介绍了无线通信和涡旋电磁波的基本概念及相关技术，详细回顾了近年来基于涡旋电磁波的无线通信技术实验研究进展，包括微波涡旋电磁波通信、太赫兹涡旋电磁波通信、中红外涡旋电磁波通信、近红外涡旋电磁波通信和可见光涡旋电磁波通信等。同时，介绍了卫星涡旋激光通信技术的理论研究进展以及拓展结构光（如贝塞尔光和矢量光等）通信在抵抗障碍物和湍流影响方面的实验研究进展。最后也讨论了涡旋电磁波无线通信技术的挑战与展望。多频段和多维度融合的涡旋电磁波及拓展结构化电磁波，可以为多场景、跨尺度、大容量、远距离、高鲁棒性的无线通信提供潜在解决方案，也有望应用于未来卫星通信中。

超奈奎斯特(FTN)传输技术可有效提高无线光通信系统的传输速率,但其引入的码间干扰会极大影响系统的可靠性。针对此问题,设计了一种基于逐点消除的自适应预均衡算法。推导了4阶脉冲幅度调制下该算法的理论误码率和计算复杂度。仿真结果表明,该算法可以消除由FTN成型带来的码间干扰,其性能几乎等同于正交传输系统。系统的计算复杂度则随着加速因子的减小而增加,当加速因子小于0.4时,计算复杂度会出现快速上升。

提出了一种双跳混合射频(RF)和多输入多输出(MIMO)自由空间光通信(FSO)放大转发中继通信系统。RF链路和MIMO FSO链路分别考虑Rayleigh衰落分布模型和Gamma-Gamma大气湍流信道模型,多孔径接收端采用等增益合并方式。在中继分别为固定增益和变增益放大转发下,推导出关于混合系统信噪比的累计分布函数和概率密度函数,进一步得到混合RF和MIMO FSO系统的中断概率、遍历容量及在不同二进制调制方式下的平均误码率的闭合表达式。仿真分析了不同增益模式下大气湍流、调制方式及空间分集对混合RF/MIMO FSO双跳中继通信系统性能的影响。

长期以来, 空中平台与水下平台之间的有效通信一直是一个具有挑战性的课题, 因为声波或电磁波只能有效地仅在海水或空气中传播, 而无法同时在这两种介质中高效传输数据。相比电磁波, 激光束能够穿透相当深度的海水, 因而自由空间光通信被认为是一种很好的空潜通信替代手段。众所周知, 吸收和散射引起的衰减是水下激光传播主要不利因素之一, 然而这只能通过加大发射功率来补偿。尽管如此, 即使发射功率大到能够保证一定的接收机灵敏度, 大气和海洋湍流引起的光强起伏也会在很大程度上降低链路性能。本文重点研究水下载具与空中平台之间的自由空间光通信链路中的湍流效应, 利用波动光学仿真, 研究高斯光束和环形光束在空-潜两段链路中的传播, 并根据数值结果对上行链路和下行链路之间的性能差异进行了比较说明。总体来说, 由于湍流的主要部分离发射机更近, 上行链路更容易受到湍流的影响。此外, 研究中还发现环形光束往往能产生较小的闪烁指数和较高的信噪比。本项工作能够为未来的空潜光通信系统的研究和发展提供有益的参考。

近年来，大气湍流所引起的信号相位扰动以及光强闪烁对自由空间相干光通信系统性能的影响逐渐成为研究人员关注的焦点。为了提高系统性能，本文对自由空间相干光通信系统进行了研究。 在假设大气湍流所引入的光强闪烁以及相位抖动分别服从对数正态以及高斯分布的条件下，本文提出了基于数字相位恢复算法(CPR)的正交相移键控(QPSK)自由空间相干光通信系统，该系统采用了二阶联合的相位恢复算法结构。仿真结果表明: 该结构可以极大地降低相位噪声对系统产生的影响，且其误符号率比只采用一阶M次方的相位恢复算法的系统低3个数量级。因此，该系统的提出对于自由空间光通信性能的提升有着较大意义。

提出了基于动态门限的幅度调制空间相干光通信(IM/CD)系统。与传统的幅度调制/直接检测(IM/DD)光通信系统相比, 我们提出的系统无需瞬时信道状态信息(CSI)和大气湍流模型的概率密度函数(pdf)就可以实现对信号的高精度检测, 与此同时该系统能通过提高本振激光器的功率来获取更好的误码率(BER)性能。此外, 本文还推导了该系统平均误码率的表达式。仿真实验表明, 当本振激光器和发射信号的归一化幅度为1、平均误码率为10-9时, 该系统在归一化大气闪烁标准差σ=0.25、归一化相位噪声标准差σφ=0.07的对数正态湍流信道条件下, 与理想的自适应探测门限光通信系统相比, 其信噪比性能损失仅为1.4 dB。

在自由空间传输的过程中,轨道角动量(OAM)光束会受到大气湍流的影响,其螺旋相位会产生畸变,导致解调后的信号质量下降。为了研究不同湍流条件下大气湍流对正交频分复用(OFDM)-OAM光信号的影响,使用non-Kolmogorov湍流模型,通过改变模型中折射率结构常数 Cn2和大气指数α模拟不同情况下的大气湍流,测试OAM光信号经过湍流模型后的解调高斯光强图样、光束强度以及其携带的OFDM-16QAM信号的误码率。实验结果表明:non-Kolmogorov湍流模型中 Cn2和α的改变会对解调后的高斯光束以及探测到的OFDM信号产生一定的影响,而在发送端进行信道编码可以从一定程度上改善湍流对传输信号的影响。

给出了一种串联衬底认知射频(RF)网络与多输入多输出(MIMO)自由空间光通信(FSO)链路的双跳传输系统, 分析了其中断概率。对于射频链路, 采用瑞利衰落分布模型, 分析次级用户与主用户共享频谱的衬底认知无线电网络; 对于MIMO FSO链路, 采用Gamma-Gamma大气湍流模型, 考虑大气衰减效应和大气湍流效应, 通过等增益合并建立MIMO FSO的信道模型。推导出中断概率的闭合表达式, 仿真分析各种天气条件和大气湍流对串级链路的影响, 结果显示随着次级用户发射器的峰值发射功率增大和发射孔径与接收孔径的数目增多, 大气效应的影响逐渐减小, 通信性能随之提高。

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光, 即径向部分相干光束(RPCB), 可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁, 改善接收质量。应用波动光学仿真方法, 比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性, 从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示, 光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化；同时, 各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布, 因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径, 可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言, 径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中, 特别是在接收孔径较小的情况下, 具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。