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一种基于RS码的多模态轨道角动量通信系统信道编译码方法作者：冯紫芬孙学宏孙牧歌来源：《中国新通信》2016年第24期【摘要】频谱资源紧缺已成为限制无线通信技术发展的瓶颈，轨道角动量作为一种新型复用维度，由于其能够实现在同一频率同时传输多路信号，可以有效的提高系统的容量。
本文通过对轨道角动量通信系统的误码率进行分析，并在此基础上引入信道编译码，建立了基于轨道角动量的通信系统编译码模型。
实验结果表明，高斯噪声环境下，不同调制方式下轨道角动量通信系统误码率与标准通信信道结果相近，相比较2FSK、2PSK而言，轨道角动量通信系统中QAM调制具有更稳定、更优秀的性能。
同时，模型中信道编译码的引入为今后轨道角动量通信系统在提高通信系统容量、解决系统模式串扰等方面建立了研究基础。
【关键词】轨道角动量 RS码模式串扰模型误码率随着通信技术的不断发展与更新，频谱资源需求也随之上升，如何能够更有效的利用频谱资源已经成为了人们研究的热点。
轨道角动量作（orbital angular momentum ，OAM）为一种与相位、幅度、极化完全不同的新型维度被引入到无线通信中。
关于OAM的编码[1]问题，主要有两个方向，一种是对OAM本身进行编码，将不同的模态对应成不同的码字进行传输；另外一种就是将OAM涡旋波作为载体进行信息传输。
理论上OAM涡旋波在同一频率的各模态之间是正交的，互不干扰。
但是，实际无线通信系统信号在传输过程中，由于涡旋电磁波产生方法存在的一些缺陷，会引起信号的失真、模式串扰等问题[2]，信道编译码技术此时就显得尤为重要。
里所（Reed-Solomon，RS）码其纠错能力强、构造方便算法相对简单等优点，逐步成为一种最有效、应用最广泛的信道编码。
本文提出一种基于RS码的多模态OAM通信系统信道编译码的实现方法。
首先通过对OAM通信系统的研究，建立相应的模型。
然后在此模型中引入RS编译码模块来实现多模态OAM通信系统信道编译码，为解决OAM各个模态串扰、信号失真等建立研究基础。
涡旋电磁波轨道角动量传输技术一、什么是轨道角动量？目前，无线通信主要建立在平面电磁波上，已充分利用时域、频域、码域、空域和极化域这些复用维度来提高频谱效率。
为了获得更高的频谱效率，业界在不断尝试从电磁波的物理特性入手来实现信息传输方式的突破，比如轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）技术。
什么是OAM？根据经典电动力学理论，电磁波不仅具有线动量也具有角动量，其中，OAM描述的是电磁波绕传播轴旋转的特性，使电磁波的相位波前呈涡旋状，这种形式的电磁波被称为涡旋电磁波，如图1所示[1]。
OAM具有诸多OAM模态，其中OAM模态l=0为平面波，而对于l≠0的情况，不同模态值的涡旋电磁波彼此正交[2]，通过模态的复用可以在不依赖于诸如时间和频率等传统资源的情况下发送多个同轴数据流，提供了无线传输的新复用维度，从而提升频谱效率。
图1 涡旋电磁波涡旋电磁波可分为电磁波涡旋量子和统计态涡旋波束。
其中，电磁波涡旋量子指的是利用相对论下的涡旋电子辐射出携带不同模态数的涡旋量子，由于单个量子携带OAM，利用OAM量子发射机和OAM量子传感器可分别产生和接收独立于电场强度的新维度，从而提升系统容量[3]；统计态涡旋波束是指电磁波的宏观涡旋现象，其产生与接收方法类似于多天线系统中的波束赋形，目前业界就其能否提供无线传输新维度存在争议。
看到这里是不是一头雾水呢？没事，下面就跟小编一起掀起“OAM”的神秘盖头~~ （友情提示，文章有点长，一定要耐心读完哦）二、电磁波涡旋量子01技术原理电磁波涡旋量子是由磁场中回旋振荡电子辐射产生的[4]。
什么？量子？普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔？不不不，不要恐慌，往下看在发射端，首先利用高压电源对电子进行加速，然后高能电子进入均匀磁场。
将电子运动方向分解为平行磁场和垂直磁场两个方向，电子在平行磁场的方向做匀速直线运动，在垂直磁场方向受到洛伦兹力作用（洛伦兹力提供了向心力），在垂直于磁场和运动方向的平面内做回旋运动。
基于超表面的涡旋波通信仿真系统实验设计
李迎松;杨国辉;张狂
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2024(41)2
【摘要】为了让学生深入理解涡旋波传播原理,掌握涡旋波通信的特点,该文提出涡旋波通信传输实验方案。
首先,介绍了涡旋波的基本原理,并利用CST电磁仿真软件完成了同极化轨道角动量超表面的设计;其次,搭建了涡旋波通信传输系统,介绍了基于超表面的涡旋波通信系统架构,并对涡旋波通信进行测试验证。
实验结果表明,所
设计的超表面涡旋波通信系统可以实现涡旋波的传输和接收,并实现低误码率接收。
该文通过仿真和实验相结合的教学方式阐述涡旋波的产生、发射、传输和接收,不
仅能够让学生认识和理解涡旋波,还可以进行涡旋波超表面的仿真设计,掌握涡旋波
超表面的加工和超表面涡旋波通信的整个过程,在很大程度上激发了学生的学习热情。
【总页数】10页(P146-155)
【作者】李迎松;杨国辉;张狂
【作者单位】安徽大学电子信息工程学院;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
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OAM（Orbital Angular Momentum，轨道角动量）是光学领域中的重要概念，它是描述光波旋转状态的一种物理量。
在光通信、光传感和光学成像等领域，OAM近年来备受关注，并被广泛应用。
在OAM 通信系统中，通过改变光波的OAM值，可以实现多通道传输和高密度信息传输。
研究OAM的生成和解析方法对于光通信系统的设计和优化具有重要意义。
在OAM的研究中，OAM光的生成方法是一个重要的问题。
目前有多种OAM生成方法，如涡片光绕射、光学腔和相位调制等。
其中，基于相位调制的OAM生成方法被广泛应用，并且具有灵活性和可调性的优势。
在实际应用中，往往需要设计相应的OAM生成装置以实现特定的OAM值。
针对OAM的生成方法，可以使用Matlab等编程语言编写相应的代码进行模拟和仿真。
使用Matlab代码可以方便地模拟不同的OAM生成装置和分析其性能。
下面将介绍一种基于相位调制的OAM生成方法，并给出对应的Matlab代码作为示例。
1. 确定OAM所需的相位调制模式在进行OAM生成前，首先需要确定所需的相位调制模式。
可以根据所需的OAM值和光波的波长计算出相应的相位调制模式。
在Matlab 中，可以定义相应的相位函数，并将其作为相位调制装置的输入。
2. 模拟相位调制装置在确定相位调制模式后，可以使用Matlab对相应的相位调制装置进行模拟。
在模拟过程中，可以考虑到光波的传播特性和装置的物理参数，如衍射、色散和非线性效应等。
通过模拟可以得到OAM光的具体生成方案。
3. 分析和优化OAM生成装置在得到OAM光的生成方案后，可以对其进行分析和优化。
可以通过Matlab代码对生成装置的性能进行分析，如OAM值的准确度、传输效率和稳定性等。
通过分析可以发现潜在的问题并进行相应的优化。
4. 实际应用在完成OAM生成装置的分析和优化后，可以将其应用到实际的光通信系统中。
通过Matlab代码可以对系统的整体性能进行仿真和评估，如系统的传输距离、传输速率和抗干扰能力等。
Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2018, 7(2), 36-44 Published Online June 2018 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ojcs https://doi.org/10.12677/ojcs.2018.72005
文章引用: 蒋洪林, 王文星, 杨晶晶, 黄铭. 基于轨道角动量的传输系统仿真[J]. 电路与系统, 2018, 7(2): 36-44. DOI: 10.12677/ojcs.2018.72005
Simulation of Transmission System Based on Orbital Angular Momentum
Honglin Jiang1,2, Wenxing Wang2, Jingjing Yang2, Ming Huang2 1Honghe State Radio Management Office, Mengzi Yunnan
2Key Laboratory for Spectrum Sensing and Borderlands Radio Safety of High Education in Yunnan Province,
Kunming Yunnan
Received: May 23rd, 2018; accepted: Jun. 12th, 2018; published: Jun. 19th, 2018
Abstract As a novel, safe and high efficient spectrum utilization technology, orbital angular momentum (OAM) has attracted a great deal of attention in scientific community. Based on Matlab toolbox, OAM transmission system using FSK modulation is established. The effect of OAM mode number and multiple M-ary frequency-shift keying on bit error rate is analyzed. A simulation model of OAM multiplexing transmission system was established, and the error performance of the multip-lexing transmission system was studied. The orthogonality of different OAM modes and the prin-ciple of efficient use of spectrum are verified by simulation. A multi-path OAM transmission sys-tem model is established, and the relationship between the bit error rate and the signal-to-noise ratio of the transmission system when using different baseband modulation and demodulation methods is studied. Finally, a Matlab-based GUI interface was designed to display the electric field intensity, energy density, phase change, multiplex transmission, coding and decoding process in OAM transmission system, and the security of OAM transmission was discussed.
Keywords Wireless Communication, Radio Spectrum, Obital Angular Momentum, Transmission System Model, Matlab
基于轨道角动量的传输系统仿真 蒋洪林1,2，王文星2，杨晶晶2，黄 铭2 1红河州无线电管理办公室，云南 蒙自
2云南省高校谱传感与边疆无线电安全重点实验室，云南 昆明
收稿日期：2018年5月23日；录用日期：2018年6月12日；发布日期：2018年6月19日 蒋洪林 等 DOI: 10.12677/ojcs.2018.72005 37 电路与系统
摘 要 轨道角动量作为一种新的、高效利用无线电频谱的安全复用传输方式引起了科学界的关注。基于Matlab工具箱，建立了采用FSK调制方式的轨道角动量传输系统仿真模型，研究了OAM模式数和多进制频移键控M-FSK进制数M对误码率的影响；建立了OAM复用传输系统仿真模型，研究了复用传输系统的误码性能，验证了不同OAM模式的正交性，以及高效利用频谱的原理；建立了多径OAM传输系统模型，研究了采用不同的基带调制解调方式时，传输系统误码率与信噪比的关系。最后，设计了基于Matlab的GUI界面，进行了OAM传输系统中电场强度、能量密度、相位变化、复用传输和编解码过程的展示，讨论了OAM传输的安全性。
关键词 无线通信，无线电频谱，轨道角动量，传输系统模型，Matlab
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言 由于光具有波粒二象性，光量子具有纠缠性，因此光轨道角动量矩(OAM: Orbital Angular Momentum)在量子信息处理和光通信领域有广泛的应用[1] [2] [3]。然而，OAM在无线电频段的应用非常少。2012年，Tamburini等[4]采用螺旋抛物面天线产生OAM，并首次实现了相同频率下的无线OAM多路复用传输，随后无线电频段的OAM传输成为研究的热点[5] [6] [7] [8] [9]。与传统的时分复用、频分复用、码分复用和空分复用方式不同，OAM传输模式具有正交性，模式数l可取负无穷到正无穷之间的任意整数值，因此从理论上讲OAM复用的频率利用率可趋于无限大，有望彻底解决无线电频谱稀缺的问题[10]。 2014年，Demeter等人[11]建立了基于OAM的自由空间通信仿真模型，研究了FSK、PSK、QAM
基带调制的传输系统性能，结果证明在OAM信道保持正交的前提下，系统误码率接近标准加性高斯白噪声(AWGN: Additive White Gaussian Noise)信道下的通信系统性能。最近，Li等人[12]提出并论证了一种基于机器学习，用于改善湍流信道下OAM无线光传输系统性能的m序列自适应解调器，在接收端无额外空间光调制器和数字信号处理器的情况下，采用卷积神经网络构建的自适应解调器能有效的将不同OAM模式的强度序列转换为初始信号。Wang等人[13]提出了一种基于OAM的MIMO (OAM-based MIMO: OAM-based multiple-input multiple-output)信道模型，并进行了理论和仿真研究，结果表明，当传输距离大于特定值时，OAM-based MIMO通信系统的容量优于传统的MIMO通信系统。Basar [14]提出了一种具有指数调制的轨道角动量(OAM-IM: OAM with index modulation)复用传输方案，通过仿真证明，在相同的检测复杂性的前提下，OAM-IM复用传输系统的误码性能优于基于OAM的模分复用(OAM-based MDM: OAM-based mode division multiplexing)传输方式。Chen等[5]提出了一种宽带OAM-OFDM无线通信系统架构，结果表明，与现存的射频模拟相移器产生和接收OAM的通信架构相比，采用基带数字2-D-FFT通信架构可以减少能量消耗和硬件价格。 受上述思想的启发，本文分别建立了AWGN信道和多径信道下OAM传输系统模型；设计了基于Matlab的GUI界面，进行了OAM传输系统中电场强度、能量密度、相位变化、复用传输和编解码过程蒋洪林 等 DOI: 10.12677/ojcs.2018.72005 38 电路与系统
的展示。通过仿真得到了OAM复用传输系统的性能，验证了OAM模式的正交性、安全性，以及高效利用频谱的原理。这对探索新的复用传输技术，改善复用传输系统性能和频谱利用率具有重要意义。 2. 基于FSK调制的OAM传输系统仿真
2.1. 仿真模型 基于FSK调制的OAM传输系统仿真模型如图1所示。模型由Bemoulli二进制序列信号发生器、2-FSK基带调制器、OAM编码器、AWGN信道模块、OAM解码器、2-FSK基带解调器和误码率计算等模块组成。仿真时，信号发生器每帧采样数为100，2-FSK基带调制和解调模块每帧采样数为10，OAM编解码模块采样数为1000。 误码率计算是分析系统性能的关键，MATLAB本身自带了误码率计算工具，可以在命令窗口中输入bertool调用。使用时，需要设置AWGN的信道参数，Mode项选择Signal to noise ratio(Eb/No)，设置参数
为EbNo。Error Rate Caculation模块需要勾选Stop simulation，并设置两个参数为maxNumErrs和maxNumBits。
由于该工具需要接收工作区的数据，所以要将Error Rate Caculation模块添加到To Workspace模块，并设置参数EbNo。最后需要将三个参数初始化(EbNo
= 0; maxNumErrs = 100; maxNumBits = 1e8)，并保存在工
作区。设置好误码率计算工具后，在不同的OAM模式数下，即可得到误码率与信噪比的关系曲线。 2.2. 结果与讨论
