I，1(n)+jd_Q，1(n)(其中，d_I，1(n)表示第1路调制符号流中的实部的I路信号流，d_Q，1(n)表示第1路调制符号流中的虚部的Q路信号流)；第2个星座映射模块102对第2路编码比特流b₂(n)进行数字调制，并生成第2路调制符号流d_I，2(n)+jd_Q，2(n)；……；第M个星座映射模块2对第M路编码比特流b_M(n)进行数字调制，并生成第M路调制符号流d_I，M(n)+jd_Q，M(n)；

一个模态定义模块103，其用于提供M个预设的OAM拓扑荷l₁，l₂，......，l_M(这些OAM拓扑荷可以通过软件定义与控制)；

M个分别与M个星座映射模块102一一对应地连接的轨道角动量调制模块(以下称为OAM调制模块)104，其用于根据模态定义模块103提供的对应的OAM拓扑荷，一一对应地将M路调制符号流D(n)转变为M路OAM激励矢量流R(n)，其中，M路OAM激励矢量流R(n)记作：R(n)＝[R₁(n)，R₂(n)，......，R_M(n)]，且其中的第k路OAM激励矢量流R_k(n)，k＝1，2，......，M包括N个激励矢量元素r_k，p(n)，p＝1，2，......，N，即，

R_k(n)＝[r_k，1(n)，r_k，2(n)，......，r_k，p(n)，......，r_k，N(n)]，k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N，且其中的第p个激励矢量元素r_k，p(n)由下式(1)表示：

$\begin{array}{c}{r}_{k,p}\left(n\right)=(d_{I,k}\left(n\right)cos\frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}-d_{Q,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\\ +j(d_{I,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}+d_{Q,k}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\end{array},$

k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N (1)；

其中，l_k表示模态定义模块103提供给第k个OAM调制模块104的OAM拓扑荷，其用于定义第k路的OAM模态；

即，第1个OAM调制模块104将第1路调制符号流d_I，1(n)+jd_Q，1(n)转变为第1路OAM激励矢量流R₁(n)，且该第1路OAM激励矢量流R₁(n)＝[r_1，1(n)，r_1，2(n)，......，r_1，N(n)]；第2个OAM调制模块104将第2路调制符号流d_I，2(n)+jd_Q，2(n)转变为第2路OAM激励矢量流R₂(n)，且该第2路OAM激励矢量流R₂(n)＝[r_2，1(n)，r_2，2(n)，......，r_2，N(n)]；……；第M个OAM调制模块104将第M路调制符号流d_I，M(n)+jd_Q，M(n)转变为第M路OAM激励矢量流R_M(n)，且该第M路OAM激励矢量流R_M(n)＝[r_M，1(n)，r_M，2(n)，......，r_M，N(n)]；

一个同时与M个OAM调制模块104连接的数字域轨道角动量多模态复用模块105，其对M路OAM激励矢量流R(n)进行多路复用处理，以合并产生N路并行的复用激励符号流X(n)，其中，N路复用激励符号流X(n)记作：X(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，......，x_N(n)]，且其中的第p路复用激励符号流x_p(n)由下式(2)表示：

$x_p\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{r}_{k,p}\left(n\right),p=1,2,......,N---\left(2\right);$

2N个同时与数字域轨道角动量多模态复用模块105连接的DAC模块106，其用于对N路复用激励符号流X(n)进行数模转换，并生成2N路复用模拟信号流X(t)，其中，每2个DAC模块106对1路复用激励符号流的实部(I路)与虚部(Q路)分别进行数模转换，因此，2N路复用模拟信号流X(t)记作：X(t)＝[x_I，1(t)，x_Q，1(t)，x_I，2(t)，x_Q，2(t)，......，x_I，N(t)，x_Q，N(t)]，即，第1、2个DAC模块106对第1路复用激励符号流x₁(n)进行数模转换，并生成第1、2路复用模拟信号流x_I，1(t)，x_Q，1(t)；第3、4个DAC模块106对第2路复用激励符号流x₂(n)进行数模转换，并生成第3、4路复用模拟信号流x_I，2(t)，x_Q，2(t)；……；第2N-1、2N个DAC模块106对第N路复用激励符号流x_N(n)进行数模转换，并生成第2N-1、2N路复用模拟信号流x_I，N(t)，x_Q，N(t)；

N个与2N个DAC模块106连接的上变频模块107，其中每2个DAC模块106与1个上变频模块107连接，N个上变频模块107用于根据同一个第一相位同步模块108提供或触发产生的第一本振信号，对2N路复用模拟信号流X(t)进行IQ调制，并产生N路并行的复用射频信号流Y(t)，其中，N路复用射频信号流Y(t)记作：Y(t)＝[y₁(t)，y₂(t)，......，y_N(t)]；上述N个上变频模块107通过第一相位同步模块108保持各个用于混频的本振信号的相位同步，具体方法可以是：由第一相位同步模块108直接提供同一个本振信号至各个上变频模块107，从而对各路输入信号进行上变频，也可以由N个上变频模块107根据第一相位同步模块108触发产生相同的本振信号(即，使用时钟分配器来实现多个射频通道在时频与相位上的同步)；

一个同时与N个上变频模块107连接的圆环阵列发射天线109，其为由N个沿圆环等间隔排列的单元天线(也称为“阵元”)所组成的平面阵列天线，该圆环阵列发射天线109的N个单元天线一一对应地接收N路复用射频信号流Y(t)，以发射电磁波；在本实施例中，圆环阵列发射天线109的N个阵元为相似元，它们可以是微带贴片天线，也可以是喇叭天线等其它类型的天线。

另外，在本实施例中，发射装置还可以包括：

M个分别连接在各个星座映射模块102与对应的各个OAM调制模块104之间的第一符号级处理模块110，其用于一一对应地对M路调制符号流D(n)进行信号处理，生成M路基带符号流H(n)，并将该M路基带符号流H(n)一一对应地传输至M个OAM调制模块104以供其处理，其中，M路基带符号流H(n)记作：H(n)＝[h_I，1(n)+jh_Q，1(n)，h_I，2(n)+jh_Q，2(n)，......，h_I，M(n)+jh_Q，M(n)]；在本实施例中，第一符号级处理模块110可以包括：OFDM(正交频分复用)调制、加窗、成帧等多个处理单元；另外，需要注意的是，当发射装置中包括第一符号级处理模块110时，第k路OAM激励矢量流R_k(n)中的第p个激励矢量元素r_k，p(n)可以由下式(1’)表示：

$\begin{array}{c}{r}_{k,p}\left(n\right)=(h_{I,k}\left(n\right)cos\frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}-h_{Q,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\\ +j(h_{I,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}+h_{Q,k}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\end{array},$

k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N (1’)；

M个分别连接在各个OAM调制模块104与数字域轨道角动量多模态复用模块105之间的第二符号级处理模块111，其用于一一对应地对M路OAM激励矢量流R(n)进行信号处理，生成M路基带激励矢量流S(n)，并将该M路基带激励矢量流S(n)同时传输至数字域轨道角动量多模态复用模块105以供其处理，其中，M路基带激励矢量流S(n)记作：S(n)＝[S₁(n)，S₂(n)，......，S_M(n)]，且其中的第k路基带激励矢量流S_k(n)，k＝1，2，......，M包括N个基带激励矢量元素，即，S_k(n)＝[s_k，1(n)，s_k，2(n)，......，s_k，N(n)]，其中，各个基带激励矢量元素均为包含I路信号流和Q路信号流的复数符号；在本实施例中，第二符号级处理模块111可以包括：脉冲成形、数字上采样、数字滤波等多个处理单元；另外，需要注意的是，当发射装置中包括第二符号级处理模块111时，N路复用激励符号流X(n)中的第p路复用激励符号流x_p(n)可以由下式(2’)表示：

$x_p\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{s}_{k,p}\left(n\right),p=1,2,......,N---\left(2^{,}\right);$

N个分别连接在各个上变频模块107与圆环阵列发射天线109之间的第一射频处理模块112，其用于一一对应地对N路复用射频信号流Y(t)进行信号处理，并产生N路并行的阵元激励信号流Z(t)，其中，N路阵元激励信号流Z(t)记作：Z(t)＝[z₁(t)，z₂(t)，......，z_N(t)]；在本实施例中，第一射频处理模块112可以包括：非线性预处理、功率放大、模拟滤波器等多个处理单元；另外，需要注意的是，当发射装置中包括第一射频处理模块112时，将N路阵元激励信号流Z(t)作为圆环阵列发射天线109的输入信号，以分别用于激励各个阵元辐射电磁波，具体来说，第1路阵元激励信号流z₁(t)为1号阵元的激励信号，第2路阵元激励信号流z₂(t)为2号阵元的激励信号，以此类推，第N路阵元激励信号流z_N(t)为N号阵元的激励信号。考虑到圆环阵列的圆对称特性，阵元的编号的起始位置(即1号阵元)可在N个阵元中任意选择；阵元编号的增加方向可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向。

具体来说，如图4所示，接收装置包括：

一个圆环阵列接收天线201，其与圆环阵列发射天线109的结构相同，同样为由N个沿圆环等间隔排列的单元天线所组成的平面阵列天线，该圆环阵列接收天线201的N个单元天线接收圆环阵列发射天线109发射的电磁波，并生成N路并行的阵元射频信号流Г(t)，其中，N路阵元射频信号流Г(t)记作：Г(t)＝[γ₁(t)，γ₂(t)，......，γ_N(t)]；

N个同时与圆环阵列接收天线201连接的下变频模块202，其用于根据同一个第二相位同步模块203提供或触发产生的第二本振信号，一一对应地对N路阵元射频信号流Г(t)进行IQ解调，其中，第二本振信号与第一本振信号一致；上述N个下变频模块202通过第二相位同步模块203保持各个用于混频的本振信号的相位同步，具体方法可以是：由第二相位同步模块203直接提供同一个本振信号至各个下变频模块202，从而对各路输入信号进行下变频，也可以由N个下变频模块202根据第二相位同步模块203触发产生相同的本振信号(即，使用时钟分配器来实现多个射频通道在时频与相位上的同步)；

2N个与N个下变频模块202连接的ADC模块204，其中，每2个ADC模块204与1个下变频模块202连接，2N个ADC模块204用于对经过IQ解调的N路阵元射频信号流Г(t)进行模数转换，并生成N路并行的接收复用符号流Θ(n)，其中，其中，每2个ADC模块204对1路经过IQ解调的阵元射频信号流的实部(I路)与虚部(Q路)分别进行模数转换，因此，N路接收复用符号流Θ(n)记作：

Θ(n)＝[θ_I，1(n)+jθ_Q，1(n)，θ_I，2(n)+jθ_Q，2(n)，......，θ_I，N(n)+jθ_Q，N(n)]，即，第1、2个ADC模块204对第1路经过IQ解调的阵元射频信号流γ₁(t)进行模数转换，并生成第1路接收复用符号流θ_I，1(n)+jθ_Q，1(n)；第3、4个ADC模块204对第2路经过IQ解调的阵元射频信号流γ₂(t)进行模数转换，并生成第2路接收复用符号流θ_I，2(n)+jθ_Q，2(n)；……；第2N-1、2N个ADC模块204对第N路经过IQ解调的阵元射频信号流γ_N(t)进行模数转换，并生成第N路接收复用符号流θ_I，N(n)+jθ_Q，N(n)；

一个模态控制模块205，其作用与模态定义模块103相同，用于提供M个预设的OAM拓扑荷l₁，l₂，......，l_M(这些OAM拓扑荷可以通过软件定义与控制)；

一个同时与2N个ADC模块204连接的数字域轨道角动量解调及解复用模块206，其用于根据模态控制模块205提供的OAM拓扑荷，对N路接收复用符号流Θ(n)进行OAM解调及多路解复用处理，并生成M路并行的接收基带符号流Λ(n)，其中，每路接收基带符号流包括实部的I路信号流以及虚部的Q路信号流，因此，M路接收基带符号流Λ(n)记作：Λ(n)＝[λ₁(n)，λ₂(n)，......，λ_M(n)]＝[λ_I，1(n)+jλ_Q，1(n)，λ_I，2(n)+jλ_Q，2(n)，......，λ_I，M(n)+jλ_Q，M(n)]，且其中的第k路接收基带符号流λ_k(n)，k＝1，2，......，M由下式(3)表示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_k\left(n\right)={\mathrm{\λ}}_{I,k}\left(n\right)+{\mathrm{j\λ}}_{Q,k}\left(n\right)\\ =\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\]\\ +j\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[-{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\]\end{array},$

k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N (3)

其中，θ_I，p(n)表示N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的实部的I路信号流，θ_Q，p(n)表示N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的虚部的Q路信号流，l_k表示模态控制模块205提供给数字域轨道角动量解调及解复用模块206的针对第k路接收基带符号流λ_k(n)的OAM拓扑荷，其用于解调分离出第k路接收基带符号流λ_k(n)；

M个同时与数字域轨道角动量解调及解复用模块206连接的检测译码模块207，其用于一一对应地对M路接收基带符号流Λ(n)进行处理，并生成M路并行的输出信息比特流Ω(n)，其中，M路输出信息比特流Ω(n)记作：Ω(n)＝[ω₁(n)，ω₂(n)，......，ω_M(n)]，即，第1个检测译码模块207对第1路接收基带符号流λ₁(n)进行处理，并生成第1路输出信息比特流ω₁(n)；第2个检测译码模块207对第2路接收基带符号流λ₂(n)进行处理，并生成第2路输出信息比特流ω₂(n)；……；第M个检测译码模块207对第M路接收基带符号流λ_M(n)进行处理，并生成第M路输出信息比特流ω_M(n)；在本实施例中，检测译码模块207可以包括：信道均衡、纠错译码、解交织等多个处理单元。

另外，在本实施例中，接收装置还可以包括：

N个分别连接在圆环阵列接收天线201与各个下变频模块202之间的第二射频处理模块208，其用于一一对应地对N路阵元射频信号流Г(t)进行信号处理，产生N路并行的接收射频信号流Δ(t)，并将该N路接收射频信号流Δ(t)一一对应地传输至N个下变频模块202以供其处理，其中，N路接收射频信号流Δ(t)记作：Δ(t)＝[δ₁(t)，δ₂(t)，......，δ_N(t)]；在本实施例中，第二射频处理模块208可以包括：低噪声功放、模拟滤波器等多个处理单元；另外，需要注意的是，当接收装置中包括第二射频处理模块208时，N路接收复用符号流Θ(n)由N路接收射频信号流Δ(t)经过IQ解调、低通滤波和模数转换后生成；

M个分别连接在数字域轨道角动量解调及解复用模块206与各个检测译码模块207之间的第三符号级处理模块209，其用于一一对应地对M路接收基带符号流Λ(n)进行信号处理，生成M路接收复数符号流Φ(n)，并将该M路接收复数符号流Φ(n)一一对应地传输至M个检测译码模块207以供其处理，其中，M路接收复数符号流Φ(n)记作：在本实施例中，第三符号级处理模块209可以包括：OFDM解调、去循环前缀等多个处理单元。

下面对本发明之二，即，一种多模态轨道角动量复用通信方法，进行说明。该方法包括以下步骤：

步骤S1，提供如上所述的多模态轨道角动量复用通信装置；

步骤S2，通过M个比特级处理模块101分别对外围输入的相互独立的M路信息比特流A(n)进行处理，并生成M路编码比特流B(n)，其中，M路信息比特流A(n)记作：A(n)＝[a₁(n)，a₂(n)，......，a_M(n)]，M路编码比特流B(n)记作：B(n)＝[b₁(n)，b₂(n)，......，b_M(n)]

步骤S3，通过M个星座映射模块102分别对M路编码比特流B(n)进行数字调制，并生成M路调制符号流D(n)，其中，每路调制符号流包括实部的I路信号流以及虚部的Q路信号流，M路调制符号流D(n)记作：D(n)＝[d_I，1(n)+jd_Q，1(n)，d_I，2(n)+jd_Q，2(n)，......，d_I，M(n)+jd_Q，M(n)]；

步骤S4，通过M个OAM调制模块104分别根据模态定义模块103提供的M个预设的OAM拓扑荷将M路调制符号流D(n)转变为M路OAM激励矢量流R(n)，其中，M路OAM激励矢量流R(n)记作：R(n)＝[R₁(n)，R₂(n)，......，R_M(n)]，且其中的第k路OAM激励矢量流R_k(n)(k＝1，2，......，M)包括N个激励矢量元素r_k，p(n)(p＝1，2，......，N)，且其中的第p个激励矢量元素r_k，p(n)由下式(1)表示：

$\begin{array}{c}{r}_{k,p}\left(n\right)=(d_{I,k}\left(n\right)cos\frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}-d_{Q,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\\ +j(d_{I,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}+d_{Q,k}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\end{array},$

k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N (1)；

其中，l_k表示模态定义模块103提供给第k个OAM调制模块104的OAM拓扑荷；

步骤S5，通过一个数字域轨道角动量多模态复用模块105对M路OAM激励矢量流R(n)进行多路复用处理，以合并产生N路并行的复用激励符号流X(n)，其中，N路复用激励符号流X(n)记作：X(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，......，x_N(n)]，且其中的第p路复用激励符号流x_p(n)由下式(2)表示：

$x_p\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{r}_{k,p}\left(n\right),p=1,2,......,N---\left(2\right);$

步骤S6，通过2N个DAC模块106对N路复用激励符号流X(n)进行数模转换，并生成2N路复用模拟信号流X(t)，其中，每2个DAC模块106对1路复用激励符号流的实部(I路)与虚部(Q路)分别进行数模转换，2N路复用模拟信号流X(t)记作：X(t)＝[x_I，1(t)，x_Q，1(t)，x_I，2(t)，x_Q，2(t)，......，x_I，N(t)，x_Q，N(t)]；

步骤S7，通过N个上变频模块107根据同一个第一相位同步模块108提供或触发产生的第一本振信号，对2N路复用模拟信号流X(t)进行IQ调制，并产生N路并行的复用射频信号流Y(t)，其中，N路复用射频信号流Y(t)记作：Y(t)＝[y₁(t)，y₂(t)，......，y_N(t)]；

步骤S7，通过圆环阵列发射天线109的N个单元天线分别接收N路复用射频信号流Y(t)，以发射电磁波；

步骤S8，通过圆环阵列接收天线201接收圆环阵列发射天线109发射的电磁波，并生成N路并行的阵元射频信号流Г(t)，其中，N路阵元射频信号流Г(t)记作：Г(t)＝[γ₁(t)，γ₂(t)，......，γ_N(t)]；

步骤S9，通过N个下变频模块202根据同一个第二相位同步模块203提供或触发产生的第二本振信号，分别对N路阵元射频信号流Г(t)进行IQ解调，其中，第二本振信号与第一本振信号一致；

步骤S10，通过2N个ADC模块204对经过IQ解调的N路阵元射频信号流Г(t)进行模数转换，并生成N路并行的接收复用符号流Θ(n)，其中，每2个ADC模块204对1路经过IQ解调的阵元射频信号流的实部(I路)与虚部(Q路)分别进行模数转换，N路接收复用符号流Θ(n)记作：Θ(n)＝[θ_I，1(n)+jθ_Q，1(n)，θ_I，2(n)+jθ_Q，2(n)，......，θ_I，N(n)+jθ_Q，N(n)]；

步骤S11，通过数字域轨道角动量解调及解复用模块206根据模态控制模块205提供的M个预设的OAM拓扑荷，对N路接收复用符号流Θ(n)进行OAM解调及多路解复用处理，并生成M路并行的接收基带符号流Λ(n)，其中，每路接收基带符号流包括实部的I路信号流以及虚部的Q路信号流，M路接收基带符号流Λ(n)记作：Λ(n)＝[λ₁(n)，λ₂(n)，......，λ_M(n)]＝[λ_I，1(n)+jλ_Q，1(n)，λ_I，2(n)+jλ_Q，2(n)，......，λ_I，M(n)+jλ_Q，M(n)]，且其中的第k路接收基带符号流λ_k(n)(k＝1，2，......，M)由下式(3)表示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_k\left(n\right)={\mathrm{\λ}}_{I,k}\left(n\right)+{\mathrm{j\λ}}_{Q,k}\left(n\right)\\ =\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\]\\ +j\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[-{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\]\end{array},$

k＝1，2，......，M，p＝1，2，......，N (3)

其中，θ_I，p(n)表示N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的实部的I路信号流，θ_Q，p(n)表示N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的虚部的Q路信号流，l_k表示模态控制模块205提供给数字域轨道角动量解调及解复用模块206的针对第k路接收基带符号流λ_k(n)的OAM拓扑荷；

步骤S12，通过M个检测译码模块207分别对M路接收基带符号流Λ(n)进行处理，并生成M路并行的输出信息比特流Ω(n)，其中，M路输出信息比特流Ω(n)记作：Ω(n)＝[ω₁(n)，ω₂(n)，......，ω_M(n)]。

在本实施例中，上述方法还包括：

在执行步骤S4之前，通过M个第一符号级处理模块110分别对M路编码比特流B(n)进行信号处理，生成M路基带符号流H(n)，并将该M路基带符号流H(n)一一对应地传输至M个OAM调制模块104以供其处理，其中，M路基带符号流H(n)记作：H(n)＝[h_I，1(n)+jh_Q，1(n)，h_I，2(n)+jh_Q，2(n)，......，h_I，M(n)+jh_Q，M(n)]；

在执行步骤S5之前，通过M个第二符号级处理模块111分别对M路OAM激励矢量流R(n)进行处理，生成M路基带激励矢量流S(n)，并将该M路基带激励矢量流S(n)同时传输至数字域轨道角动量多模态复用模块105以供其处理，其中，M路基带激励矢量流S(n)记作：S(n)＝[S₁(n)，S₂(n)，......，S_M(n)]；

在执行步骤S7之前，通过N个第一射频处理模块112分别对N路复用射频信号流Y(t)进行信号处理，并产生N路并行的阵元激励信号流Z(t)，其中，N路阵元激励信号流Z(t)记作：Z(t)＝[z₁(t)，z₂(t)，......，z_N(t)]；

在执行步骤S9之前，通过N个第二射频处理模块208分别对N路阵元射频信号流Г(t)进行信号处理，并产生N路并行的接收射频信号流Δ(t)，并将该N路接收射频信号流Δ(t)一一对应地传输至N个下变频模块202以供其处理，其中，N路接收射频信号流Δ(t)记作：Δ(t)＝[δ₁(t)，δ₂(t)，......，δ_N(t)]；

在执行步骤S12之前，通过M个第三符号级处理模块209分别对M路接收基带符号流Λ(n)进行信号处理，生成M路接收复数符号流Φ(n)，并将该M路接收复数符号流Φ(n)一一对应地传输至M个检测译码模块207以供其处理，其中，M路接收复数符号流Φ(n)记作：

综上所述，本发明可应用在微波与毫米波频段的轨道角动量复用通信系统中，实现了涡旋电磁波OAM模态的软件定义、数字化OAM调制与解调、多模态OAM通信的数字域复用与解复用，解决了当前微波与毫米波频段轨道角动量复用通信严重依赖于专用天线与准光学器件的问题，能够极大的提升OAM模态复用数目以及通信频谱效率。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述系统包括：相互通信连接的发射装置和接收装置，其中，

所述发射装置包括：

M个比特级处理模块，用于分别对外围输入的相互独立的M路信息比特流A(n)进行处理，并生成M路编码比特流B(n)；

M个分别与所述M个比特级处理模块一一对应地连接的星座映射模块，用于分别对所述M路编码比特流B(n)进行数字调制，并生成M路调制符号流D(n)；

M个分别与所述M个星座映射模块一一对应地连接的轨道角动量调制模块，用于根据一模态定义模块提供的M个预设的OAM拓扑荷，将所述M路调制符号流D(n)转变为M路OAM激励矢量流R(n)；

一与所述M个轨道角动量调制模块连接的数字域轨道角动量多模态复用模块，用于对所述M路OAM激励矢量流R(n)进行多路复用处理，以合并产生N路并行的复用激励符号流X(n)；

2N个与所述数字域轨道角动量多模态复用模块连接的DAC模块，用于对所述N路复用激励符号流X(n)进行数模转换，并生成2N路复用模拟信号流X(t)；

N个与所述2N个DAC模块连接的上变频模块，其中每两个所述DAC模块与一个所述上变频模块连接，所述N个上变频模块用于根据第一相位同步模块提供或触发产生的第一本振信号，对所述2N路复用模拟信号流X(t)进行IQ调制，并产生N路并行的复用射频信号流Y(t)；以及

一与所述N个上变频模块连接的圆环阵列发射天线，用于接收所述N路复用射频信号流Y(t)，以发射电磁波；

所述接收装置包括：

一圆环阵列接收天线，用于接收所述圆环阵列发射天线发射的电磁波，并生成N路并行的阵元射频信号流Γ(t)；

N个与所述圆环阵列接收天线连接的下变频模块，用于根据第二相位同步模块提供或触发产生的第二本振信号，分别对所述N路阵元射频信号流Γ(t)进行IQ解调，其中，所述第二本振信号与所述第一本振信号一致；

2N个与所述N个下变频模块连接的ADC模块，其中，每两个所述ADC模块与一个所述下变频模块连接，所述2N个ADC模块用于对经过IQ解调的所述N路阵元射频信号流Γ(t)进行模数转换，并生成N路并行的接收复用符号流Θ(n)；

一与所述2N个ADC模块连接的数字域轨道角动量解调及解复用模块，用于根据一模态控制模块提供的所述M个预设的OAM拓扑荷，对所述N路接收复用符号流Θ(n)进行OAM解调及多路解复用处理，并生成M路并行的接收基带符号流Λ(n)；以及

M个与所述数字域轨道角动量解调及解复用模块连接的检测译码模块，用于分别对所述M路接收基带符号流Λ(n)进行处理，并生成M路并行的输出信息比特流Ω(n)。

2.根据权利要求1所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述M路OAM激励矢量流R(n)中的第k路OAM激励矢量流R_k(n)包括N个激励矢量元素，且所述N个激励矢量元素中的第p个激励矢量元素r_k,p(n)由下式(1)表示：

$\begin{array}{c}{r}_{k,p}\left(n\right)=(d_{I,k}\left(n\right)cos\frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}-d_{Q,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N})\\ +j(d_{I,k}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}+d_{Q,k}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k(p-1)}{N}),\\ k=1,2,\mathrm{......},M,p=1,2,\mathrm{......},N\end{array}---\left(1\right);$

其中，d_I,k(n)表示所述M路调制符号流D(n)中第k路调制符号流的实部的I路信号流，d_Q,k(n)表示所述M路调制符号流D(n)中第k路调制符号流的虚部的Q路信号流，l_k表示所述模态定义模块提供给第k个所述轨道角动量调制模块的预设的OAM拓扑荷。

3.根据权利要求2所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述N路复用激励符号流X(n)中的第p路复用激励符号流x_p(n)由下式(2)表示：

$x_p\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{r}_{k,p}\left(n\right),p=1,2,......,N---\left(2\right).$

4.根据权利要求1所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述M路接收基带符号流Λ(n)中的第k路接收基带符号流λ_k(n)由下式(3)表示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_k\left(n\right)={\mathrm{\λ}}_{I,k}\left(n\right)+{\mathrm{j\λ}}_{Q,k}\left(n\right)\\ =\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\]\\ +j\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}\[-{\mathrm{\θ}}_{I,p}\left(n\right)\sin \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}+{\mathrm{\θ}}_{Q,p}\left(n\right)\cos \frac{2{\mathrm{\πl}}_k\left(p-1\right)}{N}\],\\ k=1,2,\mathrm{......},M,p=1,2,\mathrm{......},N\end{array}---\left(3\right)$

其中，λ_I,k(n)表示所述第k路接收基带符号流λ_k(n)中实部的I路信号流，λ_Q,k(n)表示所述第k路接收基带符号流λ_k(n)中虚部的Q路信号流，θ_I,p(n)表示所述N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的实部的I路信号流，θ_Q,p(n)表示所述N路接收复用符号流Θ(n)中的第p路接收复用符号流θ_p(n)的虚部的Q路信号流，l_k表示所述模态控制模块提供给所述数字域轨道角动量解调及解复用模块的针对所述第k路接收基带符号流λ_k(n)的预设的OAM拓扑荷。

5.根据权利要求1所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述发射装置还包括：M个分别连接在各个所述星座映射模块与对应的各个所述轨道角动量调制模块之间的第一符号级处理模块，用于分别对所述M路调制符号流D(n)进行信号处理，生成M路基带符号流H(n)，并将所述M路基带符号流H(n)一一对应地传输至各个所述轨道角动量调制模块以供其处理。

6.根据权利要求1所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述发射装置还包括：M个分别连接在各个所述轨道角动量调制模块与所述数字域轨道角动量多模态复用模块之间的第二符号级处理模块，用于分别对所述M路OAM激励矢量流R(n)进行信号处理，生成M路基带激励矢量流S(n)，并将所述M路基带激励矢量流S(n)同时传输至所述数字域轨道角动量多模态复用模块以供其处理。

7.根据权利要求1所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述发射装置还包括：N个分别连接在各个所述上变频模块与所述圆环阵列发射天线之间的第一射频处理模块，用于分别对所述N路复用射频信号流Y(t)进行信号处理，并产生N路并行的阵元激励信号流Z(t)。

8.根据权利要求1所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述接收装置还包括：N个分别连接在所述圆环阵列接收天线与各个所述下变频模块之间的第二射频处理模块，用于分别对所述N路阵元射频信号流Γ(t)进行信号处理，产生N路并行的接收射频信号流Δ(t)，并将所述N路接收射频信号流Δ(t)一一对应地传输至各个所述下变频模块以供其处理。

9.根据权利要求1所述的多模态轨道角动量复用通信系统，其特征在于，所述接收装置还包括：M个分别连接在所述数字域轨道角动量解调及解复用模块与各个所述检测译码模块之间的第三符号级处理模块，用于分别对所述M路接收基带符号流Λ(n)进行信号处理，生成M路接收复数符号流Φ(n)，并将所述M路接收复数符号流Φ(n)一一对应地传输至各个所述检测译码模块以供其处理。

10.一种多模态轨道角动量复用通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，提供如权利要求1-9中任意一项所述的多模态轨道角动量复用通信系统；

步骤S2，通过所述M个比特级处理模块分别对外围输入的相互独立的M路信息比特流A(n)进行处理，并生成M路编码比特流B(n)；

步骤S3，通过所述M个星座映射模块分别对所述M路编码比特流B(n)进行数字调制，并生成M路调制符号流D(n)；

步骤S4，通过所述M个轨道角动量调制模块分别根据所述模态定义模块提供的M个预设的OAM拓扑荷将所述M路调制符号流D(n)转变为M路OAM激励矢量流R(n)；

步骤S5，通过所述数字域轨道角动量多模态复用模块对所述M路OAM激励矢量流R(n)进行多路复用处理，以合并产生N路并行的复用激励符号流X(n)；

步骤S6，通过所述2N个DAC模块对所述N路复用激励符号流X(n)进行数模转换，并生成2N路复用模拟信号流X(t)；

步骤S7，通过所述N个上变频模块根据所述第一相位同步模块提供或触发产生的第一本振信号，对所述2N路复用模拟信号流X(t)进行IQ调制，并产生N路并行的复用射频信号流Y(t)；

步骤S7，通过所述圆环阵列发射天线接收所述N路复用射频信号流Y(t)，以发射电磁波；

步骤S8，通过所述圆环阵列接收天线接收所述圆环阵列发射天线发射的电磁波，并生成N路并行的阵元射频信号流Γ(t)；

步骤S9，通过所述N个下变频模块根据所述第二相位同步模块提供或触发产生的第二本振信号，分别对所述N路阵元射频信号流Γ(t)进行IQ解调，其中，所述第二本振信号与所述第一本振信号一致；

步骤S10，通过所述2N个ADC模块对经过IQ解调的所述N路阵元射频信号流Γ(t)进行模数转换，并生成N路并行的接收复用符号流Θ(n)；

步骤S11，通过所述数字域轨道角动量解调及解复用模块根据所述模态控制模块提供的所述M个预设的OAM拓扑荷，对所述N路接收复用符号流Θ(n)进行OAM解调及多路解复用处理，并生成M路并行的接收基带符号流Λ(n)；以及

步骤S12，通过所述M个检测译码模块分别对所述M路接收基带符号流Λ(n)进行处理，并生成M路并行的输出信息比特流Ω(n)。