随着无线通信技术迅猛发展,移动用户主要业务需求不再局限于低速率语音业务,而是包含高速率的视频等多种数据业务。目前,信息中的很大一部分都是由无线信道传输的。一方面,随着智能穿戴设备和手机终端的普及,人们对无线信息传输能力提出了更高的要求;另一方面,物联网、云计算、移动互联网等技术方兴未艾,对无线网络的传输能力带来新的挑战。为满足用户日益增长的通信业务需求,提高频谱利用率,增大系统容量迫在眉睫。在频域、时域、空域都已被充分利用的现今,寻找新的有效的自由度势在必行,一种解决方案是利用电磁场轨道角动量。轨道角动量在运用到无线通信的过程中受到了如下挑战。一方面,即使信道条件完全理想(自由空间传输),当收发端发生轴偏离时,发射端传输单一模式的轨道角动量电磁波,接收端探测到的电磁波不再具有唯一的模式,而是以一定的概率取不同的值。由于接收系统出现未对准情况时,会引起接收光束的螺旋谱弥散,从而影响信息传输系统的质量,因此,在系统开始传输数据之前,必须先确保发射系统与接收系统之间对准。另一方面,通信系统的传输速率和传输质量最终都要受到无线信道的制约,只有在充分研究和了解系统的信道特性后,才能采取与之相适应的各种物理层技术。无线轨道角动量通信旨在利用电磁波的轨道角动量域进行复用,进而提高通信容量,它关注的是电磁波的螺旋相位特性,相应的,螺旋相位一旦在传输过程中出现变形就会导致接收误差和错误。电磁波在自由空间中传输时,电磁波的螺旋相位保持不变,轨道角动量具有守恒的特性。然而,在无线环境中,电波由于受到障碍物散射、反射、折射的影响,螺旋相位会受到扭曲,轨道角动量不再守恒,模式的传输会发生串扰,从而影响通信系统的容量。因此针对无线信道的特点,建立合适的轨道角动量信道模型,对于轨道角动量通信技术的研究具有重要意义。论文的研究内容及贡献如下:研究系统轴偏移对轨道角动量模式探测的影响,并依据此提出收发端轴自动对准的方法。本文采用信号分析工具,对发生轴偏移的信号进行分解,理论分析了轴偏移对探测结果影响,并对结果进行仿真验证。轴对准问题实际是一个优化问题。优化问题需要找到合适的目标函数和优化算法,通过对该目标函数进行最小化(或者最大化),实现调节轴偏移的目的。本文提出采用轨道角动量能量谱的方差作为衡量轴偏移的指标,通过仿真验证,证明了目标函数的合理性。由于空间轴偏移可以分为横向偏移和角相倾斜两种,而实际情况下两种情况极有可能同时发生,因此,本文采用在这两个维度上分别进行调节的方法进行收发端轴校准,通过在两个维度上分别寻找方差最小的点,达到校准收发端轴偏移的目的。仿真证明,经过该方法校准后,模式探测的准确率可以达到99.8%。实际应用中,可以使用收发端约定好的轨道角动量模式作为收发端轴对准的训练信号,当收发端完成轴对准之后,再进行轨道角动量通信信息传输。对轨道角动量无线通信信道进行建模,分析信道容量。本文将接收端接收的信号建模成不同路径散射电磁波的叠加,每一个路径的信号在瞬时具有随机的相位和幅度。通过分析发现,对于轨道角动量通信系统来说,多径效应带来的更重要的影响是散射体给电磁波带来一个随机的相位。这个随机的相位会改变电磁波的螺旋相位特性,引起轨道角动量模式的转移,发生模式间的串扰,从而给通信系统探测带来误差。经过理论分析,推导出信道环境干扰下,模式转移的概率公式。轨道角动量信道的特性在于,当受到噪声干扰时,OAM模式会以一定的概率发生转移,基于这种传输特性,将轨道角动量通信信道建模成多元离散无记忆信道模型,最后通过仿真,证明了多径对OAM通信系统容量的影响,同时,可以通过增加传输模式之间的间距,达到克服噪声干扰的目的。