轨道角动量复用系统大气湍流干扰抑制方法研究

摘要

角动量包括自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),其中SAM与光的偏振有关,而OAM与光的相位螺旋结构特征相关联.轨道角动量本质上是经典力学和量子力学的基本物理量.对于单个光子,OAM态的取值可以从负无穷到正无穷,并且不同OAM态模式函数在空间上将相互正交.这些优异特性决定了OAM态能够使自由空间复用通信系统在不提高系统带宽的情形下,极大地提升系统的频带利用率. 然而,自由空间OAM态复用通信系统不可避免地受到大气湍流的干扰,产生OAM态间的相互串扰,使得基于OAM态自由空间复用通信系统的误码率性能下降,严重影响着OAM态复用通信的实现.论文针对大气湍流对OAM态复用通信系统的干扰特点,提出了四种不同的抑制大气湍流干扰OAM态自由空间复用通信系统方法,进行了相关的理论分析和数值仿真.论文的主要创新如下: (1)提出基于Gerchberg-Saxton波前相位校正的轨道角动量复用通信系统抗干扰方案.该方案利用Gerchberg-Saxton相位恢复算法,校正由大气湍流所导致的OAM态波前扭曲,减少OAM态能量的弥散,抑制大气湍流引起的通信干扰.论文给出基于Gerchberg-Saxton波前相位校正的轨道角动量复用通信系统抗干扰模型,通过理论分析获得了方案的可行性,并通过数值仿真验证了方案的有效性.结果表明,本方案能有效地抑制不同强度的大气湍流的干扰影响,尤其对中等强度和弱强度的大气湍流有比较好的抑制效果.当大气湍流折射率结构常数C2n≤2×10-15m-2/3和信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)为20dB时,使用该方案时系统误码率性能可提升2-3个数量级. (2)提出基于多用户检测的轨道角动量复用通信系统抗干扰方案.论文首先给出了大气湍流引起的OAM态间串扰的多用户检测等价模型,其中大气湍流所引起的OAM态模式串扰变化转化成为各发送用户的调制信息处理;在此基础上,通过多用户检测方法,如解相关多用户检测方法,获得了基于多用户检测的轨道角动量复用通信系统抗干扰方案,通过数值仿真验证了方案的可行性.研究结果表明该方案对中等强度和弱强度的大气湍流抑制效果明显,在大气湍流折射率指数结构常数C2n为1×10-15m-2/3和信噪比SNR为26dB时,使用该方案得到复用通信系统的误码率性能可提高2-3个数量级.除此之外,OAM态复用系统中OAM态拓扑荷间隔越大,本方案的抑制大气湍流干扰的效果越好. (3)提出基于MIMO均衡的轨道角动量复用通信系统抗干扰方案.该方案利用MIMO均衡的方法可有效地抑制无线通信中各路信号间的干扰,论文将MIMO均衡的方法引入到由大气湍流引起的OAM态复用通信系统的模式串扰中,给出基于MIMO均衡的轨道角动量复用通信系统抗干扰模型,通过理论推导过程分析该干扰抑制模型的有效性,并通过数值仿真验证该方案的可行性.研究结果表明,该方案对强大气湍流没有很好的抑制效果,但对中等强度和弱大气湍流具有比较好的抑制效果.当大气湍流折射率指数结构常数C2n为1×10-15m-2/3和信噪比SNR为20dB时,使用MIMO均衡方法所得到系统误码率性能比不使用MIMO均衡方法的系统误码率性能提升2个数量级. (4)提出基于空间分集的轨道角动量复用通信系统抗干扰方案,利用空间分集增益获得OAM态复用通信系统性能的提升.方案中,大气湍流对OAM态传输的干扰等效于无线衰落信道对电磁波信号产生的影响,借用克服衰落信道对信号影响的空间分集方法来抑制大气湍流对OAM态复用传输的影响.论文给出了基于空间分集的轨道角动量复用通信系统抗干扰模型和理论分析,讨论使用等增益分集合并方法和选择分集合并方法下的性能,通过数值仿真验证了方案的有效性.结果表明,在同等条件下基于空间分集的轨道角动量复用通信系统抗干扰方案可使复用通信系统的误码率性能有明显提升.当大气湍流折射率结构常数C2n为5×10-15m-2/3和信噪比SNR为22dB时,使用该方案得到轨道角动量复用通信系统的误码率性能可提升3个数量级.

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