CN110995299B - 基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法及***。***中，信号发射端子***包括数据产生模块、串并转换模块、干涉码扩维模块、OAM模态选择模块和信号发射天线模块。数据产生模块输出调制的串行用户数据；串并转换模块将串行用户数据转换成多行并行数据；干涉码扩维模块将并行数据与干涉码相乘形成扩维矩阵；模态选择模块将扩维矩阵各列向量的元素分别相加并经不同模态馈送到天线阵子转换为空间电磁波发出。在接收端，信号接收端子***包括接收天线阵列和数据解调模块，接收天线阵列将接收的空间传输电磁波发送到解调模块。解调模块将发射信号恢复为用户数据。本发明提高接收端信噪比、降低接收端解算复杂度，可应用于多用户传输。

Description

基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法及***

技术领域

本发明轨道角动量电磁波通信技术领域，特别涉及一种基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法及***。

背景技术

电磁波轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是区别于电磁波电场强度的另外一个重要物理量。具有OAM的电磁波又称为“涡旋电磁波”，其相位面沿着传播方向呈现螺旋状，已经不是传统平面电磁波。不同OAM的电磁波可以同频正交传输，为电磁波复用打开了一个新的维度。有望应用于通信、导航和雷达，不仅可以大幅提高通信传输容量，而且可以提高导航精度和雷达探测精度，是电磁波应用未来发展的重要方向。

电磁波轨道角动量(OAM)的研究已经有三十多年历史，最初主要集中在光通信领域，直到最近十年才逐渐延申到低频电磁波领域，即微波、毫米波和太赫兹波段，具有电磁波OAM的通信***可以依靠OAM正交性大幅提高***的传输容量。OAM模态的正交性带来了附加的频谱效率和能量效率，首先在光通信中得到实现和应用。因不同阶数OAM之间具有正交性，光纤中的OAM模态之间也相互正交，多个空间叠加的OAM模态可以使用反向的相位板使之解调成高斯模式，从而在空间上相互分离，解调***省去复杂的DSP算法，大大降低***的复杂度。OAM模态复用可以用来增加信道数量，提高通信容量。具有自旋OAM的圆偏振光于1909年首次被Poynting预测。在1936年的实验中第一次观察到了圆极化光的力学效应。此后科学界对电磁波OAM的研究几近停滞。直到1992年，Allen才提出，拉盖尔高斯激光束具有OAM，可用作光学扳手或增加传输信道容量。2012年，Jian Wang等人利用激光的轨道角动量性质，达到了1.37Tbps的传输速率。2013年，Nenad B.等人利用两个OAM模态复用和偏振态复用实现了传输距离1.1km和传输速率400Gbit/s，并结合十个波长的波分复用，实现了1.6Tbit/s的传输速率，且通信***中并没有使用DSP算法解调，简化了接收机的复杂度。上海交通大学金贤敏团队于2018年12月开发了第一个光芯片内制备出可携带光子OAM自由度的光波导，并实现光子OAM在波导内高效和高保真地传输。

与光通信相比，射频电磁波(300GHz以下)生成和应用轨道角动量量子态较为困难，并且因波束发散导致射频OAM波束在自由空间中的长距离传输方式困难。2007年B.Thide等人首次将光领域的OAM推广到微波波段，提出均匀圆形阵列(UCA)天线可以产生微波轨道角动量，并认为微波OAM同样会提高射频信息的传输速率，缓解频带被大量占用的问题。因为均匀圆形天线阵列可以方便产生携带不同模态的轨道角动量，此后的很多研究也都基于均匀圆形天线阵列方案。2010年，Mohammadi详细分析了利用均匀圆形天线阵列产生和检测不同的OAM电磁波。接收端采用与发射端OAM模态相反的接收天线从空间接收整个环形波束能量，发射的OAM电磁波被接收天线相位补偿后变为常规平面电磁波，而由于不同模态的OAM电磁波环形波束半径随模态数正比例增大，通过空分方式即可分离出相位补偿后的常规电磁波。这种全空域接收方法是从光学OAM借鉴而来。2014年，Yan Yan等人利用全空域接收方法在2.5m距离复用四种OAM模态，传输速率32Gbit/s，频谱效率达到16bit/s/Hz。分析现有电磁波OAM全相位面共轴传输方式可发现：随着OAM模态数的增加，OAM电磁波发散角增大，从发射天线发出的电磁波波束成倒锥状，传输距离越长，波束越发散。如果采用的光纤中全相位面共轴接收方法，则需要与传播方向共轴的巨大环状接收天线，这在实际环境中无法实现。因此，全空域的接收方法只适用于短距离点对点传输。由于OAM电磁波的相位在环形波束截面上沿圆周呈线性分布，环形波束截面上的任意两点间存在相位差，且不同OAM模态的电磁波产生的相位差不同。当天线间距固定，天线间相位差与OAM模态呈正比。因此可以在部分环形波束上布置天线阵列接收信号，对接收信号做傅里叶变换即可完成不同相位差的检测，进而完成不同OAM模态的检测和分离。2016年，浙江大学章献民课题组等人利用部分接收完成4路OAM电磁波进行10m，传输速率160Mbit/s的实验。但是相位梯度检测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模态检测的正确性。并且，检测精度随两天线间的张角的减小而降低，即：当天线间距固定时，检测精度随着传输距离增大而降低，此外，其检测性能受噪声影响很大。2016年，清华大学航电实验室利用部分相位面接收OAM电磁波，通过旋转OAM电磁波实现将OAM映射到第二频域，完成了27.5公里长距离(清华大学至千灵山)10GHz OAM电磁波传输实验；并于2018年4月，成功进行了172公里(蟒山至任丘)机载OAM复用传输实验。

采用UCA天线的轨道角动量传输方案，被认为是一种高频谱效率的有效视距MIMO方案。然而，多天线联合解调需要对多天线信号进行处理，造成接收机解算的高复杂度。采用OAM接收机结构的MIMO方案为了克服模态间的干扰，需要引入复杂的干扰消除机制，无法进行多用户传输。在发送端(Tx)和接收端(Rx)阵列天线之间的不共轴情况下，模态间干扰尤为突出。因此在本发明中创新性地提出了基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法与***，采用干涉码在多路复用传输的不同模态上扩展。由于干涉码的正交性，最终发射的OAM波束自干涉形成空分波束，每个波束能量集中在一个相应接收天线方向上，可以很容易地被UCA中的相应天线接收到，提高了接收端信噪比(SNR)，简化了接收机结构。此外，该方案不需要考虑模态间干扰，并且空分波束可以分配给多个用户形成多用户OAM传输方案。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决背景中所述的UCA天线方案中多天线联合解调的高解算复杂度问题，以及收发端不共轴情况下的OAM模态间干扰问题。

为此，本发明的目的在于提出一种基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法及***，该***简化了OAM的UCA天线方案中接收机结构，提高了接收端信噪比，实现了多用户传输，并且大大抑制了收发端不共轴情况下的模态之间干扰问题。

一种基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输***，包括信号发射端子***和信号接收端子***，其中：

信号发射端子***包括依次连接的数据产生模块、数据串并转换模块、干涉码扩维模块、OAM模态选择模块和信号发射天线模块，其中，

数据产生模块，用于接收用户数据并输出经过调制的串行用户数据；

数据串并转换模块，用于将所述串行用户数据根据OAM模态数目转换成多行并行数据；

干涉码扩维模块，用于将所述并行数据与干涉码相乘，对并行数据进行扩维操作，变成与OAM模态数相同维数的扩维矩阵，所述干涉码是具有正交性或准正交性的序列；

OAM模态选择模块，将所述扩维矩阵的各列向量的元素分别相加并选择不同的OAM模态馈送到信号发射天线模块的不同OAM模态的均匀圆形阵列天线阵子上，形成不同的OAM模态载波信号；

信号发射天线模块，用于将不同的OAM模态载波信号转换为空间电磁波发送出去，

信号接收端子***包括接收天线阵列和数据解调模块，接收天线阵列位于不同OAM模态波束汇聚到的同一环形截面上，每个波束对应一个接收天线，各接收天线分别将接收的空间电磁波转换为射频信号送往数据解调模块，数据解调模块将所述射频信号恢复为各路用户数据。

一种基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法，应用如上所述的传输***进行如下步骤：

数据产生模块接收用户数据并输出经过调制的串行用户数据；

数据串并转换模块将所述串行用户数据根据OAM模态个数转换成多行并行数据；

干涉码扩维模块将所述并行数据与干涉码相乘，对并行数据进行扩维操作，变成与OAM模态数相同维数的扩维矩阵，所述干涉码是具有正交性或准正交性的序列；

OAM模态选择模块将所述扩维矩阵的各列向量的元素分别相加并选择不同的OAM模态馈送到信号发射天线模块的不同OAM模态的均匀圆形阵列的天线阵子上，形成不同的OAM模态载波信号；

信号发射天线模块将不同的OAM模态载波信号转换为空间电磁波发送出去；

接收天线阵列位于不同OAM模态波束汇聚到的同一环形截面上，每个波束对应一个接收天线，各接收天线分别将接收的空间传输电磁波转换为射频信号并发送到数据解调模块，数据解调模块将所述射频信号恢复为各用户数据。

本发明旨在上解决背景中所述的自由空间电磁波轨道角动量传输中由于波束发散造成接收信噪比低和MIMO方案的接收机复杂度高问题，以及其中的模态间干扰和仅能单用户接收问题。为此，本发明的目的在于提出一种基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法与***，该方法能够提高电磁波轨道角动量传输接收端信噪比，降低接收机解算复杂度。另外，该方案抑制了UCA的OAM模态间干扰，解决了仅能用于单用户接收问题。本专利提出的方案可以应用于多用户传输，在以下的实例中会有具体说明。

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为本发明基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输***的结构示意图；

图2-1是平面共轴UCA模式的示意图；

图2-2是圆形纵向共轴UCA模式的示意图；

图3为本发明多个纵向均匀圆形天线阵共轴发射与接收结构示意图；

图4为本发明实施例的OAM复用传输中单个赋形波束空间能量分布图；

图5为本发明实施例的复用波束定向能量分布环形截面图；

图6-1为本发明实施例的波束指向位置的相邻位置用户接收能量分布曲线图；

图6-2为本发明实施例的波束指向位置的对角线位置用户接收能量分布曲线图；

图7为本发明实施例的多用户传输示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法及***的实施例。本领域的普通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、2-1、2-2所示，基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输***包括信号发射端子***和信号接收端子***。其中，信号发射端子***包括数据产生模块101、数据串并转换模块102、干涉码扩维模块103、OAM模态选择模块104和信号发射天线模块105，其中信号发射天线模块105包含平面共轴UCA模式109和圆形纵向共轴UCA模式110；信号接收端子***包括接收天线阵列106、数据解调模块107以及用户接收端模块108。下面分别说明各子***的构成。

1.信号发射子***

(1)数据产生模块101：产生用户数据并输出经过调制的串行用户数据。调制的方法可以是振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)，也可以是正交振幅调制(QAM)、最小频移键控(MSK)、正交频分复用调制(OFDM)等。

(2)数据串并转换模块102：将串行用户数据根据OAM模态个数转换成多行并行数据；

(3)干涉码扩维模块103：将所述并行数据与干涉码相乘，对并行数据进行扩维操作，变成与OAM模态数相同维数的扩维矩阵，所述干涉码是具有一定正交性或准正交性的序列，由于干涉码的正交性，最终发射的OAM波束自干涉形成空分波束，每个波束能量集中在一个对应的接收天线方向上，可以很容易地被接收端的UCA中的相应天线接收到。

所述干涉码是具有一定正交性的序列组。不失一般性，下面以载波干涉码(CI码)为例进行说明扩维过程。由傅里叶变换矩阵的各向量构成CI码的过程为：

F_N＝[W_i,k]_N×N (2)

其中，

在N＝2ⁿ,n∈Z⁺的情况下，F_N为DFT(离散傅里叶变换)矩阵，它的行向量之间两两正交。CI码包括干涉码1至干涉码N-1,可以表示为

C＝[c₀,c₁,…,c_N-1]^T (3)

其中，c_i＝[W_i,0,W_i,1,…,W_i,N-1]，0≤i≤N-1。如图1所示，假设用户数据经过串并转换之后为并行数据D＝[d₀,d₁,…,d_N-1]^T，即附图1中的符号1至符号N-1,经过干涉码扩维模块，发送的CI-OAM信号(扩维信号矩阵)S为D和C的哈达玛积

其中，

表示哈达玛积，C表示CI码扩维矩阵，S矩阵每列在一个OAM模态发送，则第k行扩维信号矩阵在OAM模态l上发射信号为

(4)OAM模态选择模块104：把采用相同OAM模态传输的并行数据进行叠加，即将输入的扩维矩阵进行列向量相加并选择相应的OAM模态，馈送到不同OAM模态的UCA天线阵子上，形成不同的OAM模态载波信号，即如上的S第一列的元素相加由OAM模态0发送，第二列的元素相加由OAM模态1发送，以此类推，一直到第N列的元素相加由OAM模态N-1发送。

需要说明的是，以上仅是以形成多行并行数据，对并行数据扩维成扩维矩阵，扩维矩阵的各列之间正交。也可以是形成多列并行数据，对并行数据扩维成扩维矩阵，则扩维矩阵的各行之间正交。其原理和方法都是相同的，在此不做赘述。

(5)信号发射天线模块105：用于将不同的OAM模态载波信号转换为空间电磁波，其包含平面共轴UCA模式109和纵向共轴UCA模式110两种模式中的任一种。

其中，平面共轴UCA模块109如图2-1所示，包括在同一平面内的多个同轴(即围绕同一个传播轴)的均匀圆形天线阵列组成，其中同一圈的阵子完全相同，馈电信号的幅值相等，相位一次均匀延迟，绕传播轴旋转一周相位总共延迟l·2π，l是OAM模态数。每个环产生不同的OAM模态，这样就可以在一个基板上发生不同OAM模态，但需要精确计算每个圆形天线阵列的半径，使得不同OAM模态波束最终汇聚到同一环形截面上，可通过公式6根据在同一平面内同轴的不同OAM模态的相同的波束发散角和电磁波频率，计算每个UCA半径。

公式6是基于UCA的OAM在球坐标系(r,θ,φ)下的电场表达式，其中OAM空域电场强度E，r表示圆形阵列的中心到观测点的直线距离，l为OAM模态数，N表示UCA中天线阵子的个数，J_l(·)是l阶第一类贝塞尔函数，

为波矢，λ为电磁波波长，

a为发射端UCA天线阵的半径，θ为OAM波束发散角。例如已知相同的波束发散角、电磁波频率和最终要汇聚到的同一环形截面，可以根据公式6计算出每个发射端UCA半径，再根据最终将要汇聚到同一环形截面，即可定位发射端位置。

其中，纵向共轴UCA模式110如图2-2所示，由多个相同的纵向均匀圆形天线阵组成，每个均匀圆形天线阵产生不同OAM模态，由于每个OAM模态不一样，波束发散角不同，需精确天线摆放位置。首先根据电磁波频率和均匀圆形天线阵半径计算出不同OAM模态的波束发散角，电磁波发散角可根据公式6求得，为使不同OAM模态波束最终汇聚到同一环形截面上，根据各环形天线阵列对应的波束发散角以及将要汇聚到的同一环形截面的位置，通过几何关系即可确定各环形天线阵列的位置；

信号发射天线模块105可以通过螺旋相位板、螺旋反射面或环形相控阵产生螺旋相位面，以得到具有轨道角动量的电磁波信号。信号发射天线模块105可以共轴产生多个模态的OAM电磁波，不同模态的OAM电磁波在空间传输时相互正交，信号的能量主要集中在主波瓣形成的圆环内，并且多个模态正交的OAM相位面也在圆环上均匀分布，使得不同OAM模态波束最终汇聚到接收端的同一环形截面上。

2.信号接收子***

(1)接收天线阵列106：接收天线阵列位于不同OAM模态波束汇聚到的同一环形截面上，用于将空间传输电磁波(在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)送往数据解调模块，对应前面的1至N-1的模态信号，在该同一环形截面上有1至N-1个天线，各个模态波束对应一个不同的接收天线；

(2)数据解调模块107：将接收到的射频信号解调恢复为用户数据；

(3)用户接收端模块108：将解调模块数据送入用户接收端。

下面说明一下信号接收的实现原理。发射端可以采用纵向共轴UCA模式110或平面共轴UCA模块的109的任一种，在接收端共轴布置包含M个天线的UCA天线阵子，M个天线均匀分布在相位面上。对于模态l，相邻天线间的相差为c。不失一般性，设0号天线正好在所有模态发射信号的初相方向(这里以0号为例仅是为了便于说明，实际上0号天线也可以是其他号码，总之是以一个天线在所有模态的发射信号初相方向)，则对应接收天线阵的相位因子矩阵可以表示为：

其中，第m个天线对应的第l个模态信号的相位因子为

当M＝N时，

很容易可看出，当接收天线小于发射天线个数时，即M＜N，接收未知量个数小于发射数据个数，为欠定方程，无解。当接收天线个数多于发射天线个数时，即M＞N，接收未知量个数大于发射数据个数，为超定方程，可求其最小二乘解。为了简化计算和讨论，下面仅考察M＝N时各个接收天线上接收的信号。根据公式(5)，第0号接收天线所收到的信号为：

第i号天线，其接收信号为：

其中，

是第i个接收机的加性高斯白噪声，0为噪声均值，

为噪声方差。因此，第i号每个接收天线上只剩下对应数据d_i的信号，其他数据信号都随着相位因子矩阵行列的正交性而相互抵消了。从整个***来看，数据d_i好像沿着单独的信道发送给了接收天线r_i，体现出了扩维码在波束赋形和波束调控中的作用。

若0号天线没有对齐在所有模态发射信号的初相方向，设偏移的角度为φ，且

则接收天线阵在t时刻接收的信号可以表示为：

其中，r_i ^(φ)(t)表示从第i个接收天线接收的信号。设前面公式(8)和公式(9)表示φ＝0时的接收向量为r(t)＝[r₀(t),r₁(t),…,r_N-1(t)]，则接收向量的相关矩阵为：

R＝E[r(t)r^H(t)] (11)

其中矩阵R的第i₁行、第i₂列的元素为

矩阵p_i表示偏移角度φ后第i个天线信号与接收信号向量r(t)之间的互相关矩阵：

根据最小均方误差准则，可得到最优加权系数向量为：

w(φ,t)＝R^-1p_i (13)

从而得到接收天线偏转φ后输出信号为：

以所有模态初相(即起始相位)对齐举例：对并行数据通过由包含多个相同的圆形天线阵列的纵向共轴UCA模式110发送，如图3所示，四个相同的UCA沿轴放置在不同的位置，每个UCA产生一个模态OAM。沿纵轴方向，每个UCA产生的OAM模态数分别为l＝1，l＝2，l＝3，l＝4，其对应的波束发散角分别为θ₁＝11.26°,θ₂＝18.91°,θ₃＝26.47°,θ₄＝34.35°。发射UCA之间间距和接收UCA之间的间距分别为d₁、d₂、d₃和d₄。根据图3中所示的***结构，位置关系可计算为

接收天线环形半径R＝1m，求解每个UCA的位置分别为d₁＝2.1m、d₂＝0.91m、d₃＝0.55m和d₄＝1.46m。

通过仿真OAM模态数分别为l＝1，l＝2，l＝3，l＝4时复用(在接收端，各个模态的波束均以0相位对齐的起始相位累加)的单个赋形波束远场方向图如图4所示，可见得到每个赋形波束指向特定方向，则在该方向上放置接收天线，即可得到远场接收的最大信噪比。图5为四个天线发送四个OAM模态为l＝1，l＝2，l＝3，l＝4时复用的远场方向图，可看出在环面的四个相位方向

和

上每个接收天线乘上对应的相位因子只剩下对应天线阵子发送的数据，实现了OAM波束赋形指向不同位置。在波束赋形指向位置上放置接收天线，用户即可得到远场接收最大信噪比。图6-1为波束指向天线1时，相邻天线2方向的接收功率曲线；图6-2为波束指向天线1时，对角线天线3方向的接收功率曲线。可见，不同天线之间接收也会存在干扰，只要接收机SNR允许，该干扰可以通过调制和编码进行简单抑制。另外，根据本发明的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法与***还可以具有以下附加的技术特征：

由于最终发射的OAM波束在接收端的能量集中在一个方向上，则在接收端放置的天线提高了接收端信噪比(SNR)，且用户端直接进行解调接收，简化了接收机结构并降低了复杂度。如图4所示，由于电磁波束之间相位相消作用，波束能量最终汇聚到一个点方向上，且此方向只有一个用户数据信息，直接进行解调送入用户端，简化了接收机结构。

上面提到的一个天线可以代表一个用户，通过调整发射机的天线位置，不同用户可以在不同的传输距离和不同分布下接收和传输信息，便于分布式传输和接收，从而成为一个多用户***。作为一个案例，如图7所示，在4个OAM模态波束赋形后，在接收端环面的

方向上放置接收天线，用户1直接接收天线1数据并解调；在接收端环面的

方向上放置接收天线，波束赋形后指向用户2直接接收天线2数据并解调；在接收端环面相位为

和

上放置接收天线，波束赋形后分别指向用户3和用户4接收天线3和天线4并解调。

在一个可选实施例中，所述信号发射天线模块和/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。

在一个可选实施例中，利用螺旋相位板、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轨道角动量电磁波。

通过以上分析可以知道，本发明提出的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法与***，最终发射的OAM波束是自干涉形成空分光束的，每波束能量集中在一个对应接收天线方向上，可以很容易地被UCA中的相应天线接收到，提高了接收端信噪比，简化了接收机结构。此外，该方案不需要考虑模态间干扰，并且在多用户OAM方案下行波束形成中也具有广阔的应用前景。

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 (9)

1.一种基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输***，其特征在于，包括信号发射端子***和信号接收端子***，其中：

信号发射端子***包括依次连接的数据产生模块、数据串并转换模块、干涉码扩维模块、OAM模态选择模块和信号发射天线模块，其中，

数据产生模块，用于接收用户数据并输出经过调制的串行用户数据；

数据串并转换模块，用于将所述串行用户数据根据OAM模态数目转换成多行并行数据；

干涉码扩维模块，用于将所述并行数据与干涉码相乘，对并行数据进行扩维操作，变成与OAM模态数相同维数的扩维矩阵，所述干涉码是具有正交性或准正交性的序列；

OAM模态选择模块，将所述扩维矩阵的各列向量的元素分别相加并选择不同的OAM模态馈送到信号发射天线模块的不同OAM模态的均匀圆形阵列天线阵子上，形成不同的OAM模态载波信号；

信号发射天线模块，用于将不同的OAM模态载波信号转换为空间电磁波发送出去，

信号接收端子***包括接收天线阵列和数据解调模块，接收天线阵列位于不同OAM模态波束汇聚到的同一环形截面上，每个波束对应一个接收天线，各接收天线分别将接收的空间电磁波转换为射频信号送往数据解调模块，数据解调模块将所述射频信号恢复为各路用户数据，

其中，信号发射天线模块包括平面共轴UCA模式和纵向共轴UCA模式中的任一种，

其中，平面共轴UCA模式包括多个在同一平面内同轴的均匀圆形天线阵列，其中同一圈的天线阵子的馈电信号的幅值相等，相位依次均匀延迟，各圈圆形天线阵产生不同OAM模态，根据不同OAM模态对应的相同的波束发散角，计算均匀圆形天线阵半径，通过预设各圈圆形天线阵的半径，使得不同OAM模态波束汇聚到位于同一环形截面的接收天线阵列上；

其中，纵向共轴UCA模式包括多个纵向同轴的圆形天线阵列，每个圆形天线阵列产生不同OAM模态，根据电磁波频率和各圆形天线阵列半径计算出不同OAM模态的波束发散角，根据各圆形天线阵列对应的波束发散角以及将要汇聚到的同一环形截面的位置，确定各圆形天线阵列的位置，通过预设各圆形天线阵列与接收天线阵列的距离，使得不同OAM模态波束汇聚到位于同一环形截面的接收天线阵列上。

2.根据权利要求1所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输***，其特征在于，所述信号发射天线模块和/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、贴片天线中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输***，其特征在于，利用螺旋相位板、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轨道角动量电磁波。

4.根据权利要求1所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输***，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。

5.一种基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法，其特征在于，应用权利要求1所述的传输***进行如下步骤：

数据产生模块接收用户数据并输出经过调制的串行用户数据；

数据串并转换模块将所述串行用户数据根据OAM模态个数转换成多行并行数据；

干涉码扩维模块将所述并行数据与干涉码相乘，对并行数据进行扩维操作，变成与OAM模态数相同维数的扩维矩阵，所述干涉码是具有正交性或准正交性的序列；

OAM模态选择模块将所述扩维矩阵的各列向量的元素分别相加并选择不同的OAM模态馈送到信号发射天线模块的不同OAM模态的均匀圆形阵列的天线阵子上，形成不同的OAM模态载波信号；

信号发射天线模块将不同的OAM模态载波信号转换为空间电磁波发送出去；

接收天线阵列位于不同OAM模态波束汇聚到的同一环形截面上，每个波束对应一个接收天线，各接收天线分别将接收的空间传输电磁波转换为射频信号并发送到数据解调模块，数据解调模块将所述射频信号恢复为各用户数据。

6.根据权利要求5所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法，其特征在于，通过改变信号发射天线模块产生的不同OAM模态的初始相位，使得在接收端接收到的OAM模态信息对齐不同的初始相位，实现OAM波束赋形指向不同位置，在波束赋形指向位置上放置接收天线来接收射频信号。

7.根据权利要求5所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法，其特征在于，调制的方法包括振幅键控、频移键控、相移键控，正交振幅调制、最小频移键控、正交频分复用调制中的任一种。

8.根据权利要求5所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法，其特征在于，

信号发射天线模块包括平面共轴UCA模式，

其中，平面共轴UCA模式包括多个在同一平面内同轴的均匀圆形天线阵列，其中同一圈的天线阵子的馈电信号的幅值相等，相位依次均匀延迟，各圈UCA产生不同OAM模态，通过预设每个圆形天线阵列的半径，使得不同OAM模态波束汇聚到位于同一环形截面的接收天线阵列上，

对于平面共轴UCA模式，利用公式6根据不同OAM模态的电磁波频率和相同的波束发散角，计算均匀圆形天线阵半径，

公式6是基于UCA的OAM在球坐标系(r，θ，φ)下的电场表达式，其中E为OAM空域电场强度，r表示圆形阵列的中心到观测点的直线距离，l为OAM模态数，N表示UCA中天线阵子的个数，J_l(·)是l阶第一类贝塞尔函数，

为波矢，λ为电磁波波长，a为发射端UCA的半径，θ为OAM波束发散角，

9.根据权利要求5所述的基于扩维干涉码的电磁波轨道角动量传输方法，其特征在于，

信号发射天线模块包括纵向共轴UCA模式，

其中，纵向共轴UCA模式包括多个相同或不同的纵向同轴的圆形天线阵列，每个圆形天线阵列产生不同OAM模态，通过预设各圆形天线阵列的与接收天线阵列的距离，使得不同OAM模态波束汇聚到位于同一环形截面的接收天线阵列上，

对于纵向共轴UCA模式，利用公式6根据电磁波频率和均匀圆形天线阵列半径计算出不同的波束发散角，根据各圆形天线阵列对应的波束发散角以及将要汇聚到的同一环形截面的位置，确定各圆形天线阵列的位置，

公式6是基于UCA的OAM在球坐标系(r，θ，φ)下的电场表达式，其中E为OAM空域电场强度，r表示圆形阵列的中心到观测点的直线距离，l为OAM模态数，N表示UCA中天线阵子的个数，J_l(·)是l阶第一类贝塞尔函数，

为波矢，λ为电磁波波长，a为发射端UCA的半径，θ为OAM波束发散角，

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