[发明专利]基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统

说明书

本发明公开了一种基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统，主要解决现有系统无法抗多径的问题。其包括发射端涡旋电磁波OAM模式形成器(1)、发射端射频链路模块(2)、均匀圆形发射天线阵列(3)、均匀圆形接收天线阵列(4)、接收端射频链路模块(5)和接收端涡旋电磁波OAM模式分解器(6)，发射端涡旋电磁波OAM模式形成器对输入数据块做IFFT运算后，产生正交频分复用OFDM的调制及产生轨道角动量OAM的模式数给链路模块，并通过天线阵列发射；接收端涡旋电磁波OAM模式分解器对接收数据块做FFT运算，实现正交频分复用OFDM的解调及分解轨道角动量OAM模式数。本发明能对抗宽带传输条件下的多径效应。

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种无线通信系统，可用于多径条件下基于均匀圆阵产生的涡旋电磁波的发射与接收。

背景技术

随着移动多媒体设备的快速增长及人们对实时通信要求的不断增强，目前的频谱资源已不堪重负。涡旋电磁波因其具有频谱利用率高、抗干扰的优点，自其发现之日起，一直受到广泛关注。由麦克斯韦的经典电磁理论可知，动量是电磁辐射的一个组成部分，而角动量作为动量的一种，它由自旋角动量SAM和轨道角动量OAM组成。轨道角动量可以描述相位结构，如果电磁波的轨道角动量的模式数不为0，则电磁波的波前相位呈螺旋分布，具有这种波前的电磁波称之为涡旋电磁波。2011年6月24日，Bo Tide等人在意大利威尼斯用实验证明了涡旋电磁波可以携带信息进行传播，见Tamburini F,Mari E,Sponselli A,etal.Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity:firstexperimental test[J].New Journal of Physics,2012,14(3):033001.为未来通信系统的设计提供了新思路。

随着对涡旋电磁波的深入研究，目前已经提出了多种产生涡旋电磁波的方法，例如螺旋相位板法、计算全息法、螺旋反射面法和天线阵列法等。由于当天线阵中的阵元子是偶极子时，均匀圆形天线阵列UCA能够辐射出不失真的携带有轨道角动量的涡旋电磁波束且UCA产生的涡旋电磁波束的强度最大，所以目前无线通信的研究中多用UCA来产生涡旋电磁波。2016年，Yan Yan等人在自然杂志发表了文章，见YanY,Li L,Xie G,et al.MultipathEffects in Millimetre-Wave Wireless Communication using Orbital AngularMomentum Multiplexing[J].Scientific reports,2016,6:33482.该论文指出将OAM复用用于毫米波无线通信时也会出现多径效应，但未对多径问题提出解决方案。

多径的存在会导致信号的衰落和相移，即当电磁波经不同路径传播后，由于各分量场到达接收端的时间不同，在接收端形成各自的相位叠加而造成干扰，使得原来的信号失真或者接收产生错误。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统，以解决涡旋电磁波传输过程中遇到的多径问题，避免发送信号的失真，减少接收端信号的错误。

本发明的技术思路是：利用UCA和正交频分复用OFDM的特性，构建一种特殊的架构，用数字的二维傅里叶变换实现OFDM技术和涡旋电磁波的产生与接收，其实现方案如下：

一种基于涡旋电磁波和正交频分复用的无线通信系统，包括发射端涡旋电磁波OAM模式形成器1、发射端射频链路模块2、均匀圆形发射天线阵列3、均匀圆形接收天线阵列4、接收端射频链路模块5和接收端涡旋电磁波OAM模式分解器6，其特征在于：

发射端涡旋电磁波OAM模式形成器1，采用二维IFFT数字处理器，用于对输入数据做IFFT运算后对数据符号加循环前缀，实现对正交频分复用OFDM的调制同时产生轨道角动量OAM发射波束的模式数，以对抗宽带传输条件下的多径效应；