一种多模态轨道角动量复用通信系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术可应用于微波或毫米波频段的多模态OAM复用通信系统中。

Multi mode orbital angular momentum multiplex communication system and method

The invention relates to a multi modal orbital angular momentum multiplexing communication system and method, wherein the system comprises a transmitting device and the receiving device is connected to communicate with each other, wherein, the transmitting device comprises a bit level processing module, constellation mapping module, modulation module, orbital angular momentum and orbital angular momentum digital domain multimodal multiplexing module DAC, module, frequency module and ring array antenna; the receiving device comprises a circular array antenna, down conversion module, ADC module, digital domain orbital angular momentum demodulation and de multiplexing module and detection module. The invention realizes the physical characteristics of significant differences with the traditional plane wave electromagnetic vortex wave multi modal OAM multiplexing communication technology, and achieve the spectral efficiency and transmission rate doubled to further expand the space and enhance the potential number of multiplexing mode. The invention can be applied to the multi mode OAM multiplex communication system in microwave or millimeter wave frequency band.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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 of photon 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 wave communication 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。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术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。本专利技术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个与所述圆环阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。...

【技术特征摘要】
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Rk(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rk,p(n)由下式(1)表示： r k , p ( n ) = ( d I , k ( n ) c o s 2 πl k ( p - 1 ) N - d Q , k ( n ) sin 2 πl k ( p - 1 ) N ) + j ( d I , k ( n ) sin 2 πl k ( p - 1 ) N + d Q , k ( n ) cos 2 πl k ( p - 1 ) N ) , k = 1 , 2 , ...... , M , p = 1 , 2 , ...... , N - - - ( 1 ) ; ]]>其中，dI,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，dQ,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，lk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xp(n)由下式(2)表示： x p ( n ) = Σ k = 1 M r k , p ( n ) , p = 1 , 2 , ... ... , N - - - ( 2 ) . ]]>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λk(n)由下式(3)表示： λ k ( n ) = λ I , k ( n ) + jλ Q , k ( n ) = Σ p = 1 N [ θ ...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斌，俞凯，卜智勇，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31