基于轨道角动量的传输系统仿真

OpenJournalofCircuitsandSystems电路与系统,2018,7(2),36-44PublishedOnlineJune2018inHans.://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.2018.72005SimulationofTransmissionSystemBasedonOrbitalAngularMomentumHonglinJiang1,2,WenxingWang2,JingjingYang2,MingHuang21HongheStateRadioManagementOffice,MengziYunnan2KeyLaboratoryforSpectrumSensingandBorderlandsRadioSafetyofHighEducationinYunnanProvince,KunmingYunnanReceived:May23rd,2018;accepted:Jun.12th,2018;published:Jun.19th,2018AbstractAsanovel,safeandhighefficientspectrumutilizationtechnology,orbitalangularmomentum(OAM)hasattractedagreatdealofattentioninscientificcommunity.BasedonMatlabtoolbox,OAMtransmissionsystemusingFSKmodulationisestablished.TheeffectofOAMmodenumberandmultipleM-aryfrequency-shiftkeyingonbiterrorrateisanalyzed.AsimulationmodelofOAMmultiplexingtransmissionsystemwasestablished,andtheerrorperformanceofthemultip-lexingtransmissionsystemwasstudied.TheorthogonalityofdifferentOAMmodesandtheprin-cipleofefficientuseofspectrumareverifiedbysimulation.Amulti-pathOAMtransmissionsys-temmodelisestablished,andtherelationshipbetweenthebiterrorrateandthesignal-to-noiseratioofthetransmissionsystemwhenusingdifferentbasebandmodulationanddemodulationmethodsisstudied.Finally,aMatlab-basedGUIinterfacewasdesignedtodisplaytheelectricfieldintensity,energydensity,phasechange,multiplextransmission,codinganddecodingprocessinOAMtransmissionsystem,andthesecurityofOAMtransmissionwasdiscussed.KeywordsWirelessCommunication,RadioSpectrum,ObitalAngularMomentum,TransmissionSystemModel,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21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.2018.7200537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，MatlabCopyright©2018byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).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:OrbitalAngularMomentum)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:AdditiveWhiteGaussianNoise)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-basedMIMO:OAM-basedmultiple-inputmultiple-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-basedMIMO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:OAMwithindexmodulation)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-basedMDM:OAM-basedmodedivisionmultiplexing)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OpenAccess蒋洪林等DOI:10.12677/ojcs.2018.7200538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Signaltonoiseratio(Eb/No)，设置参数为EbNo。ErrorRateCaculation模块需要勾选Stopsimulation，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ErrorRateCaculation模块添加到ToWorkspace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.结果与讨论首先，仿真了调制方式为2-FSK时，OAM模式数对误码率的影响，结果见图2所示。从图中可以看出OAM模式数l为分别为1、2、3时，在相同的信噪比(Eb/N0)下，模式数越多，误码率(BER)越高；在相同的误码率下，模式数越多，传输的信息量越大，需要的信噪比越高。其次，仿真了OAM模式数l为2时，多进制频移键控(M-FSK)调制方式中不同M值下信噪比与误码率的关系，见图3所示。结果表明，信噪比相同的情况下，M越小，误码率越小，也就是说调制效果也越好；在相同的误码率下，M越大，传输的信息量越大，需要的信噪比越高。以上结论与通信原理中Figure1.SimulationmodelofOAMtransmissionsystembasedonFSKmodulation图1.基于FSK调制的OAM传输系统仿真模型蒋洪林等DOI:10.12677/ojcs.2018.7200539电路与系统多进制调制系统的性能结论相同[15]。3.OAM复用传输系统仿真3.1.仿真模型基于OAM模式的正交性，可实现OAM复用传输，图4演示了模式的正交性。图中，信道左侧为四个不同模式数l的OAM发射端，右侧为OAM接收系统。仿真结果表明，右侧接收系统只能接收与左侧OAM模式数相同的发射信号。基于此，设计了图5所示的四通道OAM复用传输系统模型。图中，信道Figure2.Therelationshipbetweenbiterrorrateandsig-nal-to-noiseratioofdifferentOAMmodesunder2-FSKmod-ulation图2.2-FSK调制下，不同OAM模式数的误码率与信噪比的关系Figure3.TherelationbetweenerrorrateandsignaltonoiseratiofordifferentMandl=2图3.l=2，M值不同时误码率与信噪比的关系蒋洪林等DOI:10.12677/ojcs.2018.7200540电路与系统Figure4.VerificationmodelforOAMorthogonality图4.OAM模式正交性验证模型Figure5.Four-channelOAMmul