CN112235019B - 一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，包括有信号发射单元和信号接收单元；信号发射单元包括有依次连接的信号发射天线、第一单片机系统及第一PC端软件平台，信号发射天线还连接有信号源，信号发射天线发射不同模态的OAM涡旋电磁波；信号接收单元包括有依次连接的信号接收天线、低噪声放大器、鉴幅器、模数转换器、第二PC端软件平台及第二单片机系统，第二单片机系统还与信号接收天线连接，信号接收天线接收信号发射天线发射的OAM涡旋电磁波。一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，达到了在不占用额外频段的信息高速传输，同时提高了对平面波和其他模态涡旋波信号的抗干扰能力。

Description

一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统

技术领域

本发明属于无线通信设备技术领域，具体涉及一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统。

背景技术

随着移动互联网、云计算和物联网等新兴技术的发展，以及移动终端设备普及率的上升，使得无线通信容量快速增长，通信系统面临着频谱资源紧张、传输容量不足和通讯信道阻塞等问题。为了缓解有限的频谱资源与不断扩张的无线通信业务之间的矛盾，目前的解决方案包括采用时分、频分、空分和极化复用等技术来提高频谱利用率，这些技术已得到较为充分的开发和利用，通信链路的传输能力已接近极限。此外，无线电频谱特别是低频段优质频谱的使用日益增多，增加的无线信号会造成频谱间的互相干扰，导致电磁环境恶化和通信质量下降。为了进一步提升无线通信系统的性能，需要突破传统的复用技术，探索研究新型的数据传输技术。

在众多无线通信技术中，空分复用技术得到了极大的发展，作为空分复用技术的一种特殊形式，基于携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋电磁波复用技术为新一代通信提供了一个新的维度，从而能够有效地提高通信系统的频谱利用效率和抗干扰能力。轨道角动量复用通信理论上具有超高的频谱效率，使其成为了解决未来通信网络频谱资源稀缺与千倍容量增长需求间矛盾的最有潜力的关键技术之一；目前已成功应用于自由空间光通信、光纤通信、可见光通信、毫米波与太赫兹通信等诸多前沿领域。

轨道角动量技术最早出现在光学领域，随着B.Thidé等人于2007年将其推广到微波射频领域，近些年来得到广泛关注和快速发展。2012年，Allen提出使用时间开关阵列(TSAs)，利用高速射频开关周期性的控制阵列天线的阵元打开或关闭，实现了使用同一阵列天线产生多种模态的轨道角动量电磁涡旋波。2018年宁夏大学的席国法提出使用弧形阵列天线接收OAM涡旋电磁波的方法，并通过Matlab和Simulink进行了仿真验证，同时对影响信号接收的因素进行分析。对于涡旋电磁波收发天线的设计，浙江大学的张伟特为解决射频涡旋模式复用的难题，仿真设计了一种基于堆叠环形行波缝隙谐振腔的四OAM模式复用天线，天线的工作频率为10GHz。并基于已加工的天线，搭建了基于四OAM模式天线的模分复用射频无线通信系统，实现了接近Gbit/s的无线传输容量。

虽然OAM涡旋电磁波技术已成为当下的研究热点，但对于射频OAM通信的研究仍然还有许多严峻的挑战，包括设计高效的多OAM模式天线，优化的射频OAM解复用方案，使用信道编码来减少信道相位误差以提高可靠性等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，实现了在不占用已有的信道资源的前提下即可完成对大量数据的传输，同时提高了对平面波和其他模态涡旋波信号的抗干扰能力。

本发明所采用的技术方案是，一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，包括有信号发射单元和信号接收单元；

信号发射单元包括有依次连接的信号发射天线、第一单片机系统及第一PC端软件平台，信号发射天线还连接有信号源，信号发射天线发射不同模态的OAM涡旋电磁波；

信号接收单元包括有依次连接的信号接收天线、低噪声放大器、鉴幅器、模数转换器、第二PC端软件平台及第二单片机系统，第二单片机系统还与信号接收天线连接，信号接收天线接收信号发射天线发射的OAM涡旋电磁波。

本发明的特征还在于，

信号源为2.5GHz的信号源。

第一单片机系统及第二单片机系统的型号均为STM32F407ZET6。

第一PC端软件平台及第二PC端软件平台基于C#。

信号放大器的型号为ADL5521；鉴幅鉴相器的型号为AD8313；模数转换器的型号为AD7321。

信号发射天线及信号接收天线为具有能够实现两种以上的轨道角动量模态切换功能的信号天线。

第一PC端软件平台完成以下任务：用户传输信息的输入、将输入信息编码成为第一单片机系统可识别的计算机语言，将编码完成的计算机语言导入第一PC端软件平台内设定好的单片机源程序，并对该程序进行编译、运行、调试、烧录操作，完成传送数据编码和单片机源程序的编译调试，并将程序指令送达第一单片机系统；

第一单片机系统的输入端与第一PC端软件平台相连接，完成单片机源程序的导入，第一单片机系统输出端与信号发射天线相连接，第一单片机系统把第一PC端软件平台发送的程序指令翻译成数码信号，用其来控制信号发射天线上OAM多模天线开关的通断，通过调整信号发射天线上OAM模态开关的变化来实现对信号的编码工作，用以控制信号发射天线模态信号的发送；

信号源的作用是为发射天线提供基础射频信号；

信号发射天线通过第一单片机系统传输的信号控制OAM多模天线开关状态的切换，实现激励不同模态的OAM涡旋电磁波；

当信号发射天线将携带传输信息的OAM涡旋电磁波发出之后，信号接收天线便对其进行接收，并将接收到的射频信号传递给低噪声放大器，低噪声放大器对接收天线传来的射频信号进行放大，使其能够达到鉴幅器的工作范围，并将放大的信号传递给鉴幅器；鉴幅器对接收到的射频信号进行转换，变为电压信号，接着将电压信号传递给模数转换器；信号在模数转换器内完成模拟信号到数字信号的转换，以达到第二PC端软件平台的识别要求；第二PC软件平台完成对数字信号的解码，在此过程中，第二单片机系统按照既定时钟信号负责控制信号接收天线的开关的通断控制。

第一单片机系统把第一PC端软件平台发送的程序指令翻译成数码信号的数据编码规则具体为：

首先，PC端软件平台将所需传输的字符信息用N位模式状态表示；第二步、在第一单片机系统上将N位模式的模态信息的编码信息转化为二进制编码用于对第一单片机系统的状态调控，并规定每位在传输过程中的可有M个取值，每个信息位都可用于一个OAM模式组合后表示，根据排列组合的规律可以得出N^M种不同的OAM模态组合，将这些模态组合与传递数据的不同字符与二进制编码一一对应就构成了编码规则。

第二PC软件平台完成对数字信号解码的解码规则具体为：

第一步，对携带有OAM模式组合信号进行接收并解码，具体规则为：通过单片机低频控制信号不断的改变调整OAM重构接收天线的工作状态，当接收重构天线与发射重构天线的模态相同时，鉴幅器所接收到的电压幅度值高于门限值，此时第二单片机将记录OAM波束的模态信息；当接收重构天线与发射重构天线的模态不相同时，鉴幅器所接收到的电压幅度值低于门限值，第二单片机不进行记录；第二步，将第二单片机记录的OAM模态信息在第二PC端软件平台进行二次解码，过程为将N位模态信息的编码信息转化为二进制编码以便在P中对所传送的字符信息进行一一对应，最终可获得发射系统所传送的原始字符信息。

本发明的有益效果是：

本发明所提出的无线通信系统实现了一种基于OAM多模态正交性的新型编码解码方案，以此为基础实现在不占用已有的信道资源的前提下即可完成对大量数据的传输，达到了在不占用额外频段的信息高速传输的同时提高了对平面波和其他模态涡旋波信号的抗干扰能力。并且给出了该无线通信系统的一种绿色、高效、安全、可靠的系统设计方案，解决了传统无线通信系统的频谱资源紧张、传输容量不足、通讯信道阻塞等问题，对于OAM技术的研究与应用具有十分重要的作用与影响。

附图说明

图1是本发明一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统的信号发射单元的结构示意图；

图2是本发明一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统的信号接收单元的结构示意图。

图中，1.信号发射天线，2.信号源，3.第一单片机系统，4.第一PC端软件平台，5.信号接收天线，6.信号放大器，7.鉴幅鉴相器，8.模数转换器，9.第二单片机系统，10.第二PC端软件平台，11.OAM涡旋电磁波。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，如图1-2所示，包括有信号发射单元和信号接收单元；

信号发射单元包括有依次连接的信号发射天线1、第一单片机系统3及第一PC端软件平台4，信号发射天线1还连接有信号源2，信号发射天线1发射不同模态的OAM涡旋电磁波11；

信号接收单元包括有依次连接的信号接收天线5、低噪声放大器6、鉴幅器7、模数转换器8、第二PC端软件平台10及第二单片机系统9，第二单片机系统9还与信号接收天线5连接，信号接收天线5接收信号发射天线1发射的OAM涡旋电磁波11。

信号源2为2.5GHz的信号源。

第一单片机系统3及第二单片机系统9的型号均为STM32F407ZET6。

第一PC端软件平台4及第二PC端软件平台10基于C#。

信号放大器6的型号为ADL5521；鉴幅鉴相器7的型号为AD8313；模数转换器8的型号为AD7321。

信号发射天线1及信号接收天线5为具有能够实现两种以上的轨道角动量模态切换功能的信号天线，具体可使用申请日为：2020年02月12日，申请号为：2020201642938，发明名称为：《一种快速复合调控的涡旋电磁波天线》的天线作为信号发射天线或信号接收天线。

第一PC端软件平台4完成以下任务：用户传输信息的输入、将输入信息编码成为第一单片机系统3可识别的计算机语言，将编码完成的计算机语言导入第一PC端软件平台4内设定好的单片机源程序，并对该程序进行编译、运行、调试、烧录操作，完成传送数据编码和单片机源程序的编译调试，并将程序指令送达第一单片机系统3，以实现快速高效稳定控制第一单片机系统3的目的；

第一单片机系统3的输入端与第一PC端软件平台4相连接，完成单片机源程序的导入，第一单片机系统3输出端与信号发射天线1相连接，第一单片机系统3把第一PC端软件平台4发送的程序指令翻译成数码信号(高低电平信号)，用其来控制信号发射天线1上OAM多模天线开关的通断，通过调整信号发射天线1上OAM模态开关的变化来实现对信号的编码工作，用以控制信号发射天线1模态信号的发送；

第一单片机系统3把第一PC端软件平台4发送的程序指令翻译成数码信号的数据编码规则具体为：

首先，PC端软件平台4将所需传输的字符信息用N位模式状态表示；第二步、在第一单片机系统3上将N位模式的模态信息的编码信息转化为二进制编码用于对第一单片机系统3的状态调控，并规定每位在传输过程中的可有M个取值，每个信息位都可用于一个OAM模式组合后表示，根据排列组合的规律可以得出N^M种不同的OAM模态组合，将这些模态组合与传递数据的不同字符与二进制编码一一对应就构成了编码规则。

在这里以OAM的3种模态0、1、2为例进行说明，假设规定每个字符在传输过程中的信息位为3，每个信息位都可用于一个OAM模态表示，根据排列组合的规律可以得出27种不同的OAM模态组合，将这些模态组合与传递数据的不同字符一一对应就构成了编码规则。例如：

表一0,1,2三模态三信息位编码译码表

根据以上编码规则，当要发送的信息为“LOOK”时，通控制信号发射天线1上的模态开关，使其向通信空间依次发射(1，0，2)、(1，1，2)、(1，1，2)、(1，0，1)四个模态组合的OAM波，发射时每个模态组合之间有一定的时间间隔。这种编码方式信息传递容量是可以成指数增长的，具有很高的信息容量扩展性能。

通过以上过程即可实现利用多模态组合的编码方式完成发射部分的数据发射，同时，在这一过程中，突破了传统信号调制的信道容量限制，也解决了现存的频谱资源紧张、传输容量不足和通讯信道阻塞等问题。

信号源2的作用是为发射天线1提供连续不断的基础射频信号(即射频频段的信号，如2.5GHz的信号)；

信号发射天线1作为“信号发射”部分最为重要的部分，具有OAM模态重构功能，这种可重构天线可通过加载射频开关元件实时改变天线的工作频率、辐射方向图和极化等电特性参数，使其具有多个天线的功能，从而有效减少无线通信平台上的天线数目和改善其电磁环境，在该通信系统中通过第一单片机系统3传输的低频信号控制OAM多模天线开关状态的切换，实现激励不同模态的OAM涡旋电磁波；

当信号发射天线1将携带传输信息的OAM涡旋电磁波11发出之后，信号接收天线5便对其进行接收，并将接收到的射频信号传递给低噪声放大器6，低噪声放大器6对接收天线传来的射频信号进行放大，使其能够达到鉴幅器7的工作范围，并将放大的信号传递给鉴幅器7；鉴幅器7对接收到的射频信号进行转换，变为电压信号，接着将电压信号传递给模数转换器8；信号在模数转换器8内完成模拟信号到数字信号的转换，以达到第二PC端软件平台10的识别要求；第二PC软件平台10完成对数字信号的解码，提取出有用信息，在此过程中，第二单片机系统9按照既定时钟信号负责控制信号接收天线5的开关的通断控制。

第二PC软件平台10完成对数字信号解码的解码规则具体为：

第一步，对携带有OAM模式组合信号进行接收并解码，具体规则为：通过单片机低频控制信号不断的改变调整OAM重构接收天线(5)的工作状态，当接收重构天线5与发射重构天线1的模态相同时，鉴幅器7所接收到的电压幅度值高于门限值，此时第二单片机9将记录OAM波束的模态信息；当接收重构天线5与发射重构天线1的模态不相同时，鉴幅器7所接收到的电压幅度值低于门限值，第二单片机9不进行记录；第二步，将第二单片机9记录的OAM模态信息在第二PC端软件平台10进行二次解码，过程为将N位模态信息的编码信息转化为二进制编码以便在P中对所传送的字符信息进行一一对应，最终可获得发射系统所传送的原始字符信息。

在这里同样以OAM的3种模态0、1、2为例进行说明。其解码思想如下：假设规定“当收到的数字信号大于等于1时，认为OAM模态为1；当收到的数字信号小于等于-1时，认为OAM模态为-1；当以上条件均不满足时，认为OAM模态为0”。当数字信号根据以上的规定进行判决处理之后，便会得到连续多个形如(x,y,z)的OAM模态组合,x、y、z都属于数组{0，1，2}，之后PC软件平台会将得到的OAM模态组合与0,1,2三模态三信息位编码译码表(即表一)进行对照，得到对应的字符数据。

例如，假设由上述解码规则得出的连续多个OAM模态组合为：(1，0，2)、(1，1，2)、(1，1，2)、(1，0，1)，则通过查表很容易得出传输的信息为“LOOK”。

通过以上过程即可实现利用“条件比较法”解码方式完成接收部分的数据接收解密，并且其过程具有操作简单、安全可靠等特点。

本发明基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统具有绿色、高效、安全、可靠的特点。本发明的研究贯彻了移动通信系统中的小空间、低成本这一需求理念，具有以下的创新及特色：

(1)信息传递过程中无需进行信号调制：本发明的通信方案是利用OAM多模态正交性进行编码来完成信息传输的，这一过程并未进行信号的调制，而是对OAM模态进行排列组合，每一个组合对应一种字符，所有组合的对应关系共同构成了信息传递的编码解码规则。这种新型通信方案即可减小传统信号传输过程中出现的信号失真、波形畸变、外部干扰大等问题对整个通信系统的影响，还可提高信息传递的效率。

(2)基于OAM模态的数据编码具有可拓展性：OAM模态理论上具有无限性，可实现单频点的信道容量急剧扩展。也可通过增大单位信息符号的长度(即模态个数)来扩展信道容量。例如当OAM模态为-1、0、+1、+2四种，单个字符信息位的长度为3时，则可传输的字符共有64种；当单位信息符号的长度增加到4时，可传输的字符共有256种。由此可见，这种通信方案具有良好的扩展性，在并不占用已有的信道资源的前提下即可完成对大量数据的传输，对于解决有限频谱资源的日益耗竭的问题有着十分重要的意义。

(3)利用可重构特性增加系统的兼容性和环境适应性：本发明创新性的采用了具有重构功能的信号天线，这种可重构天线是由多天线阵列组成，其各个阵元之间的关系是可以根据实际情况灵活可变的，具有较强的系统兼容性和环境适应性。通过这种天线的应用，可进一步的提升该无线通信系统的稳定性。

Claims (5)

1.一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，其特征在于，包括有信号发射单元和信号接收单元；

所述信号发射单元包括有依次连接的信号发射天线（1）、第一单片机系统（3）及第一PC端软件平台（4），信号发射天线（1）还连接有信号源（2），信号发射天线（1）发射不同模态的OAM涡旋电磁波（11）；

所述信号接收单元包括有依次连接的信号接收天线（5）、低噪声放大器（6）、鉴幅器（7）、模数转换器（8）、第二PC端软件平台（10）及第二单片机系统（9），第二单片机系统（9）还与信号接收天线（5）连接，信号接收天线（5）接收信号发射天线（1）发射的OAM涡旋电磁波（11）；

所述信号发射天线（1）及所述信号接收天线（5）为具有能够实现两种以上的轨道角动量模态切换功能的信号天线；

第一PC端软件平台（4）完成以下任务：用户传输信息的输入、将输入信息编码成为第一单片机系统（3）可识别的计算机语言，将编码完成的计算机语言导入第一PC端软件平台（4）内设定好的单片机源程序，并对该程序进行编译、运行、调试、烧录操作，完成传送数据编码和单片机源程序的编译调试，并将程序指令送达第一单片机系统（3）；

第一单片机系统（3）的输入端与第一PC端软件平台（4）相连接，完成单片机源程序的导入，第一单片机系统（3）输出端与信号发射天线（1）相连接，第一单片机系统（3）把第一PC端软件平台（4）发送的程序指令翻译成数码信号，用其来控制信号发射天线（1）上OAM多模天线开关的通断，通过调整信号发射天线（1）上OAM模态开关的变化来实现对信号的编码工作，用以控制信号发射天线（1）模态信号的发送；

信号源（2）的作用是为信号发射天线（1）提供基础射频信号；

信号发射天线（1）通过第一单片机系统（3）传输的信号控制OAM多模天线开关状态的切换，实现激励不同模态的OAM涡旋电磁波；

当信号发射天线（1）将携带传输信息的OAM涡旋电磁波（11）发出之后，信号接收天线（5）便对其进行接收，并将接收到的射频信号传递给低噪声放大器（6），低噪声放大器（6）对接收天线传来的射频信号进行放大，使其能够达到鉴幅器（7）的工作范围，并将放大的信号传递给鉴幅器（7）；鉴幅器（7）对接收到的射频信号进行转换，变为电压信号，接着将电压信号传递给模数转换器（8）；信号在模数转换器（8）内完成模拟信号到数字信号的转换，以达到第二PC端软件平台（10）的识别要求；第二PC端软件平台（10）完成对数字信号的解码，在此过程中，第二单片机系统（9）按照既定时钟信号负责控制信号接收天线（5）的开关的通断控制；

第一单片机系统（3）把第一PC端软件平台（4）发送的程序指令翻译成数码信号的数据编码规则具体为：

首先，第一PC端软件平台（4）将所需传输的字符信息用N位模式状态表示；第二步、在第一单片机系统（3）上将N位模式的模态信息的编码信息转化为二进制编码用于对第一单片机系统（3）的状态调控，并规定每位在传输过程中的可有M个取值，每个信息位都可用于一个OAM模式组合后表示，根据排列组合的规律可以得出N^M种不同的OAM模态组合，将这些模态组合与传递数据的不同字符与二进制编码一一对应就构成了编码规则；

第二PC端软件平台（10）完成对数字信号解码的解码规则具体为：

第一步，对携带有OAM模式组合信号进行接收并解码，具体规则为：通过单片机低频控制信号不断的改变调整信号接收天线（5）的工作状态，当信号接收天线（5）与信号发射天线（1）的模态相同时，鉴幅器（7）所接收到的电压幅度值高于门限值，此时第二单片机系统（9）将记录OAM波束的模态信息；当信号接收天线（5）与信号发射天线（1）的模态不相同时，鉴幅器（7）所接收到的电压幅度值低于门限值，第二单片机系统（9）不进行记录；第二步，将第二单片机系统（9）记录的OAM模态信息在第二PC端软件平台（10）进行二次解码，过程为将N位模态信息的编码信息转化为二进制编码以便在P中对所传送的字符信息进行一一对应，最终可获得发射系统所传送的原始字符信息，其中，信号发射天线（1）与信号接收天线（5）均为重构天线。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，其特征在于，所述信号源（2）为2.5GHz的信号源。

3.根据权利要求1所述的一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，其特征在于，所述第一单片机系统（3）及所述第二单片机系统（9）的型号均为STM32F407ZET6。

4.根据权利要求1所述的一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，其特征在于，所述第一PC端软件平台（4）及所述第二PC端软件平台（10）基于C#。

5.根据权利要求1所述的一种基于涡旋电磁波技术的无线加密绿色传输系统，其特征在于，所述低噪声放大器（6）的型号为ADL5521；所述鉴幅器（7）的型号为AD8313；所述模数转换器（8）的型号为AD7321。