基于轨道角动量的传输系统仿真

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。

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