CN110177067B - 适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***及方法。在发射端，该传输***利用不同模式的轨道角动量电磁波进行组合选择，形成不同模式组合，将用户比特信息分别用幅相调制和轨道角动量电磁波模式组合索引调制进行传输；在接收端，在部分相位面上，通过相位差索引映射的方法判断接收到了哪一组轨道角动量模式组合，从而完成电磁波轨道角动量模式组合到所传输用户比特之间的映射，同时幅相解调的方法恢复另一部分比特信息，与相位差索引映射恢复的比特信息联合最终恢复出原始信息。本发明不仅可以提高通信***的频谱效率，同时可以实现可靠性、低复杂度的轨道角动量电磁波长距离部分相位面接收。

Description

适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***及方法
技术领域
本发明涉及无线电磁波通信技术领域，特别涉及一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***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频率、电场强度等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。
近年来，OAM在低频电磁波领域的研究也越来越受到国内外学者的广泛关注。2007年，B，Thidé等人通过天线阵列的数值仿真验证了低频电磁波(频率低于1GHz)同样可以产生OAM。分析现有电磁波OAM传输方式可发现：随着OAM数的增加，OAM电磁波发散角增大，从第一收发天线发出的电磁波波束成锥状。传输距离越长，波束越发散。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***频谱效率的潜力。其采用的接收方法是两点差分，即：相位梯度法。但是，相位梯度法需要两个接收点均位于垂直于传播轴的同一个圆周上，且圆心与传播轴重合。相位不对准将降低OAM模式检测的正确性。并且，检测精度随两接收天线间的张角的减小而降低，即：当两接收天线间距固定时，检测精度随传输距离的增大而降低。2016年12月，清华大学航空宇航电子***实验室完成了27.5公里长距离传输实验，2018年，该课题组进一步将传输距离扩展到了172公里，并最终实现了四路四模式OAM复用传输。
综述前人的研究发现，在微波波段长距离OAM电磁波传输方面的研究成果寥寥无几。OAM波束是倒锥状的，距离越远，环状相位面越大，共轴全相位面接收越困难，比如超过100公里传输，则相位面直径甚至可以达到几公里。此时，在实际工程中只能采用部分相位面接收方法，而部分相位面接收又不能获得OAM维度正交带来的大幅度容量增益，仅能获取一个容量不大的非正交OAM复用带来的额外信道。因此，还需要更进一步地改进OAM信号传输的调制和检测方法。另外，本发明中所说的“适合长距离传输”中的“长距离”一般指大于100米的直线距离，长距离传输适用于长距离无线通信、移动中继、微波中继、车载通信、空地通信、卫星通信和空间通信等。
发明内容
OAM信道作为一个新的维度的存在，可以结合索引调制，构建适合长距离传输部分相位面接收的新型数据链。由于结合了索引调制，可以在幅相调制的基础上进一步提高***的频谱效率，另外在接收端，由于只能接收部分相位面上的OAM信息，因此需要建立适合部分相位面接收的联合检测方法，区分OAM比特映射与幅相调制的比特映射。为达到上述目的，本发明提出了一种适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输***，包括信号发生子***、发射天线子***、部分相位面接收子***，其中，
信号发生子***包括：
联合编码模块：将用户发送的原始信息编码成为比特信息；
比特分解模块：将比特信息分解成两部分，一部分输入幅相调制映射模块，另一部分输入OAM索引调制映射模块；
幅相调制映射模块：采用星座调制方式中任一种将输入的比特信息与各个代表不同幅度和相位的幅相星座点建立一一对应关系；
OAM索引调制映射模块：设置有包含不同OAM模式组合的查找表，将比特信息与对应选择发射的OAM模式组合建立一一映射关系；
任意波形发生器模块：幅相调制映射模块和OAM索引调制映射模块输出的信息通过波形发生器合成为联合发射符号；
发射天线子***用于将波形发生器产生的联合发射符号经过上变频和功率放大后馈送到不同OAM发生阵子上，形成多路OAM组合发射信号，经过反射面和透镜对能量汇聚后在自由空间中传输；
部分相位面接收子***包括：
接收天线阵：将自由空间中传输的电磁波转换成射频信号，射频链路将所述射频信号下变频为中频信号，部分相位面指的是接收天线阵设置在同一相位面的部分区域；
前置滤波器：中频信号通过前置滤波器后输出两路，一路输入相位差索引映射模块，另一路输入幅相调制检测模块；
相位差索引映射模块：将部分相位面上接收天线之间相位差，与不同OAM模式组合之间建立一一映射关系，从而将比特信息映射到索引域；
索引域滤波器：通过相位差索引映射模块构建映射关系后的信号通过索引域滤波器滤波输出后，在索引域形成不同的谱线，并且每一种OAM模式的组合对应一条谱线；
幅相调制检测模块：接收前置滤波器滤波后的载波信号，从而解调出幅相星座点，并进而获得与幅相星座点对应的比特信息；
OAM模式组合索引调制检测模块：检测识别索引域中的每一条谱线，根据所述查找表，检测确定通过OAM模式组合传输的比特信息；
星座图组合映射模块：将幅相调制检测模块检测得到的幅相星座点输出的比特信息与OAM模式组合索引调制检测模块解调得到的比特信息，按照发射端的比特分解关系，将两部分比特信息重新组合，从而形成完整的所述原始信息对应的比特信息；
联合解码模块：用于接收星座图组合映射模块输出的原始用户比特信息从而恢复用户传输的原始信息。
优选地，发射天线子***包括产生不同OAM模式的天线馈源及其射频链路，射频链路包括功分器、混频器、放大器和射频原件，天线馈源是天线阵子或者谐振腔的形式，天线馈源是天线阵子或者谐振腔的形式；
反射面是具有或无超材料的抛物面；
透镜是凸透镜或者超材料透镜；接收天线包括混频器、放大器、功分器和射频链路，接收天线是天线阵列、谐振腔或者用于OAM接收检测的传感器。
优选地，星座调制方式包括BPSK、QPSK、QAM。
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，所述天线馈源和/或所述接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线中的一种。
优选地，产生不同模式OAM电磁波的设备是螺旋相位板、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。
优选地，将用户的原始信息编码成为所要传输的比特信息；
比特信息分解为两部分，一部分输入幅相调制映射模块，映射成为所要传输的幅相星座点，另一部分进入OAM索引调制映射模块，通过查找表与不同OAM模式组合建立一一映射关系；
两部分信息合成为所要传输的中频载波，控制天线馈源发射不同模式组合的OAM电磁波，经发射面和透镜能量汇聚后在自由空间传输；
接收天线在部分相位面上对自由空间中的电磁波进行接收，将其转化为中频信号，幅相调制检测模块检测输出幅相星座点所对应的比特信息，中频信号通过相位差索引映射模块和索引域滤波器后在索引域形成不同的谱线，通过判断不同谱线在索引域中出现的位置，进而解调OAM模式组合所传输的比特信息，两部分比特信息合并恢复出所述原始信息。
优选地，差别小的OAM模式组合配置汉明距离大的比特信息进行传输，其中，OAM模式组合的差别小是指OAM模式组合转换为索引域中的谱线之间的距离小于预设的距离阈值。
优选地，发射天线子***产生Nt种模式的OAM电磁波，接收天线阵包括Nr根天线，接收天线阵传输时的幅相调制选择M-PSK，不同星座点的表示记为d(m)，其中m∈[1,2,…,M]，M表示第M个星座点，发射天线子***共产生
Figure GDA0002512721130000041
种OAM模式组合方式，对应
Figure GDA0002512721130000042
种比特符号的组合，每一种OAM组合的联合发射符号表示为
Figure GDA0002512721130000043
公式中的省略号表示发送序列中任意的0或1比特信息，1×Nt表示X(k)是1行Nt列的向量，其中k∈[1,2,…,K]，表示激活的第k组OAM模式组合索引，元素1的位置就表示所要传输的OAM模式在组合中的位置，由此接收天线阵接收到的组合传输信号简化表示为：
Figure GDA0002512721130000044
其中，
Figure GDA0002512721130000045
表示各个模式组合的功率分配系数，X(k)是联合发射符号，
Figure GDA0002512721130000046
表示传输OAM索引调制的模式组合k时，发射天线子***的激活OAM模式与接收天线阵之间传输的信道系数所构成的信道矩阵，z是均值为零的高斯白噪声矩阵。
优选地，为每一OAM模式分配加权系数，建立最优化方程，在总发射功率不变的情况下，通过AWG调整不同模式中所有参与叠加的OAM模式的功率分配，将功率离散化，通过计算机搜索遍历的方式，确定最优加权系数，从而实现调整所有OAM组合模式在索引域中对应的谱线之间的欧式距离相等。
本发明的电磁波轨道角动量索引调制长距离传输***及传输方法，本传输方法不但适用于1公里以内的OAM电磁波传输与接收，而且也适用于1公里以上的长距离OAM电磁波的传输与接收。由于波束发散角限制，随着距离的增加，OAM螺旋相位面不断扩大，公里级别的传输已经不可能同时接收整个OAM螺旋相位面，而部分相位面接收时会带来不同模式间的串扰，模式之间的正交性遭到破坏，也就是自由度随接收相位面的减少而降低。因此在长距离传输时，OAM复用方式会退化成低自由度传输的方式，本发明利用OAM作为一个新自由度的特性，利用不同模式的组合在发射端形成索引调制，从索引调制的角度来扩大OAM通信***的频谱效率。因为OAM是区别于电磁波其他物理量的新的维度，因此经过索引调制后并不影响幅相调制信号的传输，因此在发射端可以同时传输OAM索引调制信息与幅相调制星座，从而实现OAM长距离和高频谱效率传输的目的。
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为本发明实施例的一种适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输***的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的比特信息映射成为OAM模式组合与幅相调制星座的实现方式示意图；
图3为本发明实施例的不同OAM组合模式信号在接收天线上的矢量叠加原理示意图；
图4为本发明实施例的OAM索引调制***与MIMO***以及高阶调制***的误码率特性比较示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的电磁波轨道角动量索引调制长距离传输***及传输方法的实施例。本领域的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。
原理上讲，OAM可以采用特定的OAM传感器，或者采用天线进行接收。采用天线接收需要将OAM这个维度映射到其他域进行间接的测量，例如全相位面共轴接收时采用天线阵将OAM映射到空域，OAM的改变会引起空间上电磁波相位面分布的改变，从而可以用天线阵测量空间上不同位置的电磁波相位差进而推测OAM的变化，从这个角度来说，OAM可以被认为是MIMO的一种特殊子集，而从物理本质上来看，用天线阵测量OAM其实是一种OAM到空间域的映射关系。进一步分析，除了对空域的映射以外，OAM还可以对其他域形成映射，例如通过旋转的方法测量OAM，实际上是把OAM的变化映射到了时域，进而通过频谱仪映射到频域，不同的OAM模式的电磁波在旋转函数关系的映射下，对应成为频域中的几条不同谱线。而专利号2016109163094所公开的虚拟内插(Virtual Rotating Antenna，VRA)的方法可以通过前置滤波器的设定，构建索引域(在这里，第一频域指的是普通接收信号经过傅里叶变换之后映射到的频域，索引域是指接收到的同频信号，因为含有不同的OAM模式，经过虚拟内插旋转操作后，再进行傅里叶变换，原先的同频信号会随不同的OAM模式形成不同的谱线，在此称其为索引域)，通过虚拟内插算法同样可以在索引域构建不同谱线和不同OAM电磁波的一一映射关系。
因此，通过以上分析可以知道，OAM这个维度可以通过不同可映射关系映射到不同的变换域进行测量，而这些所有的映射函数构成的集合就是新的索引域。构建OAM索引域的方法有很多，不同的方法实际上对应的是不同的映射函数关系，而相同的索引域甚至也可用通过不同的映射函数得到，从而形成了错综复杂的变化空间。OAM映射到索引域的映射方法是多种多样的，因此OAM的索引域也可以非常大，这就为OAM索引调制提供了很大的研究空间。下面说明本发明的电磁波OAM的长距离索引调制传输***。
如图1所示，一种适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输***10包括信号发生子***100、发射天线子***200和信号接收子***300。其中，信号发生子***100包括联合编码模块101，比特分解模块102、幅相调制映射模块103、OAM索引调制映射模块104和任意波形发生器模块105；发射天线子***200包括天线馈源模块201和射频链路模块202；部分相位面接收子***300包括接收天线阵列301、前置滤波器302、相位差索引映射模块303、索引域滤波器304、幅相调制检测模块305、OAM模式组合索引调制检测模块306，星座图组合映射模块307以及联合解码模块308。下面分别说明各子***的构成。
1.信号发生子***，包括
(1)联合编码模块101：将用户的原始信息编码成为所要传输的比特信息。
(2)比特分解模块102：将用户原始信息对应的比特信息数据进行分解，分成两部分，一部分输入幅相调制映射模块103，幅相调制映射模块103利用不同幅度和相位的电磁波来表征输入的比特信息，即比特信息与代表不同幅度和相位的幅相星座点形成映射关系；另一部分输入OAM索引调制映射模块104，与不同OAM模式的组合形成映射关系；
(3)幅相调制映射模块103：采用BPSK(二进制相移键控。是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一)、QPSK(正交相移键控)、QAM(正交振幅调制)等一系列星座调制方式中任一种方法，将以上输入的比特信息与各个幅相星座点建立一一对应关系；
(4)OAM索引调制映射模块104：产生各种OAM模式的组合关系，形成查找表，将输入的用户比特信息与对应选择发射的OAM模式组合相对应，采用不同的组合模式传输不同用户比特信息；
(5)任意波形发生器模块105：将幅相调制映射的星座点选择不同OAM模式进行组合，从而形成复合的联合发射符号。并且，还同时利用任意波形发生器内部的幅值调整功能，通过编程自由性分配发射功率，使得每一组联合发射符号的传输功率相等，进一步控制发射天线子***。
2.发射天线子***
(1)天线馈源201：其中设置有多个模式的OAM产生天线阵子，用以生成多个模式的OAM，可以采用例如谐振腔或者天线阵列的形式，但不限于这几种典型的OAM产生方式，还可以根据不同模式的OAM电磁波调整圆环半径，从而使得不同模式的OAM波束发散角一致，发射能量集中在同一个圆环相位面上；
(2)射频链路模块202：包括功分器、混频器、滤波器和信号功率放大器子模块，用于将任意波形发生器产生的复合的联合发射符号，经过上变频和功率放大后馈送到不同OAM发生阵子上，形成n路OAM组合发射信号，经过反射面和透镜对能量汇聚后在自由空间中传输。
3.部分相位面接收子***
(1)接收天线阵列301：将自由空间中传输的电磁波转换成射频信号，即传输线中的导行电磁波，射频链路将所述射频信号下变频为中频信号；
(2)前置滤波器302：中频信号进入前置滤波器302，前置滤波器302可以采用带通滤波器，滤除带外干扰信息，获得所需要频点的经调制后的载波信号，中频信号通过前置滤波器后输出两路，一路输入虚拟内插旋转模块，另一路输入幅相调制检测模块；
(3)相位差索引映射模块303：其可以采用专利号2016109163094所公开的虚拟内插的方法，将天线接收到的部分相位面上的OAM电磁波进行虚拟内插旋转操作，变换到索引域，经过傅里叶变换后原本同一频点的复合信号可以在索引域展开成为不同的谱线，不同谱线对应不同OAM的组合模式，将接收天线之间不同的相位差与不同OAM模式组合建立一一映射关系，如图4所示，是不同传输方式的误码率对比，其中的OAM索引联合QPSK即包含OAM模式组合；
(4)索引域滤波器304：虚拟内插后的信号通过索引域滤波器滤波输出后，在索引域形成不同的谱线，并且每一种OAM模式的组合对应一条谱线，形成一一映射的关系；
(5)幅相调制检测模块305：接收前置滤波器滤波后的载波信号，用来解调出幅相调制星座点，如BPSK、QPSK、QAM等；
(6)OAM模式组合索引调制检测模块306：检测识别索引域中的每一条谱线，根据一一映射的查找表，检测确定通过OAM索引调制传输的用户比特信息；
(7)星座图组合映射模块307：将幅相调制检测模块检测得到的幅相星座点输出的信息与OAM模式组合索引调制检测模块解调得到的信息，按照发射端的比特分解关系，将两部分比特信息重新组合，从而形成完整的所述原始信息。
(8)联合解码模块308：用于接收星座图组合映射模块输出的原始用户比特信息从而恢复用户传输的原始数据。
整个适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输***的信号处理工作流程如下：如图1所示，将用户的原始信息编码成为所要传输的比特信息，比特信息经过比特分解模块102后分解为两部分，一部分输入幅相调制映射模块103，映射成为所要传输的幅相星座点，另一部分进入OAM索引调制映射模块104，通过查找表与不同OAM模式组合建立一一映射关系，之后两部分信息通过任意波形发生器105组合成为所要传输的中频载波，通过射频链路202混频放大后，控制天线馈源201发射不同组合模式的OAM电磁波，经发射面和透镜能量汇聚后在自由空间传输。接收端天线阵布置在OAM圆环部分相位面上，通过接收天线阵列301对自由空间中的电磁波进行接收，将其转化为传输线中的导行电磁波，并经过前置滤波器后输出所要接收的带通信号，采用分离检测再合并的方法，幅相调制检测模块305负责检测输出幅相星座点所对应的比特信息，而信号通过相位差索引映射模块303和索引域滤波器模块304后在索引域形成不同的谱线，OAM模式组合索引调制检测模块306用于检测不同OAM的组合模式，通过一一映射查找表恢复出传输比特信息，最终两部分比特数据通过星座图组合映射模块307合并后输出用户的原始比特数据。联合解码模块308接收星座图组合映射模块307输出的原始用户比特信息，从而恢复用户传输的原始数据。
综上所述，本发明的一种适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输***能够实现长距离高频谱效率的OAM信息传输，由于在接收端只能采样接收部分螺旋相位面的信息，各个模式的OAM信号之间无法保持正交性，如果采用传输的多路复用传输方式势必会造成各路信道之间相互串扰，进而造成信道容量的降低。而在本发明中创新性地提出采用不同模式的OAM组合形成索引，并与用户比特信息建立一一映射关系，这样在幅相调制的基础上，由于OAM新维度的引入，在不增加原有***链路资源的条件下，进一步提高了***传输的频谱效率。在接收端，本发明采用前置滤波器302和索引域滤波器304将幅相调制和OAM索引调制两部分映射信号分离检测，并通过虚拟内插旋转的方式，在部分相位面上实现对不同OAM组合模式的准确检测，这样既降低了索引调制最大似然联合检测的复杂度，同时又提高了信息传输解调的可靠性，能够实现***长距离、窄带宽、低复杂度、高可靠性、快速接收的传输要求。
另外，根据本发明的一种适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输***还可以具有以下附加的技术特征：
在一个可选实施例中，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。
在一个可选实施例中，所述发射天线阵列和/或所述接收天线阵列中的天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线中的一种。
进一步地，适合远距离传输的发射天线包括可以产生不同OAM模式的天线馈源及其射频链路，射频链路包括功分器、混频器、放大器和射频原件，天线馈源可以是天线阵子或者谐振腔的形式，但不限于这些形式。
在一个可选实施例中，适合于远距离部分相位面接收的天线，包括混频器、放大器、功分器和其他必要的射频链路，其接收天线可以是天线阵列，谐振腔或者其他用于OAM接收检测的传感器。
在一个可选实施例中，所述汇聚透镜可以是普通光学透镜或者超材料透镜中的一种或多种，透镜与抛物面可以根据实际需要选择搭配。
在一个可选实施例中，所述反射面可以是普通光学反射面或者超材料反射面中的一种或多种，用来汇聚电磁波。
在一个可选实施例中，不同模式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。
在一个可选实施例中，可以根据不同OAM模式的组合方式，不同OAM索引调制对应不同的编码传输符号，可以通过编码之间的汉明距离联合索引调制进一步提高***传输的可靠性。具体说，OAM模式的不同组合方式在索引域解映射时，对应的不同谱线之间的距离并不一致，因此在发射端的联合编码模块101利用不同编码符号之间不同的汉明距离增加接收端检测时的区分度。配置汉明距离大的编码进行传输，从而可以进一步提高接收端联合检测的可靠性。其中，两个等长字符串之间的汉明距离是两个字符串对应位置的不同字符的个数。
在一个可选实施例中，接收天线阵的分集接收方法，用于进一步提高***的信道容量。当接收天线数目大于等于2时，可以利用不同接收天线之间相互组合，获得接收端的多天线分集增益，同时不同天线分别采集OAM相位面不同位置的信息，可以通过最大比合并的方式，提高信号的检测前信噪比，从而在检测幅相调制星座点时提高***的稳定性。
在一个可选实施例中，由于对接收信号处理时需要将不同模式的OAM变换到索引域与虚拟内插旋转内插后的每个谱线形成一一映射，然而，在索引域中，任意OAM模式组合对应的谱线之间的距离间隔并不相等，甚至会发生几种模式组合对应的谱线之间距离特别近甚至发生重叠的现象，这就给OAM索引调制的检测带来了困难。可以通过功率分配，拉大不同OAM模式组合在索引域中的频谱间隔，发射端OAM模式的选择与功率分配算法如下：根据信号矢量叠加的原理，为每一OAM模式分配加权系数，建立最优化方程，在总发射功率不变的情况下，通过AWG(任意波形发生器)调整不同模式中所有参与叠加的OAM模式的功率分配，将功率离散化，通过计算机搜索遍历的方式，确定最优加权系数，从而实现调整所有OAM组合模式在索引域中对应的谱线之间的欧式距离相等，提高检测的可靠性。
下面以几个具体实例来说明本发明的传输***中的一些具体操作，并计算相关参数验证本发明的可靠性。
第一实例
发射端(发射天线子***)能够产生Nt种模式的OAM电磁波，而接收端(接收天线阵)是由Nr根天线构成的。下面说明该电磁波OAM的长距离索引调制传输***的信息传输方式，并分析长距离传输时的频谱效率和误码率性能。发射索引调制的结构示意图如图2所示，假设传输时的幅相调制选择M-PSK(多进制数字相位调制，又称多相制)的相位调制方式，不同星座点(每一个星座点对应一个一定幅度和相位的信号)的表示记为d(m)，其中m∈[1,2,…,M]，M表示第M个星座点。发射端一共可以产生
Figure GDA0002512721130000101
种OAM模式组合方式，可以对应
Figure GDA0002512721130000102
种比特符号的组合，因此每一种OAM组合的联合发射符号可以表示为
Figure GDA0002512721130000103
其中的省略号表示发送序列中任意的0或1比特信息，1×Nt表示X(k)是1行Nt列的向量，其中k∈[1,2,…,K]，表示激活的第k组OAM模式组合索引，元素1的位置就表示所要传输的OAM模式在组合中的位置。这样，接收端接收到的组合传输信号可以简化表示为：
Figure GDA0002512721130000104
其中，
Figure GDA0002512721130000105
表示各个模式组合的功率分配系数，X(k)是联合发射符号，
Figure GDA0002512721130000106
表示传输OAM索引调制的模式组合k时，发射端激活OAM模式与接收端之间传输的信道系数所构成的信道矩阵，z是均值为零的高斯白噪声矩阵。***的频谱效率可以表示为：
Figure GDA0002512721130000107
其中，Na表示索引调制中所激活的OAM模式数，α表示传输方式的选择系数。当每个OAM模式复用传输不同信息时，α＝1；当每个OAM模式传输相同信息时，αNa＝1。假设发射端的幅相调制采用BPSK调试方式，希望传输速率达到每个符号4bit的传输速率，那么发射端可以产生4种不同的OAM模式进行组合，共有15种组合方式可以用来进行索引调制传输，任意选择这些组合模式中的8种，与的BPSK调制进行组合映射，形成联合发射符号，每个联合发射符号传输4bit信息，具体的映射关系如表1所示：
表1原始比特序列与联合编码后发送符号之间的映射关系
Figure GDA0002512721130000108
Figure GDA0002512721130000111
经过自由空间传输后，携带索引调制和M-PSK调制信息的电磁波到达接收端天线阵列，经过前置滤波器后，索引调制信息和M-PSK调制信息被分开检测。在OAM部分螺旋相位面上可以采用专利号2016109163094所公开的虚拟内插旋转的方式，将不同OAM模式的组合变换到索引域，形成多条不重叠的谱线。假设Nr根接收天线在t时刻接收到的信号可以表示为：
Figure GDA0002512721130000112
其中，
Figure GDA0002512721130000113
表示每一根天线上的接收信号，y(t)表示这些接收信号组成的向量，对接收信号进行自相关操作，自相关操作即信号与自身相乘后取期望，可以得到：
Figure GDA0002512721130000114
其中，t表示时间，θ表示波束发散角，φi表示第i对接收天线之间的弧度，D表示传输距离，k1、k2表示天线的编号，J0表示0阶贝塞尔函数，Λ0表示在与传播方向垂直的圆环切向方向上OAM电磁波的等效波长。若要在接收端虚拟内插出一根等效旋转的天线，那么真实的天线阵列和虚拟内插等效天线之间的互相关系数P(φ,t)可以被表示为：
Figure GDA0002512721130000121
其中，ω表示虚拟内插天线的转速。假设加权系数是wT(φ)，对于第k种OAM模式的组合方式，通过MMSE准则(最小均方误差准则)可以得到内插输出的结果为：
Figure GDA0002512721130000122
其中，y(k)(t)表示天线接收得到的原始信号，
Figure GDA0002512721130000123
表示采用专利号2016109163094所公开的虚拟内插旋转的方式处理之后得到的信号矩阵，假设索引调制的数据可以被表示为
Figure GDA0002512721130000124
Figure GDA0002512721130000125
表示采用OAM索引调制所传输的数据，R(K)表示第K个索引调制数据它们可以和虚拟内插谱线形成一一映射的关系，即通过检测在接收端索引域中出现了哪根谱线，即可确定发射端传输了哪一种索引调制符号。
而M-PSK调制的数据可以被表示为D＝{d(1),d(2),…,d(M)}，其在接收端反应为星座点的不同，星座点与发射端数据符号之间也是一一映射关系，通过最大似然检测的方式可以通过解调星座图获得发射端所传输的M-PSK调制数据，最后将两部分解调数据合并，即可得到原始的用户信息。
第二实例
基于本发明提出的一种适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输***，本实例详细描述发射端联合编码发射结构，以及在接收端结合维特比译码的联合解码过程，即：将幅相星座点和OAM模式组合放在同一个星座空间中进行联合调制，同时在接收端结合维特比译码器进行联合译码，其结构如图2所示。
在二维星座优化中，排列在单位圆上的星座点需要满足如下原则：排列在同一个圆上的星座点的数量正比于圆的半径；在同一个圆上的星座点需要均匀分布。根据这些原则，星座点的优化可以在约束平均能量的情况下，通过最大化欧氏距离来获得，即：
Figure GDA0002512721130000126
其中，dmin表示星座点间的最小欧氏距离，Eavg表示星座点平均能量，s.t.是指所受的约束。M表示星座点总数量，Ni表示半径为Ri的第i个星座圆周。本实施例的三维星座图的优化过程中，可以将各星座点扩展为多层结构，构建基于OAM模式组合与PSK星座空间的星座点的优化的步骤如下：
(1)优化PSK调制二维星座，使得所有PSK星座点在对应的单位圆上均匀分布，并且不同OAM模式组合传输不同PSK星座图；
(2)通过功率分配，拉大不同OAM模式组合在索引域中的频谱间隔，也就是扩大每一层星座之间的距离；
(3)将每一层PSK星座点叠加初相，使得相邻两层之间星座旋转，这样可以调整OAM模式组合传输的PSK星座点之间的欧式距离，使得整个三维星座点的最小欧式距离最大。
从图2中可以看出，不同的OAM模式组合可以用来传输不同或者相同的星座点，同时不同OAM模式组合作为索引也可以传输信息，在幅相调制的二维星座图基础上构建z轴方向的第三维调制空间，从而形成OAM-PSK联合星座空间(即三维星座图)。对于OAM的模式组合与PSK联合调制，在发射端，原始信息首先进行网格编码，之后将编码后的符号映射为OAM-PSK联合星座空间中的点。在接收端，可以用一个两阵元天线阵接收信号，采用专利号2016109163094所公开的虚拟内插旋转的方法估计发射端传输的OAM模式组合，之后采用标准维特比译码算法对经过网格编码的符号进行译码，得到PSK信号星座点，从而获取到原始比特数据。
OAM传输一般只在单径的视距(LOS)传输环境中应用，信道噪声可认定为加性高斯白噪声(AWGN)。接收信号可以表示为：
Figure GDA0002512721130000131
其中，fc表示载波频率，r表示接收信号，n是均值为零、方差为σ2的高斯白噪声，s是采用联合调制编码的发射信号，l为OAM模式数，
Figure GDA0002512721130000132
为方位角，k＝2π/λ为波常数，λ为波长，(x,y,z)表示星座点在三维星座图中的坐标。
若dmin表示网格编码三维星座点之间的欧氏距离，可以把dmin作为一个关键指标，用来判断白噪声环境下的***性能。则，误码率可表示为：
Figure GDA0002512721130000133
其中Q()是高斯函数，Eb表示符号能量，N0表示噪声的能量。
第三实例
假设发射端可以产生多个OAM模式，接收端采用两根天线虚拟内插旋转的方法构建索引域。假设一根接收天线作为参考位置，在参考位置上所有OAM模式的初相位对齐，则在第二根天线上，不同OAM模式的组合信号可以写作如下形式：
Figure GDA0002512721130000141
经过化简后，叠加后的信号可以表示成向量的形式：
Figure GDA0002512721130000142
设
Figure GDA0002512721130000143
那么接收信号可以被进一步写作
Figure GDA0002512721130000144
如图3所示，其中，
Figure GDA0002512721130000145
表示信号幅值，li表示OAM模式数，L表示总的OAM模式数量，
Figure GDA0002512721130000146
表示每个OAM模式在两个接收天线之间产生的相位差，S表示叠加后的信号，X表示叠加信号在x轴方向的投影，Y表示叠加信号在x轴方向的投影，
Figure GDA0002512721130000147
表示叠加信号在两个接收天线之间产生的相位差，ω表示信号的角频率，t表示时间，不同模式的OAM模式叠加满足平行四边形矢量叠加法则，因此在不同OAM模式在接收端两根天线之间形成的相位差一定的情况下，可以通过改变参与叠加的不同OAM模式的幅值，实现控制改变叠加信号相位的目的。
假设发射端能够产生Nt种OAM电磁波，每次选Na个OAM发射相同的M-PSK信号，并且所有的OAM模式在接收端第一根参考天线上实现相位对齐，那么对于第k种组合模式，第二根接收天线与第一根接收天线之间OAM模式组合的相位差为：
Figure GDA0002512721130000148
其中，
Figure GDA0002512721130000149
表示第k组天线之间的相位差，
Figure GDA00025127211300001410
表示从Nt根天线里面选Na种所有的组成方式而且，每个相位差通过虚拟内插旋转内插后对应一种OAM发射组合模式，假设发射端可以产生4种不同模式的OAM信号，模式数分别为1,2,3,4进行组合发射，最多可以形成15中不同的组合，可以选择其中的8种进行索引调制传输，结合BPSK星座点，使得组合***达到每个符号4bit的传输速率。而在所选择的模式组合中，如果所有OAM模式的功率均匀分配，那么模式1和3的组合与模式2单独发射时在接收端两根天线上所形成的相位差基本相同，也就是造成在索引域中由于谱线之间由于距离太近而不易区分。因此，本实例通过改变不同OAM模式在不同组合中的功率分配系数
Figure GDA0002512721130000156
来控制改变加和信号的相位差，也就是说，通过改变发射端不同OAM在传输相同信号加权时的功率分配，可以使得每一个OAM的模式组合在索引域对应的谱线分离，从而实现不同OAM模式的组合在索引域中与不同谱线之间的一一映射关系。
为了达到所有谱线之间的欧氏距离尽可能相等，换句话说，也就是实现所有组合模式矢量叠加信号的最小相位差最大化，尽量扩大不同模式之间的欧氏距离，发射端的功率分配可以进一步建模成如下最优化问题：
Figure GDA0002512721130000151
其中，
Figure GDA0002512721130000152
表示不同模式的功率分配系数，εk表示相位差
Figure GDA0002512721130000153
最小的模式组合，
Figure GDA0002512721130000154
表示从L种模式组合中选择LA种的组合数，
Figure GDA0002512721130000158
表示两根天线之间的相位差，Ptol表示总功率。通过优化功率分配模型，在总发射功率不变的情况下，通过AWG调整不同模式中所有参与叠加的OAM信号的功率分配。具体功率分配的步骤如下：
(1)在已知所有OAM组合模式的前提下，首先可以将发射功率离散量化成为不同的小的区间，具体的区间的数量设置可以是根据发射端计算机的计算能力确定；
(2)对于每一种组合模式，依次改变组合模式中不同OAM模式的功率分配系数
Figure GDA0002512721130000157
进一步计算在此分配系数下不同OAM组合模式在接收端引起的相位差；
(3)在保证总发射功率不变的限制条件下，通过计算机搜索遍历的方式，依次遍历所有组合模式在划分的分配系数下的功率组合方式，搜索寻找使所有OAM组合方式的相位差相等的功率分配方式，将其作为最优的功率分配方式在发射端实施，从而实现调整所有OAM组合模式在索引域中对应的谱线之间的欧式距离相等，提高检测的可靠性。对应的本实施例中的所有OAM模式在不同索引调制组合中的功率分配结果如表2所示：
表2 OAM模式在不同索引调制组合中的功率分配结果
Figure GDA0002512721130000155
Figure GDA0002512721130000161
其中，表示不同组合中各个OAM模式的功率分配系数，在总功率不变的情况下，根据不同模式组合灵活调整各个模式的发射功率，形成组合发送符号，从而在接收端实现索引域中组合模式与谱线之间的高可靠检测。
以上是以两根接收天线为例说明，实际上接收子***是可以具有两根以上的接收天线，对于任两根接收天线，其构建索引域的方法与上述两根接收天线的方法没有区别，在此省略其描述。
第四实例
本实施例与第一、第三实施例类似，本实例中仍然假设OAM索引调制***的发射端可以产生4种不同模式的OAM信号，为了作为对比，在仿真中假设MIMO(指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收)***的发射端也配置4根相同的天线，总的发射功率一定，接收端配置Nr根普通接收天线，仿真分析传输***的误码率性能以及***传输容量随接收分集的变化。
在本发明提出的OAM索引调制方法中，发射端分别对不同OAM模式的组合进行选择和功率分配，在接收端采用虚拟内插旋转的方法确定所传输的OAM组合模式，同时检测组合模式所传输的BPSK星座点，组合解调出用户数据。而作为对比的多天线传输***为视距MIMO(LoS-MIMO)通信***，接收端通过开环信道估计的方法确定信道特性，即不需要导频信息，直接根据信号的特性估计信道信息，仿真过程计算了在已知信道特性的情况下不同传输***的误码率性能，如图4所示。
其中，图中注释里的AWGN表示加性高斯白噪声，OAM:4表示发射端传输4种不同模式的OAM信号，Rx:2表示接收端有两根天线，Tx:4表示发射端有4根天线。
从图4中可以看出，采用4种OAM模式结合QPSK幅相调制方式进行联合索引调制传输，并通过联合编码形成三维空间星座点，接收端Nr＝2，***可以实现每个符号传输4bit/s/Hz的通信效率，而要达到相同的通信传输速率。幅相调制方法通常采用高阶调制的传输方式，可以对比采用16QAM进行星座点调制的误码性能。而采用4相同天线配置的LoS-MIMO传输***，要实现相同的符号传输速率也同样需要利用在每一根天线复用传输QPSK星座点。仿真显示，本发明提出的OAM索引调制***相比于已知信道特性CSI的LoS-MIMO传输***具有更低的误码率，因为OAM索引调制***可以更好地避免载波间干扰ICI，并且引入了空间增益，因此可以在实现相同频谱效率的情况比普通MIMO***进一步降低误码性能。同时OAM索引调制***每次只激活部分射频链路，所以复杂的冲突避免算法就不需要了。接收机设计比V-BLAST要简单，因此具有较低的***实现复杂度，能够降低链路开销。而相比于相同频谱效率条件下的高阶调制方式，本发明提出的OAM索引调制方法误码性能明显下降，这是由于本发明提出的OAM索引调制***采用了联合编码的方法，将普通二维星座图转变成三维空间星座图，并且利用不同平面星座图之间的相位旋转，进一步拉大了星座点之间的欧氏距离，因此***的可靠性大大增强。
本发明还提供一种适合长距离传输的电磁波轨道角动量索引调制传输方法，本传输方法不但适用于1公里以内的OAM电磁波传输与接收，而且也适用于1公里以上的长距离OAM电磁波的传输与接收，包括以下步骤：
将用户的原始信息编码成为所要传输的比特信息；
比特信息分解为两部分，一部分输入幅相调制映射模块，映射成为所要传输的幅相星座点，另一部分进入OAM索引调制映射模块，通过查找表与不同OAM模式组合建立一一映射关系；
两部分信息合成为所要传输的中频载波，控制天线馈源发射不同模式组合的OAM电磁波，经发射面和透镜能量汇聚后在自由空间传输；
部分相位面接收天线对自由空间中的电磁波进行接收，将其转化为中频信号，幅相调制检测模块检测输出幅相星座点所对应的比特信息，中频信号通过相位差索引映射模块和索引域滤波器后在索引域形成不同的谱线，通过判断不同谱线在索引域中出现的位置，进而解调OAM模式组合所传输的比特信息，两部分比特信息合并恢复出所述原始信息。
优选地，差别小的OAM模式组合配置汉明距离大的比特信息进行传输。
优选地，检测接收天线之间不同的相位差并与不同OAM模式组合建立一一映射关系的方法包括虚拟内插旋转方法、两点相位梯度直接检测法、单点近似检测法、相位积累检测法中的一种或多种。
优选地，为每一OAM模式分配加权系数，建立最优化方程，在总发射功率不变的情况下，通过AWG调整不同模式中所有参与叠加的OAM模式的功率分配，将功率离散化，通过计算机搜索遍历的方式，确定最优加权系数，从而实现调整所有OAM组合模式在索引域中对应的谱线之间的欧式距离相等。
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。

Claims (10)

1.一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***，其特征在于，包括信号发生子***、发射天线子***、部分相位面接收子***，其中，
信号发生子***包括：
联合编码模块：将用户发送的原始信息编码成为比特信息；
比特分解模块：将比特信息分解成两部分，一部分输入幅相调制映射模块，另一部分输入OAM索引调制映射模块；
幅相调制映射模块：采用星座调制方式中任一种将输入的比特信息与各个代表不同幅度和相位的幅相星座点建立一一对应关系；
OAM索引调制映射模块：设置有包含不同OAM模式组合的查找表，将比特信息与对应选择发射的OAM模式组合建立一一映射关系；
任意波形发生器模块：幅相调制映射模块和OAM索引调制映射模块输出的信息通过波形发生器合成为联合发射符号；
发射天线子***用于将波形发生器产生的联合发射符号经过上变频和功率放大后馈送到不同OAM发生阵子上，形成多路OAM组合发射信号，经过反射面和透镜对能量汇聚后在自由空间中传输；
部分相位面接收子***包括：
接收天线阵：将自由空间中传输的电磁波转换成射频信号，射频链路将所述射频信号下变频为中频信号，部分相位面指的是接收天线阵设置在同一相位面的部分区域；
前置滤波器：中频信号通过前置滤波器后输出两路，一路输入相位差索引映射模块，另一路输入幅相调制检测模块；
相位差索引映射模块：将部分相位面上接收天线之间相位差，与不同OAM模式组合之间建立一一映射关系，从而通过虚拟内插旋转操作，将比特信息映射到索引域；
索引域滤波器：通过相位差索引映射模块构建映射关系后的信号通过索引域滤波器滤波输出后，在索引域形成不同的谱线，并且每一种OAM模式的组合对应一条谱线；
幅相调制检测模块：接收前置滤波器滤波后的载波信号，从而解调出幅相星座点，并进而获得与幅相星座点对应的比特信息；
OAM模式组合索引调制检测模块：检测识别索引域中的每一条谱线，根据所述查找表，检测确定通过OAM模式组合传输的比特信息；
星座图组合映射模块：将幅相调制检测模块检测得到的幅相星座点输出的比特信息与OAM模式组合索引调制检测模块解调得到的比特信息，按照发射端的比特分解关系，将两部分比特信息重新组合，从而形成完整的所述原始信息对应的比特信息；
联合解码模块：用于接收星座图组合映射模块输出的原始用户比特信息从而恢复用户传输的原始信息。
2.如权利要求1所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***，其特征在于，
发射天线子***包括产生不同OAM模式的天线馈源及其射频链路，射频链路包括功分器、混频器、放大器和射频原件，天线馈源是天线阵子或者谐振腔的形式，天线馈源是天线阵子或者谐振腔的形式；
反射面是具有或无超材料的抛物面；
透镜是凸透镜或者超材料透镜；接收天线包括混频器、放大器、功分器和射频链路，接收天线是天线阵列、谐振腔或者用于OAM接收检测的传感器。
3.根据权利要求1所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***，其特征在于，星座调制方式包括BPSK、QPSK、QAM。
4.根据权利要求1所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***，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。
5.根据权利要求2所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***，其特征在于，
所述天线馈源和/或所述接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线中的一种。
6.根据权利要求2所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输***，其特征在于，
产生不同模式OAM电磁波的设备是螺旋相位板、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。
7.一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
将用户的原始信息编码成为所要传输的比特信息；
比特信息分解为两部分，一部分输入幅相调制映射模块，映射成为所要传输的幅相星座点，另一部分进入OAM索引调制映射模块，通过查找表与不同OAM模式组合建立一一映射关系；
两部分信息合成为所要传输的中频载波，控制天线馈源发射不同模式组合的OAM电磁波，经发射面和透镜能量汇聚后在自由空间传输；
接收天线在部分相位面上对自由空间中的电磁波进行接收，将其转化为中频信号，幅相调制检测模块检测输出幅相星座点所对应的比特信息，中频信号通过相位差索引映射模块和索引域滤波器后，通过虚拟内插旋转操作，将比特信息映射到索引域，在索引域形成不同的谱线，通过判断不同谱线在索引域中出现的位置，进而解调OAM模式组合所传输的比特信息，两部分比特信息合并恢复出所述原始信息。
8.根据权利要求7所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输方法，其特征在于，
差别小的OAM模式组合配置汉明距离大的比特信息进行传输，其中，OAM模式组合的差别小是指OAM模式组合转换为索引域中的谱线之间的距离小于预设的距离阈值。
9.根据权利要求7所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输方法，其特征在于，
发射天线子***产生Nt种模式的OAM电磁波，接收天线阵包括Nr根天线，接收天线阵传输时的幅相调制选择M-PSK，不同星座点的表示记为d(m)，其中m∈[1,2,…,M]，M表示第M个星座点，发射天线子***共产生
Figure FDA0002512721120000031
种OAM模式组合方式，对应
Figure FDA0002512721120000032
种比特符号的组合，每一种OAM组合的联合发射符号表示为
Figure FDA0002512721120000033
公式中的省略号表示发送序列中任意的0或1比特信息，1×Nt表示X(k)是1行Nt列的向量，其中k∈[1,2,…,K]，表示激活的第k组OAM模式组合索引，元素1的位置就表示所要传输的OAM模式在组合中的位置，由此接收天线阵接收到的组合传输信号简化表示为：
Figure FDA0002512721120000034
其中，
Figure FDA0002512721120000035
表示各个模式组合的功率分配系数，X(k)是联合发射符号，
Figure FDA0002512721120000036
表示传输OAM索引调制的模式组合k时，发射天线子***的激活OAM模式与接收天线阵之间传输的信道系数所构成的信道矩阵，z是均值为零的高斯白噪声矩阵。
10.根据权利要求7所述的一种适合长距离传输的轨道角动量索引调制传输方法，其特征在于，
为每一OAM模式分配加权系数，建立最优化方程，在总发射功率不变的情况下，通过AWG调整不同模式中所有参与叠加的OAM模式的功率分配，将功率离散化，通过计算机搜索遍历的方式，确定最优加权系数，从而实现调整所有OAM组合模式在索引域中对应的谱线之间的欧式距离相等。
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