CN110445742A - 轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及通信方法，系统包括编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块、发射天线模块、复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块。编码调制模块使比特与星座点建立映射；任意波形发生模块生成加载数据信息的OAM载波；发射端射频链路模块对OAM射频发射信号进行放大滤波；发射天线模块将OAM射频发射信号辐射传输。复合角汇聚透镜模块通过螺旋相位板对OAM射频发射信号进行相位调整，通过嵌套的汇聚透镜将平面波束汇聚到不同焦点上，从而分离各路OAM信道。本发明降低接收天线阵列的成本，减少各路OAM信道间的串扰，改善误码性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线电磁波通信技术领域，特别涉及轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及方法。
背景技术
电磁波轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是电磁波固有属性，也是区别于传统的电磁波电场强度之外的另外一个重要物理量。具有OAM的电磁波又被称为“涡旋电磁波”，相位面与传播方向不垂直，呈现螺旋状分布。通常采用的常规平面波相位面与传播方向垂直，因此不具有OAM。具有OAM的电磁波与常规平面电磁波有着显著的不同，它让人们能够从一个新的维度去开发电磁波，在应用电磁波进行信息传输和目标探测领域都具有重大的价值。
多输入多输出(MIMO)传输形式的多路复用是现代无线通信系统物理层的一个重要实现方式，近年来，研究人员开始探索使用轨道角动量(OAM)的基于MIMO的替代复用方案，即模态分割复用(Modes Division Multiplexing，MDM)。根据电动力学的理论，OAM是电磁波的一种固有的物理属性，统计态OAM与电磁波的场空间分布有关，可以用来产生重叠但正交的涡旋波束，可以用于实现多组发射数据同时同频通信的目的，从而大大提高通信系统的频谱效率。OAM是一种相对较新的无线通信模态，越来越受到潜在的短程视距(LOS)应用的关注，例如高带宽蜂窝回程通信和数据中心内计算机集群之间的互连，这在移动通信和导航探测领域都可能具有重要意义。
为了生成带有OAM的电磁波束，2010年Mohammadi等人提出了均匀圆形阵列(UCA)的方式，天线单元在圆环上均匀分布，并且每个单元馈相的相位差为2πl/N，其中N是UCA中的天线单元数，l是产生的OAM模态数。接下来的研究更加突出了OAM-MDM系统的诱人优势，采用更加多样化的收发器设计，在理想条件下可以完全消除不同模态信道间干扰(InterChannel interference，ICI)。更具体地说，不同OAM模态之间的复用和解复用过程可以通过无源射频设备的移相网络来实现，因此，OAM-MDM方案避免了传统MIMO系统额外的后处理开销。换句话说，虽然传统的MIMO系统依靠复杂的数字信号处理来实现空间复用/解复用，但OAM方案能够提供更简单的硬件系统实现方案。
虽然OAM的模态复用避免了传统MIMO系统在抑制ICI方面的信号处理复杂度，而且由于OAM是电磁波固有的物理维度，不同模态之间具有天然的隔离特性，因此理论上能够有效避免ICI的产生。然而，在实际系统中实现不同OAM模态解复用的，传统的UCA天线阵列需要连接大规模的移项网络，这通常是在射频段采用T/R组件来完成的，而射频T/R组件造价昂贵，极大地提高了OAM-MDM通信系统的硬件实现成本，限制了其在实际应用场景中的推广使用。从另一方面来说，携带OAM的电磁波束具有倒锥状的波束形状，能量主要分布在圆环状的主波束内，而随着传输距离的增加，由于波束发散角的存在，能量也逐渐发散，这对于OAM-MDM通信系统的实现带来的极大地困难。2012年，F，Tamburini等人第一次实现了442m长距离OAM点对点传输实验，证明OAM具有长距离复用传输提高通信系统频谱效率的潜力。2016年12月，清华大学航空宇航电子系统实验室完成了27.5公里长距离传输实验，2018年，该课题组进一步将机载传输距离扩展到了172公里，并最终实现了四路四模态OAM复用传输。但是在以上研究中，OAM电磁波的能量发散问题依然存在，这导致只能在部分相位面上对不同模态进行解复用操作，此时在部分相位面上OAM模态已经不再正交，这就带来了串扰问题，从而限制了OAM-MDM系统的传输速率。
为了解决以上问题，本专利提出一种轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信系统及方法。充分利用不同OAM模态的不同发散角，在接收端首先对不同OAM模态进行解旋操作，使其变为平面波束，然后采用不同焦距的透镜将解旋后的不同OAM波束汇聚到沿传输方向的不同位置上。透镜可以采用传统的电磁透镜，也可以是超材料表面设计的电磁透镜，而复用传输的OAM电磁波也不限于低频微波电磁波，也可以是激光等高频率电磁波。在透镜之后，经过汇聚作用，不同OAM波束会沿传输方向能量汇集到不同的空间区域，只需要在不同空间区域安装相同的接收装置，即可将不同OAM模态携带的不同信息分别接收下来，进而实现多个OAM模态的解复用分离。本专利提出的OAM电磁波汇聚和纵向解复用传输系统可以省略传统的电磁移相网络，直接在接收端对不同OAM模态进行解复用操作，并且实现了波束能量的汇集，可以大大提高接收信号的信噪比。另外，由于不同OAM模态的波束被汇聚到不同的空间位置，可以方便地实现信息的分离解调，从而在物理层有效地避免了模态间串扰的产生，从而极大地方便了OAM-MDM通信模态在现实应用中的推广和实现。
发明内容
本发明旨至少在一定程度上解决背景中所述的多模态OAM电磁波在MDM通信模态下的波束能量发散与解复用模态间串扰问题。
为此，本发明的目的在于提出了一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统。该系统能够降低解不同OAM模态复用传输过程中的串扰，并且通过能量汇聚提高接收端信噪比，同时减少射频硬件系统的开销。
为达到上述目的，本发明实施例提出的轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信系统，包括信号发生子系统和信号接收子系统，信号发生子系统包括依次连接的编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块和发射天线模块，其中，
编码调制模块用于将输入的比特信息经过幅相调制形成星座点，使比特信息与星座点之间建立映射关系；
任意波形发生模块用于生成多路独立的载波信号，对每一路载波信号进行移相操作，从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的、对应不同OAM模态的OAM载波信号，并将星座点信息加载到各OAM载波信号上；
发射端射频链路模块用于对加载了星座点信息的OAM载波信号进行上变频、滤波和功率放大操作，形成OAM射频发射信号，然后将OAM射频发射信号馈送给发射天线模块；
发射天线模块用于把加载了星座点信息的各路OAM射频发射信号辐射到自由空间中传输，形成共轴传输的复用通信波束，
信号接收子系统包括依次连接的复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块，其中，
复合角汇聚透镜模块包括用于OAM调相的螺旋相位板和汇聚透镜，螺旋相位板用于对共轴传输的多路OAM射频发射信号进行相位面调整操作，从而形成平面波束，然后通过不同焦距的汇聚透镜将所述平面波束汇聚到传输主轴方向的不同的焦点上；
接收天线模块包括多个接收天线子模块，各接收天线子模块分别放置在所述不同的焦点上，用于接收采集多路被汇聚透镜分离到不同焦点的OAM射频发射信号；
接收端射频链路模块，用于将所述OAM射频发射信号放大和滤波，并将OAM射频发射信号下变频后进行滤波采样，并输入给数据解调输出模块；
数据解调输出模块，用于将不同OAM载波信号所传输的不同幅相星座点信息解调出所述输入的比特信息。
优选地，发射端射频链路模块是多通道并行结构，发射端射频链路模块每一路通道都包括了混频器、滤波器、放大器，并且所有通道之间共用同一个本振源提供参考时钟信号，使得所有并行通道之间相位同步。
优选地，发射天线模块是阵列天线、谐振腔和超材料天线中的一种或多种，所述阵列天线是环形阵列；
所述接收天线子模块是天线阵子，或谐振腔；
所述接收端射频链路模块包括前置滤波器、放大器、混频器、后置滤波器。
优选地，针对多个OAM模态，选择高密度聚乙烯、聚丙烯、TPX中任一种或多种材料制作对应于多种OAM模态的复合角汇聚透镜模块。
优选地，所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
优选地，复合角汇聚透镜模块包括沿径向依次设置的多层呈圆环状嵌套的螺旋相位板以及与各圆环位置对应的、位于螺旋相位板的远离发射天线模块一侧的汇聚透镜，且各汇聚透镜的焦距不同。
优选地，所述复合角汇聚透镜模块设置在发射端或接收端。
优选地，通过螺旋相位板、特定反射面天线、特定馈源天线、相控阵天线、空间光调制器、衍射光栅和超材料中的一种或多种产生不同模态OAM载波信号。
本发明还提供一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信方法，包括以下步骤：
比特信息经过幅相调制映射成为所需传输的不同星座点；
生成多路独立的载波信号，对每一路载波信号进行移相操作从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的、对应不同OAM模态的OAM载波信号，并将星座点信息加载到各路OAM载波信号上；
加载了星座点信息的OAM载波信号上变频为OAM射频发射信号，经过放大滤波后传输到接收端；
对OAM射频发射信号进行相位面调整操作，从而形成平面波束，通过汇聚透镜将不同OAM模态进行相位面调整操作后得到的平面波束汇聚到传输主轴方向的不同焦点上，通过设置在不同焦点上的接收天线接收采集被汇聚透镜分离到不同焦点的OAM射频发射信号；
将OAM射频发射信号滤波、放大、下变频操作，并解调恢复出各个星座点对应的所述比特信息。
优选地，为校正射频链路延迟误差，通过任意波形发生模块在发射端射频链路模块进行与延迟误差的相位对应的相位补偿，并在接收端射频链路模块通过示波器进行测试输出所述OAM射频发射信号，从而调整误差相位。
本发明提出的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及通信方法不仅可以减少接收端天线的横向尺寸，降低了传统大规模接收天线阵列的硬件开销，而且减少了模态间的串扰，从而改善误码性能，同时，由于不同模态信号汇聚在不同空间位置，为多址接入和索引调制等应用提供了方便有效的实现方式。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明实施例的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统的整体架构示意图；
图2为本发明实施例的比特信息传输和能量汇聚的示意图；
图3为本发明第一实例的均匀环状阵列(UCA)的天线设计结构示意图；
图4为本发明第二实例的复合角汇聚透镜模块结构示意图；
图5为本发明实施例的多路复用OAM电磁波传输时误码率测试实验结果；
图6表示本发明实施例的轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及通信方法的实施例。本领域的传统技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
如图1所示，轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统10包括信号发生子系统100和信号接收子系统200。其中，信号发生子系统100包括编码调制模块101，任意波形发生模块102、发射端射频链路模块103和发射天线模块104；信号接收子系统200包括复合角汇聚透镜模块201、接收天线模块202、接收端射频链路模块203和数据解调输出模块204。下面分别说明各子系统的构成。
1.信号发生子系统
(1)编码调制模块101：具有映射幅相调制星座点的功能，用于将输入的用户比特经过幅相调制形成星座点，使用户比特信息与星座点之间建立一一映射关系；
(2)任意波形发生模块102：可以生成多路独立的中频信号，每一路中频信号都可以单独调制相位形成OAM信号，并加载相同或者不同的调制数据。具体说，是对每一路中频信号进行相位调整从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的OAM中频信号。因为中频信号处理元件价格低廉，并且相位延迟处理易于实现，任意波形发生模块可以产生任意调制方式的多路不同相位延迟的OAM中频信号，并将星座点信息加载到各OAM中频信号上。
(3)发射端射频链路模块103：包括依次连接的混频器、滤波器、功率放大器，可以对任意波形发生模块102产生的OAM中频信号进行上变频、滤波和功率放大等操作，形成OAM射频信号，然后将多路不同相位延迟的OAM射频信号馈送给发射天线模块；
(4)发射天线模块104：可以由阵列天线组成，也可以由螺旋相位板或者谐振腔组成，用于把加载了星座点信息的各路OAM射频信号辐射到自由空间中传输。
2.信号接收子系统
(1)复合角汇聚透镜模块201：包括螺旋相位板和汇聚透镜，螺旋相位板可以对共轴传输的多路OAM射频信号进行解旋操作，形成平面波束，然后通过汇聚透镜，将不同OAM模态解旋后的平面波束汇聚到传输主轴方向的不同焦点上，因为汇聚透镜的焦距和尺寸不同，所以汇聚焦点的空间位置也不一样，这样就沿传输方向形成了多个能量汇聚的焦点，不同焦点互不重叠，各焦点之间由于载波干涉形成能量零陷，从而自然分离了各路不同的模态的OAM数据；
(2)接收天线模块202：包括多个接收天线子模块，接收天线子模块可以是阵子天线或者谐振腔构成，不同阵子天线或者谐振腔放置在不同能量汇聚的焦点上，用于接收采集多路分离的OAM射频信号；
(3)接收端射频链路模块203：用于将所述OAM射频信号放大和滤波，并将OAM射频信号下变频为OAM中频信号，然后变频后的不同的OAM中频信号独立地输入给数据解调输出模块204进行输入信息的解调和恢复输出；
(4)数据解调输出模块204：用于检测分离出的不同OAM模态所传输的不同幅相星座点信息，经过解调后获得用户传输的原始比特数据。
整个多模态OAM电磁波共轴汇聚和纵向接收解复用传输系统的信号处理工作流程如下：如图1所示，用户的比特信息数据首先经过编码调制模块101后，映射成为所需传输的不同的星座点，进一步再经过任意波形发生模块102加载中频载波，并且进行相位加权形成不同模态的OAM中频信号，并将星座点信息加载到各OAM中频信号上。OAM中频信号经过射频链路模块103上变频到射频段，经过放大滤波后经发射天线子系统传输到接收端。在信号接收子系统200中，调制数据的多路复用OAM射频信号首先通过复合角汇聚透镜模块201，复合角汇聚透镜模块201对共轴传输的多路复用OAM射频信号进行解旋操作，形成平面波束，紧接着通过汇聚透镜，将不同OAM模态解旋后的平面波束汇聚到传输主轴方向的不同焦点上，因为汇聚透镜的焦距和尺寸不同，所以汇聚焦点的空间位置也不一样，这样就在模块后方沿传输方向形成了多个能量汇聚的焦点，不同焦点互不重叠，不同焦点之间由于载波干涉形成能量零陷，从而自然分离了各路不同模态的OAM数据；在不同能量汇聚焦点上分别设置独立的接收天线子模块，用于接收采集多路分离的OAM信号；被多个接收天线子模块接收的OAM数据经过接收端射频链路模块203滤波放大后，下变频到数据解调输出模块204，解调恢复各个星座点对应的数据比特，从而恢复出发射端复用传输的各路独立的用户数据。
另外，根据本发明上述实施例的轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信系统还可以具有以下附加的技术特征：
在本发明的一个可选实施例中，图2所述电磁波可以包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，复合角汇聚透镜模块201的制作材料包括高密度聚乙烯、聚丙烯、TPX(聚4-甲基戊烯-1)等常用电磁波材料中的一种或多种。例如，可以用HDPE(高密度聚乙烯)材料制作复合角汇聚透镜模块201。
复合角汇聚透镜模块201可以实现多个OAM模态的解复用和能量汇聚，在本发明的一个可选实施例中，图4显示了一种能够接收两种OAM模态的复合角汇聚透镜模块201的结构示意图，沿坐标轴X方向是传输主轴方向，沿Y轴方向是径向。图4中f1和f2分别表示不同透镜的焦距。沿径向内侧为模态数为0的OAM螺旋相位板螺旋相位板3，背后采用模态数为0的汇聚电磁透镜31。外圈为模态数为1的螺旋相位板2，背后是模态数为1的汇聚电磁透镜21。其中，螺旋相位板和汇聚电磁透镜可以是共形加工的。其中，模态数为0的汇聚电磁透镜11与模态数为1的汇聚电磁透镜21的焦距不同。两个对应模态的OAM电磁波由于波束发散角不同，经过半径不同的螺旋相位板解旋后，形成的平面波马上通过电磁透镜能量汇聚在透镜的焦点位置，由于两个电磁透镜的焦距不同，沿传输轴向方向会形成两个能量汇聚的焦点。对于两个模态以上，则沿径向向外侧继续设置螺旋相位板和对应的汇聚电磁透镜，且汇聚电磁透镜的焦距设置为不同即可。
进一步地，设计解复用螺旋相位板的螺旋高度差Δh(表示相位板上的最薄位置与最厚位置之间的距离差)与OAM模态数ln、电磁波的频率λ以及所用电磁透射材料对电磁波的折射率有关，具体可以通过公式(1)计算得到：
其中，ν表示材料的折射率。为了能同时对不同模态的OAM电磁波进行解复用和能量汇聚两步操作，可以将螺旋相位板和汇聚透镜合并在一起，形成复合角汇聚透镜模块201。
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，图4所示的对电磁波能量起到汇聚作用的汇聚透镜可以是光学透镜、电磁透镜或者超材料表面透镜中的一种或几种。
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，图1所示的接收OAM电磁波的发射天线模块104可以是阵列天线、谐振腔或者其他超材料天线，并且数量至少为一个。阵列天线可以是如图3所示的环形阵列。发射天线模块104是对任意模态的通用设计形式，在此不做详述。如果组成多模态环状天线的半径不同，产生的不同OAM可以有相同的或者不同的射频波束发散角。
进一步地，在一个可选实施例中，图1所示的不同模态OAM电磁波的产生方式是螺旋相位板、特定反射面天线、特定馈源天线、相控阵天线、空间光调制器、衍射光栅和超材料中的一种或多种。
本发明还提供一种轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信方法，包括以下步骤：
S1，比特信息数据经过幅相调制映射成为所需传输的不同星座点；
S2，生成多路独立的载波信号，对每一路载波信号进行移相操作从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的OAM载波信号，并将星座点信息加载到各路OAM载波信号上；
S3，加载了星座点信息的OAM载波信号上变频到射频段，经过放大滤波后传输到接收端；
S4，对OAM射频发射信号进行相位面调整操作，从而形成平面波束，通过汇聚透镜将不同OAM模态进行相位面调整操作后得到的平面波束汇聚到传输主轴方向的不同焦点上，通过设置在不同焦点上的接收天线接收采集多路分离的OAM信号，再经过滤波放大后，下变频操作，并解调恢复各个星座点对应的比特信息。
在一个可选实施例中，为校正射频链路延迟误差，通过任意波形发生模块在发射端射频链路模块进行与延迟误差的相位对应的相位补偿，并在接收端射频链路模块通过示波器进行测试输出所述OAM射频发射信号，从而调整误差相位。
下面结合几个实例来说明本发明的轴向汇聚接收轨道角动量电磁波复用通信系统及通信方法的有益效果。
第一实例
本实例详细描述发射端通过中频处理产生多模态复用OAM的具体实现方式，以及在接收端实现多路OAM信号解复用分离和能量汇聚的过程。
本实例设计了一种适合于产生多个独立不同模态OAM电磁波的发射天线模块104，如图3所示的xyz坐标系中，发射天线模块104是环状天线阵列，组成环状天线阵列的半径不同，产生的不同OAM可以有相同的或者不同的射频波束发散角。如图2所示，发射端的编码调制模块可以产生两种长度相同的比特信息序列，采用QPSK(正交相移键控)调制方式，每两位二进制信息比特分别代表四种载波相位的一个相位，QPSK中每次调制可传输2个比特信息，然后经过任意波形发生模块产生频率为70MHz的中频载波。通过相位调整在任意波形发生模块102中产生两种不同模态的OAM信号，两个不同模态的OAM信号在任意波形发生模块里已经实现了复用叠加，然后通过发射端射频链路模块103上变频到射频，形成8路严格同步的射频信号，通过同一个均匀环形天线阵(UCA)发射到自由空间中，如图3所示。由于在中频已经进行了相位调整，经过校准以后，8路射频链路模块保持严格的相位一致，因此发射天线模块产生的两路不同模态的OAM电磁波具有不同的射频波束发散角，并且携带不同的数据序列信息。
在本实例中，如图3所示，射频信号的频率为10GHz，UCA产生的第一个OAM模态为1，UCA产生的第二个OAM模态为2。由此方式产生的OAM波束在自由空间中的传输可以用公式(2)来表示：
其中，表示OAM螺旋相位因子，ln是产生的OAM模态数，r表示传输距离，αn和分别表示调制信号的幅度和相位信息，γ是所产生OAM模态的射频波束发散角，表示波数。表示ln阶贝塞尔函数，n表示整数序号，ωRF表示射频角频率，j表示虚数单位，βn表示信号的初始相位，t表示时间，表示两个发射天线阵子之间馈送信号的相位差，Rn表示发射UCA的半径，M表示天线阵中阵子的数目，m表示第几个天线阵子序号。
由UCA方式产生的OAM波束可以用贝塞尔函数Jln(kRnsinγ)来表示，通过调整环形阵列的半径可以产生不同波束发散角的OAM电磁波，kRnsinγ＝xn，可得公式(3)：
其中，xn表示不同OAM模态下贝塞尔函数极值点所对应的横坐标。在本实例中，OAM模态数选择分别为1和4，UCA的阵列半径为3cm，经过公式(3)计算后分别得到OAM模态1对应的波束发散角为17.6度，OAM模态4对应的波束发散角为30.6度。
如图4所示，不同波束发散角的OAM电磁波经过自由空间传输后同时到达复合角汇聚透镜模块201相位板的不同区域，在不同环形空间上分别被对应的反向螺旋相位板解旋，使得两路OAM信号变为两路平面电磁波束。
根据公式1设计解复用螺旋相位板的螺旋高度差Δh，汇聚电磁透镜的材料采用高密度聚乙烯，折射率ν＝1.54，因此相位变化2π需要螺旋相位板的厚度为5.56cm。
第二实例
如上所述，如果不同模态的OAM同频电磁波携带不同的信息序列，只需要在对应能量焦点位置安放接收天线，即可实现不同信息序列的分离接收。接收天线模块202对应连接接收端射频链路模块203，接收信号经过下变频后传输到数据解调输出模块204，经过去载波解调后，分别输出多路不同的用户数据，从而大大提高了系统的频谱效率。下面还以两路比特信息序列为例来说明。如图4所示，用HDPE材料制作加工复合角汇聚透镜模块201，中间为模态数为0的OAM螺旋相位板，背后采用汇聚电磁透镜，焦距是0.15m。外圈为模态数为1的螺旋相位板，背后共形加工的汇聚电磁透镜的焦距为0.3m，图4中f1和f2分别表示不同的焦距。两个对应模态的OAM电磁波由于波束发散角不同，经过半径不同的螺旋相位板解旋后，形成的平面波通过汇聚电磁透镜能量汇聚在汇聚电磁透镜的焦点位置，由于两个汇聚电磁透镜的焦距不同，沿传输轴向方向会形成两个能量汇聚的焦点。
本实例采用电磁仿真软件模拟传输实验，实验中可以实现两个不同OAM模态的能量汇聚，并且在两个焦点之间由于电磁波干涉相消，出现了能量的深衰落，如此正好形成了两个能量汇集焦点之间的隔离。另外，为了验证仿真结果，另外，还利用三轴运动系统测量复合角汇聚透镜模块201后的电磁能量分布情况，传输轴向采样测量了经过复合角汇聚透镜模块201后的电磁能量分布情况，与仿真分析的结果一致，两路信号在经过复合角汇聚透镜模块201后，分别在距离复合角汇聚透镜模块201的0.15m和0.3m的位置测量得到了两个能量汇聚的焦点，并且两个汇聚点之间出现了能量深衰落，从而实现了两路不同OAM模态电磁波之间的能量隔离。
进一步地，还在实验中测试了复合角汇聚透镜模块201对多路复用OAM信号的信道间串扰的抑制效果，测试结果如表1所示：
表1 OAM模态间串扰实验测试结果
在实验中，当两个模态OAM波复用传输时，经过轴线汇聚接收系统的复合角汇聚透镜模块201后，不同模态的OAM信号能汇聚到沿传输轴线方向的不同焦平面上，实验中分别一一发射不同模态的OAM信号，并且在不同焦平面上用频谱仪(R&S，FSH20)测试汇聚后不同焦平面上的信号接收功率。从表1的实验测试结果中可以看出，当l1＝0和l2＝1模态复用传输时，单独发射l1＝0模态时，在第一个对应于l1＝0模态的焦平面上接收功率为-36.3dBm，而在第二个对应于l2＝1模态的焦平面上，信号的测试功率降为-54.8dBm。因此，轴向接收方式将l1＝0模态对l2＝1模态造成的信道间串扰降低了18.5dB，同理，从表1中可以看出，其他模态的测试结果与上述描述也基本一致。通过本实验的测试结果可以知道，在本实施例中，采用本专利提出的这种轴线汇聚接收轨道角动量电磁波复用传输系统，可以将OAM复用传输时不同模态之间的串扰降低18dB以上，从而达到降低不同模态信道之间的信干比，提高通信系统误码性能的作用。
第三实例
进一步地，将两路不同的比特数据序列分别调制到10GHz载波上，并分别由两路模态数为0和1的OAM信号通过本发明中的发射天线模块104共轴复用传输，并在接收端传输轴的轴向上距离复合角汇聚透镜模块201的0.15m和0.3m的位置放置两个不同的全向天线阵子，用来接收两路不同模态的OAM信号，实验结果如图5所示。其横坐标是信噪比(SNR)，单位dB，其纵坐标是比特出错概率(BER)，从图5中可以看出，“2信道同传解复用后解调(OAM＝0)”和“2信道同传解复用后解调(OAM＝1)”曲线分别表示在两个能量汇聚的不同位置接收达到的OAM信号，由于在纵向传输过程中，复合角汇聚透镜模块201已经对不同模态的OAM载波进行了解复用操作，并且将不同OAM模态的信号汇聚到沿传输轴向的2个不同位置上，因此两路信号已经实现了物理上的分离，测量结果可以看到，两路信号的能量分离效果最好时能达到18dB以上，在接收端可以直接对不同位置采样得到的信号进行QPSK(正交相移键控)解调操作，两路信号的误码率曲线基本一致，并且接近于单路传输时的理论仿真结果。然而，如果在实验中将复合角汇聚透镜模块201去掉，而接收天线的位置不动，直接对接收到的信号进行解调操作，由于不同模态的OAM载波携带的信息完全不同，互相之间相互干扰，直接解调后导致严重的误码，基本无法实现正常通信。
进一步地，随着复用OAM模态数的进一步增加，本发明实施例的多模态OAM电磁波共轴汇聚和纵向接收解复用传输系统的频谱效率也会进一步增长，在总的发射功率一定的情况下，当两路OAM电磁波复用传输时，系统预期的频谱效率至少提高1.27dB。
根据本发明实施例提出的多模态OAM电磁波共轴汇聚和纵向接收解复用传输系统，不仅可以大大提高通信链路的频谱效率，而且降低了传统大规模接收天线阵列的硬件开销，直接采用共形设计的硬件模块实现不同OAM模态的分离和能量汇聚，操作方便可靠，并且非常有利于索引调制方案在OAM通信系统中的应用与实现。本发明可以省略传统的电磁移相网络，直接在接收端对不同OAM模态进行解复用操作，并且实现了波束能量的汇集，可以大大提高接收信号的信噪比。另外，由于不同OAM模态的波束被汇聚到不同的空间位置，可以方便地实现信息的分离解调，从而在物理层有效地避免了模态间串扰和ICI的产生，从而极大地方便了OAM-MDM通信模态在现实应用中的推广和实现。
第四实例
另外，复合角汇聚透镜模块不仅可以放在接收端，还可以是设置在发射端。
首先，如果复合角汇聚透镜模块位于发射端(发射天线模块周边的位置)，则可以将发射天线模块置于汇聚透镜的一倍至两倍焦距之间(例如，1.5倍焦距)。因此，根据汇聚透镜的成像原理，不同OAM模式的能量则汇聚在两倍焦距之外(例如，3倍焦距)。通过不同焦距的汇聚透镜或者调整发射天线模块与汇聚透镜之间的距离，可以在不受波束发散影响的情况下实现多个OAM模态的远距离传输和空间分离。此外，不同的OAM模态可以对应不同的用户，也就是说，不同的用户可以在不同的OAM模态的能量汇聚区域中接收信号，从而实现不同用户的多址接入。
其次，如果复合角汇聚透镜模块安装在接收端(接收天线模块周边的位置)，发射天线模块和复合角汇聚透镜模块之间的距离大于透镜的两倍焦距(例如，11倍焦距)。则不同的OAM模态的载波信号传输到具有不同焦距的汇聚透镜上。然后，汇聚透镜将光束分离并汇聚到沿轴向分布的不同模态分离区域。通过汇聚透镜后，所有能量会聚区域分布在一倍到两倍焦距之间(例如，1.1倍焦距)。因此，通过在不同的汇聚区域进行分布式接收，可以实现多种OAM模态的解复用分离。
针对以上两种不同的应用方式，本实施例中具体的计算数值如表2所示：
表2在不同应用场景下具体的计算数值
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，包括信号发生子系统和信号接收子系统，其特征在于，信号发生子系统包括依次连接的编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块和发射天线模块，其中，
编码调制模块用于将输入的比特信息经过幅相调制形成星座点，使比特信息与星座点之间建立映射关系；
任意波形发生模块用于生成多路独立的载波信号，对每一路载波信号进行移相操作，从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的、对应不同OAM模态的OAM载波信号，并将星座点信息加载到各OAM载波信号上；
发射端射频链路模块用于对加载了星座点信息的OAM载波信号进行上变频、滤波和功率放大操作，形成OAM射频发射信号，然后将OAM射频发射信号馈送给发射天线模块；
发射天线模块用于把加载了星座点信息的各路OAM射频发射信号辐射到自由空间中传输，形成共轴传输的复用通信波束，
信号接收子系统包括依次连接的复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块，其中，
复合角汇聚透镜模块包括用于OAM调相的螺旋相位板和汇聚透镜，螺旋相位板用于对共轴传输的多路OAM射频发射信号进行相位面调整操作，从而形成平面波束，然后通过不同焦距的汇聚透镜将所述平面波束汇聚到传输主轴方向的不同的焦点上；
接收天线模块包括多个接收天线子模块，各接收天线子模块分别放置在所述不同的焦点上，用于接收采集多路被汇聚透镜分离到不同焦点的OAM射频发射信号；
接收端射频链路模块，用于将所述OAM射频发射信号放大和滤波，并将OAM射频发射信号下变频后进行滤波采样，并输入给数据解调输出模块；
数据解调输出模块，用于将不同OAM载波信号所传输的不同幅相星座点信息解调出所述输入的比特信息。
2.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，其特征在于，发射端射频链路模块是多通道并行结构，发射端射频链路模块每一路通道都包括了混频器、滤波器、放大器，并且所有通道之间共用同一个本振源提供参考时钟信号，使得所有并行通道之间相位同步。
3.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，其特征在于，
发射天线模块是阵列天线、谐振腔和超材料天线中的一种或多种，所述阵列天线是环形阵列；
所述接收天线子模块是天线阵子，或谐振腔；
所述接收端射频链路模块包括前置滤波器、放大器、混频器、后置滤波器。
4.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，其特征在于，
针对多个OAM模态，选择高密度聚乙烯、聚丙烯、TPX中任一种或多种材料制作对应于多种OAM模态的复合角汇聚透镜模块。
5.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，其特征在于，
所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，其特征在于，
复合角汇聚透镜模块包括沿径向依次设置的多层呈圆环状嵌套的螺旋相位板以及与各圆环位置对应的、位于螺旋相位板的远离发射天线模块一侧的汇聚透镜，且各汇聚透镜的焦距不同。
7.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，其特征在于，
所述复合角汇聚透镜模块设置在发射端或接收端。
8.根据权利要求1所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统，其特征在于，通过螺旋相位板、特定反射面天线、特定馈源天线、相控阵天线、空间光调制器、衍射光栅和超材料中的一种或多种产生不同模态OAM载波信号。
9.一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
比特信息经过幅相调制映射成为所需传输的不同星座点；
生成多路独立的载波信号，对每一路载波信号进行移相操作从而形成多路不同相位延迟、共轴传输的、对应不同OAM模态的OAM载波信号，并将星座点信息加载到各路OAM载波信号上；
加载了星座点信息的OAM载波信号上变频为OAM射频发射信号，经过放大滤波后传输到接收端；
对OAM射频发射信号进行相位面调整操作，从而形成平面波束，通过汇聚透镜将不同OAM模态进行相位面调整操作后得到的平面波束汇聚到传输主轴方向的不同焦点上，通过设置在不同焦点上的接收天线接收采集被汇聚透镜分离到不同焦点的OAM射频发射信号；
将OAM射频发射信号滤波、放大、下变频操作，并解调恢复出各个星座点对应的所述比特信息。
10.根据权利要求9所述的轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信方法，其特征在于，为校正射频链路延迟误差，通过任意波形发生模块在发射端射频链路模块进行与延迟误差的相位对应的相位补偿，并在接收端射频链路模块通过示波器进行测试输出所述OAM射频发射信号，从而调整误差相位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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