劉順章

（海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

0 引言

陸地通信的技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其主要得益于電磁波通信、光通信以及各種通信調(diào)制技術(shù)的大力發(fā)展。海洋通信卻無(wú)法利用傳統(tǒng)的電磁波通信或光通信，因?yàn)楣獠ㄔ谒兴p非常大，而且水中會(huì)有強(qiáng)烈的反射以及散射[1]?；蛟S在水下較短距離且信道良好的情況下可以采用光通信，但是對(duì)于長(zhǎng)距離的水聲通信來(lái)說(shuō)，顯然是很不可靠的。如將正交頻分復(fù)用技術(shù)或多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)等應(yīng)用之后可以將通信質(zhì)量得到一定的改進(jìn)，但是這些技術(shù)仍然無(wú)法有效地解決窄頻帶的問(wèn)題。軌道角動(dòng)量技術(shù)OAM 是目前的一種十分前沿的技術(shù)，它可以做到空分復(fù)用，提高傳輸速率以及有效拓寬頻帶。OAM 在光通信領(lǐng)域已經(jīng)大展拳腳，各路學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，由實(shí)驗(yàn)成果可知采用OAM 技術(shù)之后使得通信效率達(dá)到了傳統(tǒng)通信方式的八倍以上。

1 水聲通信基本理論與技術(shù)

1.1 水聲通信簡(jiǎn)介

水聲通信非常困難，主要是由于通道的多徑效應(yīng)、時(shí)變效應(yīng)、可用頻寬窄、信號(hào)衰減嚴(yán)重，特別是在長(zhǎng)距離傳輸中[2-3]。水下通信相比有線通信來(lái)說(shuō)速率非常低，因?yàn)樗峦ㄐ挪捎玫氖锹暡ǘ菬o(wú)線電波。常見(jiàn)的水聲通信方法是采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，如CDMA 等。

1.2 傳統(tǒng)水聲通信技術(shù)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的水聲通信技術(shù)基本都是將陸地上光學(xué)通信拓展應(yīng)用到了水下，包括單邊帶調(diào)制技術(shù)，MFSK 技術(shù)，OFDM 技術(shù)，CDMA 技術(shù)等。其中單邊帶調(diào)制技術(shù)是最早的技術(shù)，應(yīng)用在較為簡(jiǎn)單的語(yǔ)音通話交流方面[4]。隨著數(shù)字通信技術(shù)的大力發(fā)展，MFSK 技術(shù)以及CDMA技術(shù)逐漸成為主流，這二者在一定程度上改善了水聲通信的效率和質(zhì)量。再后來(lái)開(kāi)始轉(zhuǎn)向OFDM 正交頻分復(fù)用技術(shù)，OFDM 不僅不需要隔離頻帶，反而允許頻帶進(jìn)行重疊，如此，會(huì)使得原本較窄的水聲通信頻帶得到最大限度的利用。

2 軌道角動(dòng)量OAM 技術(shù)

2.1 軌道角動(dòng)量基本介紹

（1）角動(dòng)量簡(jiǎn)介。光束具有兩種角動(dòng)量，一種是由于光束的偏振產(chǎn)生的自旋角動(dòng)量，另一種是由于光束具有螺旋相位結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量。當(dāng)光束含有角相關(guān)的相位分布(扭轉(zhuǎn)相位或螺旋相位)時(shí)，此類光束具有與角向相位分布有關(guān)的角動(dòng)量，被稱為軌道角動(dòng)量，攜帶軌道角動(dòng)量的光束被稱為光學(xué)渦旋。自旋角動(dòng)量?jī)H僅與光束的自旋有關(guān)，表現(xiàn)為圓偏振狀態(tài)。

（2）軌道角動(dòng)量。軌道角動(dòng)量OAM 也是角動(dòng)量的一種。光傳播的時(shí)候會(huì)有一個(gè)光軸，當(dāng)電子圍繞著光軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，就稱為軌道角動(dòng)量。這里不僅局限于電子，任何能量流圍繞著軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)都能攜帶軌道角動(dòng)量，也將此稱為渦旋電磁波，因?yàn)樗膫鞑ツＰ褪浅蕼u旋狀。光子的形狀是可變的，圖中黃色部分代表圓形光子，半徑為R，軸心為Z軸，光子以垂直于紙面的方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)波 ，繞著Z軸運(yùn)動(dòng)，即形成了光子的軌道角動(dòng)量。如圖1 和圖2 所示。

從圓軌道a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)的路程為X，X與圓心角θ和半徑R的關(guān)系為：

將該等式代入到簡(jiǎn)諧波方程中，可以得到圓軌道函數(shù)如下：

令上式中的t為常量，對(duì)θ求2 次偏導(dǎo)數(shù)得：

又有λ=h/p，h=h/2π，令：

所以式（3）可以寫為：

式（5）的解為：

其中 的可取所有整數(shù)，由式（4）和式（6）就可以得到光子的軌道角動(dòng)量：

當(dāng) 時(shí)，表示圓軌道不存在，光子僅具有自旋角動(dòng)量。L的正號(hào)和負(fù)號(hào)分別代表光子的圓環(huán)沿著正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量。

2.2 軌道角動(dòng)量產(chǎn)生方法簡(jiǎn)介

首先要介紹的是螺旋相位階梯板法產(chǎn)生螺旋波陣面。讓平面波光束通過(guò)具有螺旋表面的光學(xué)器件，從而使得波束的波程差不同。波程差的差異產(chǎn)生了一個(gè)螺旋狀的相位因子，當(dāng)嘗試產(chǎn)生不同模態(tài)的螺旋相位波時(shí)，只需要將相位板的階梯高度進(jìn)行調(diào)整即可。還有一種方法叫做計(jì)算全息法。計(jì)算全息法是另外一種產(chǎn)生渦旋波的方法，主要是借助計(jì)算機(jī)來(lái)輔助設(shè)計(jì)。計(jì)算全息法的關(guān)鍵就在于尋找一個(gè)合適的光柵，通常為叉型光柵，其實(shí)際上是理想光學(xué)器件的全息圖，也被稱為計(jì)算全息圖。

3 基于軌道角動(dòng)量的水聲通信技術(shù)

3.1 基于OAM 的水聲通信研究

空分復(fù)用技術(shù)利用光波空間自由度提高通信容量[5]。當(dāng)OAM 渦旋光束應(yīng)用到水聲通信中，這種空間自由度無(wú)疑可以提高通信能力。在光通信中，空間光調(diào)制器、對(duì)偶時(shí)間對(duì)稱環(huán)形諧振器或原表面可以產(chǎn)生具有不同OAM 拓?fù)潆姾傻臏u旋波，之后可通過(guò)分束器來(lái)進(jìn)行復(fù)用，由此實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用后即可顯著提高通信的效率。在聲通信領(lǐng)域中，一般使用有源相控陣來(lái)研究渦旋波在水下的傳播情況。可以將現(xiàn)有的頻率編碼技術(shù)與OAM 可達(dá)到的空分復(fù)用相結(jié)合，以提高信道數(shù)量，進(jìn)而提高通信速率。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于分束器在聲學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)，所以可以獨(dú)立調(diào)制振幅和相位來(lái)生成響應(yīng)渦旋光束的干涉圖樣來(lái)實(shí)現(xiàn)不同OAM 電荷的空分復(fù)用，其中每一個(gè)OAM 電荷的聲源產(chǎn)生一個(gè)0-2pi 的相位差變化。在距發(fā)射面一百個(gè)波長(zhǎng)處采集到的振幅和相位時(shí)，可以采用濾波器盡可能地去除噪聲。隨著拓?fù)潆姾闪康脑龃?，渦旋波束的幅值隨著半徑的增大而呈圓環(huán)形分布。設(shè)置了8 個(gè)正交的OAM 基來(lái)對(duì)聲束進(jìn)行編碼，因此一個(gè)聲束可以傳送一個(gè)字節(jié)的信息。在試驗(yàn)中使用多路復(fù)用的OAM 來(lái)發(fā)送一個(gè)由ASCII 二進(jìn)制協(xié)議表示的指定單詞“Berkely”。將每一個(gè)字節(jié)的字母的總振幅控制為一樣，那么每個(gè)字母的總振幅都可以在通信信道里均勻分布。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在測(cè)量通信系統(tǒng)性能的時(shí)候，往往離不開(kāi)誤碼率BER。為了測(cè)量誤碼率，實(shí)驗(yàn)中采用26×26 分辨率的接收陣列，在20 分貝的信噪比水平下，誤碼率為10-6.5，對(duì)于8 個(gè)基的共256 種可能組合來(lái)說(shuō)，這種誤碼率足以說(shuō)明OAM 通信的可靠性。每一個(gè)比特的能量與噪聲的功率譜密度之比由信噪比和譜效率之比給出，由此可得實(shí)驗(yàn)中的通信系統(tǒng)的譜效率約為8.0bit/s/Hz。通過(guò)改變發(fā)送端信噪比可以得到數(shù)據(jù)的回歸曲線，測(cè)量結(jié)果也符合回歸曲線。在20dB 信噪比的情況下，誤碼率10-6.5也滿足了FEC 限制，可以通過(guò)FEC 方法進(jìn)行校正[6-8]。頻譜效率的理論極限與用于信息傳輸?shù)恼恍诺罃?shù)確定，本例中采用的8個(gè)OAM 電荷編碼方案的水聲通信裝置已經(jīng)達(dá)到了理論極限的效率，即8bit/s/Hz。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)聲學(xué)中OAM 進(jìn)行水聲通信可行性的探討，可以由計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出初步結(jié)論，即OAM 可以很好的應(yīng)用在水聲通信中，在設(shè)置的8 個(gè)正交的OAM 基編碼的前提下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此種通信方式可以有效地控制誤碼率在一個(gè)較低水平，同時(shí)傳輸速率可以達(dá)到理論上的極限值。