基于轨道角动量的模态编码方法、系统及可读存储介质技术方案

本发明专利技术提供了基于轨道角动量的模态编码方法、系统及可读存储介质，涉及无线通信技术领域，包括设置二进制序列的编码长度N，根据OAM模态的编码方法，确定模态数量，将预设的二进制序列和模态数量建立对应关系，得到模态编码；根据模态数量，确定均匀圆环阵列的单元数量；基于均匀圆环阵列的单元数量和模态编码，计算均匀圆环阵列中的单元激励；对均匀圆环阵列辐射的电场E进行离散采样和傅里叶变换，得到OAM模态谱，并对OAM模态谱的有效模态进行解码，得到二进制序列。本发明专利技术的有益效果为根据电磁波的轨道角动量这一维度特性，拓展了无线电方法在数字编码技术方面的应用，可以实现对二进制序列的编码、解码，同时该编码方法具有出色的抗噪声性能。出色的抗噪声性能。出色的抗噪声性能。

【技术实现步骤摘要】
基于轨道角动量的模态编码方法、系统及可读存储介质


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体而言，涉及基于轨道角动量的模态编码方法、系统及可读存储介质。

技术介绍

[0002]无线电用于通信已有一百多年，现在主要的通信方式是将基带信号通过调制加载到高频信号上，再通过天线将高频信号发射到空间中进行传播。调制方式主要有幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK和正交幅度调制法QAM，要简单说来就是调幅、调频、调相和同时调制幅度与相位。
[0003]这四种方法分别利用了电磁波的幅度、频率、相位或者同时结合其中两种参数对信源进行调制。随着对电磁波更加深入的研究，发现了轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)的模态也可以用于信号调制，拓展了全新的通信维度，提升信道容量。携带不同轨道角动量的波束之间相互正交，可以进行同轴传输，每个模态代表不同的数据位，与二进制序列建立映射关系，就能实现二进制序列的编码。因此，通过轨道角动量来进行二进制编码，如何在接收端对编码电场进行解码，构建一个完整的基于轨道角动量模态的编码解码系统，是现阶段需要考虑的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于轨道角动量的模态编码方法、系统及可读存储介质，以改善上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0005]第一方面，本申请提供了一种基于轨道角动量的模态编码方法，包括：
[0006]设置二进制序列的编码长度N，根据OAM模态的编码方法，确定模态数量，将预设的二进制序列和模态数量建立对应关系，得到模态编码；其中每一种模态均对应一个二进制数位；
[0007]根据模态数量，确定均匀圆环阵列的单元数量；
[0008]基于均匀圆环阵列的单元数量和模态编码，计算均匀圆环阵列中的单元激励，并由均匀圆环阵列激发携带OAM模态编码的辐射场；
[0009]对辐射场进行离散采样，得到采样结果；对采样结果进行傅里叶变换，得到OAM模态谱，对OAM模态谱的有效模态进行解码，得到最终的二进制序列。
[0010]优选地，所述得到模态编码，之前包括：
[0011]根据待编码的二进制序列的编码长度N，得到OAM模态所需最少的模态数量，计算公式如下：
[0012]M＝N+1
[0013]式中，M表示为模态数量，N表示为编码长度；
[0014]将M个OAM模态与长度为N的二进制序列建立如下对应关系：
[0015][0016]式中，bit表示二进制序列中的数位，l为OAM模态；其中bit1为1时，均匀圆环阵列激发的辐射场中则包含l1的OAM模态，反之bit1为0时，辐射场中则不包含l1的OAM模态；bit2,bit3,
…
,bit
N
按照相同规律对l2,l3,
…
,l
M
‑1进行编码；若所有bit都为0时，用单独的一个0模态进行编码。
[0017]优选地，所述根据模态数量，确定均匀圆环阵列的单元数量，其中包括：
[0018]基于模态数量，计算均匀圆环阵列的单元数量，均匀圆环阵列的单元数量N
ele
与OAM模态l的关系如下：
[0019][0020]其中，N
ele
表示为均匀圆环阵列的单元数量，l为OAM模态，l为整数，l的可取值数量为M。
[0021]优选地，所述计算均匀圆环阵列中的单元激励，并由均匀圆环阵列激发携带OAM模态编码的辐射场，其中包括：
[0022]计算一个OAM模态的单元激励，计算公式如下：
[0023][0024]式中，表示产生OAM模态为l时的单元激励，n表示均匀圆环阵列中单元的编号，N表示均匀圆环整列单元的数量，A
l
表示模态为l时的激励幅值，e指自然常数，j是虚数单位，N
ele
表示均匀圆环阵列的单元数量；
[0025]当X个OAM模态同时激发时，设X个模态在第n个单元处的叠加激励为a
n
，计算公式如下：
[0026][0027]式中，n表示均匀圆环阵列中单元的编号，l
k
表示第k个模态的值，和A
k
分别表示产生模态为l
k
时的单元复激励和幅值，e指自然常数，j是虚数单位，N
ele
表示均匀圆环阵列的单元数量；
[0028]计算得到所有单元的激励后，通过均匀圆环阵列激发辐射场E。
[0029]优选地，所述对辐射场进行离散采样，得到采样结果；对采样结果进行傅里叶变换，得到OAM模态谱，其中包括：
[0030]获取均匀圆环阵列激发的辐射场E；
[0031]对均匀圆环阵列激发的辐射场的原点为中心，以R
r
为半径，进行离散均匀采样操作，采样点数为s，得到采样电场；
[0032]基于傅里叶变换公式，对采样电场进行离散计算，得到OAM模态谱。
[0033]优选地，所述基于傅里叶变换公式，对采样电场进行离散计算，得到OAM模态谱，其
中包括：
[0034]计算离散采样电场中模态谱，计算公式如下：
[0035][0036]式中，C
q
为模态编码范围中第q个模态的模态谱，s为采样点数，为第i个采样点的电场，e指自然常数，j是虚数单位，l表示模态值，表示第i个采样点电场在坐标中的相位；
[0037]分别计算每个模态在整个采样电场的模态中所占的比例，公式如下：
[0038][0039]式中，P
q
为每个模态在辐射场中的能量占比，C
q
和C
k
分别表示第q和第k个模态的模态谱；
[0040]将每个模态在整个采样电场的模态中所占的比例进行归一化，得到最终归一化后的OAM模态谱计算公式如下：
[0041][0042]其中P
q
为每个模态在辐射场中的能量占比，max(P
q
)表示能量占比最大的模态。优选地，所述对OAM模态谱的有效模态进行解码，得到最终的二进制序列，其中包括：
[0043]根据最终归一化后的OAM模态谱，设置判决门限；
[0044]基于判决门限对OAM模态谱的有效模态进行解码，最终得到解码后的二进制序列，公式如下：
[0045][0046]式中，d
q
表示经判决门限判决后的二进制序列，表示归一化后的OAM模态谱，t表示为判决门限。
[0047]优选地，所述根据模态数量，确定均匀圆环阵列的单元数量，其中均匀圆环阵列的单元数量和OAM模态的关系如下：
[0048][0049]式中，l为整数，l的可取值数量为M，N
ele
为均匀圆环阵列的单元数量。
[0050]第二方面，本申请还提供了一种基于轨道角动量的模态编码系统，包括建立关系模块、确定模块、计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于轨道角动量的模态编码方法，其特征在于，包括：设置二进制序列的编码长度N，根据OAM模态的编码方法，确定模态数量，将预设的二进制序列和模态数量建立对应关系，得到模态编码；其中每一种模态均对应一个二进制数位；根据模态数量，确定均匀圆环阵列的单元数量；基于均匀圆环阵列的单元数量和模态编码，计算均匀圆环阵列中的单元激励，并由均匀圆环阵列激发携带OAM模态编码的辐射场；对辐射场进行离散采样，得到采样结果；对采样结果进行傅里叶变换，得到OAM模态谱，对OAM模态谱的有效模态进行解码，得到最终的二进制序列。2.根据权利要求1所述的基于轨道角动量的模态编码方法，其特征在于，所述得到模态编码，之前包括：根据待编码的二进制序列的编码长度N，得到OAM模态所需最少的模态数量，计算公式如下：M＝N+1式中，M表示为模态数量，N表示为编码长度；将M个OAM模态与长度为N的二进制序列建立如下对应关系：式中，bit表示二进制序列中的数位，l为OAM模态；其中bit1为1时，均匀圆环阵列激发的辐射场中则包含l1的OAM模态，反之bit1为0时，辐射场中则不包含l1的OAM模态；bit2,bit3,
…
,bit
N
按照相同规律对l2,l3,
…
,l
M
‑1进行编码；若当所有bit都为0时，利用单独的一个0模态进行编码。3.根据权利要求1所述的基于轨道角动量的模态编码方法，其特征在于，所述根据模态数量，确定均匀圆环阵列的单元数量，其中包括：基于模态数量，计算均匀圆环阵列的单元数量，均匀圆环阵列的单元数量N
ele
与OAM模态l的关系如下：其中，N
ele
表示为均匀圆环阵列的单元数量，l为OAM模态，l为整数，l的可取值数量为M。4.根据权利要求1所述的基于轨道角动量的模态编码方法，其特征在于，所述计算均匀圆环阵列中的单元激励，并由均匀圆环阵列激发携带OAM模态编码的辐射场，其中包括：计算一个OAM模态的单元激励，计算公式如下：式中，表示产生OAM模态为l时的单元激励，n表示均匀圆环阵列中单元的编号，N表示均匀圆环整列单元的数量，A
l
表示模态为l时的激励幅值，e指自然常数，j是虚数单位，N
ele
表示均匀圆环阵列的单元数量；当X个OAM模态同时激发时，设X个模态在第n个单元处的叠加激励为a
n
，计算公式如下：
式中，n表示均匀圆环阵列中单元的编号，l
k
表示第k个模态的值，和A
k
分别表示产生模态为l
k
时的单元复激励和幅值，e指自然常数，j是虚数单位，N
ele
表示均匀圆环阵列的单元数量；计算得到所有单元的激励后，通过均匀圆环阵列激发辐射场E。5.根据权利要求1所述的基于轨道角动量的模态编码方法，其特征在于，所述对辐射场进...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖成，杜伟，冯菊，余洪鑫，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：