軌道角動量復用技術：為深海水聲通信提速！

導讀

最近，美國能源部所屬勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員利用聲波在傳輸過程中產生的動態旋轉，也稱為「軌道角動量」，在單個頻率上包裝更多的信道，顯著增加信息傳輸量，實現高速的水下聲通信。

關鍵字

水下、通信、聲學

背景

深海蘊藏著豐富的礦產、油氣、生物等資源，一直都是人類科學探索的前沿領域。

（圖片來源：維基百科）

目前，世界各國深海探測和科考活動都與日俱增。據悉，我國研製的「蛟龍」號載人潛水器，前不久順利完成了試驗性應用航次（中國大洋38 航次）科考任務，標誌著為期五年的「蛟龍號」試驗性應用航次圓滿收官。

然而由於物理條件的限制，目前水下的通信並不是很發達。因為高頻波例如無線電波，在水中會被迅速吸收，所以傳輸距離無法到達很遠。另外，在水中光學通信的效果也會變差，因為光線在水中長距離傳輸，會由於水中存在的微粒而發生散射。

因此，對於長距離水下通信來說，聲波是一個較好的選擇。聲納的應用比比皆是，例如導航、海底測繪、捕魚、海上石油勘測和艦船探測。

可是，對於聲學通信來說，特別是距離超過200米的，綜合各種因素，可用帶寬需限制在20千赫的頻率範圍內。由於頻率較低，數據傳輸速率被限制在幾十Kbps。相比於我們如今使用的幾十Mbps的寬頻網路來說，這一速率要遜色許多。

創新

針對上述問題，科學家們一直在積極探索新的更好的解決方案。最近，美國能源部所屬勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員利用聲波在傳輸過程中產生的動態旋轉，也稱為「軌道角動量」，在單個頻率上包裝更多的信道，顯著增加信息傳輸量。研究成果以論文的形式發表於這周的《美國國家科學院院刊》。

為了演示這一效果，研究人員單詞 「Berkeley」（伯克利）的字母以二進位形式編碼，且通過聲學信號傳輸這一信息，雖然聲學信號往往攜帶更少的數據。

「Berkeley」一詞字母的二進位數據，通過數字電路轉換成在具有不同軌道角動量的獨立信道上的編碼信息。換能器陣列通過單個聲波束的不同圖案發送信息。螺旋波陣面的顏色顯示出不同的聲波相位。

（圖片來源：Chengzhi Shi/Berkeley Lab and UC Berkeley）

技術

首先，還是給大家科普一下水下聲通信技術，或者叫水聲通信技術。

顧名思義，水聲通信是一項在水下進行信息通信的技術。它首先將要發送的信息例如文字、圖片、視頻等等，進行編碼和調製處理，然後由功率放大器推動聲學換能器，將電信號轉換為聲信號。聲信號通過水這一介質進行傳播，將信息發送到遠方用於接收的換能器，再將聲信號轉換為電信號，然後在經過放大、濾波、數字化、糾錯等等信號處理的過程，還原出信息。

為了更加有效的利用通信線路，通過共享信號將不同的信道結合起來，或者多路復用，是目前廣泛應用於通信行業和計算機網路的一項技術。但是研究人員稱，在這項研究之前，多路復用軌道角動量的方案尚未在聲學領域得到應用。

在聲音傳播的過程中，聲波陣面形成了螺旋圖案，或者漩渦束。這種波的軌道角動量提供了一種空間自由度以及獨立信道。在這之上，研究人員能夠編碼數據。

（圖片來源：Chengzhi Shi/Berkeley Lab and UC Berkeley）

論文的合作領導作者、Zhang的實驗室的研究生 Chengzhi Shi 稱：

「對於具有不同的軌道角動量的信道來說，即使波本身的頻率相同，旋轉仍會以不同的速度發生，從而使得這些信道相互獨立。這就是我們為什麼可以在相同的波束或者脈衝下 ，編碼不同的數據比特。然後，我們採用演算法解碼來自不同信道的信息，因為這些信道相互之間是獨立的。」

位於勞倫斯伯克利國家實驗室的實驗裝置，由一組64個換能器（transducer）的數字控制電路組成，共同生成螺旋波陣面，產生出不同信道。信號通過各個獨立的軌道角動量信道同時發出。研究人員使用了16千赫的頻率，該頻率處於目前聲納所用的頻率範圍內。一組32個感測器構成的接收器陣列用於測量聲波信號，並且使用演算法解碼不同圖案。Shi 說：

「我們調製了每個換能器的幅度和相位，形成不同的圖案，並且產生基於不同軌道角動量的信道。在實驗中，我們使用了8個信道，同時發送8比特的數據，而不是發送1比特的數據。然而，理論上來說，由軌道角動量產生的信道數量還可以更多。」

另外研究人員提示，實驗是在空氣中完成的，但是在這個頻率範圍中，聲波的物理特性在水中和空氣中十分相似。

價值

對於這項創新研究的價值，美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部門的資深科學家、加州大學伯克利分校的教授、論文的作者之一 Xiang Zhang 評述道：

「這種方式好比從單行道的輔路走向多車道的高速路。這項研究在高速聲學通信方面具有巨大潛力。」

Shi 說：

「相對海洋來說，我們對於空間和宇宙了解的更多。我們之所以了解的少，原因就是我們沒有更簡便的方法來研究深海。這項研究顯著加速了我們的研究和海洋探索。」

擴充水下通信容量，將為科研人員開闢新的探索途徑。在海洋表面以下，原本只能發送文字信息，而擴充容量後，甚至可以傳輸高清電影。海洋中的遠程探測器也將無需再到海洋表面發送數據。該創新方案將惠及潛水員、海洋調查船、遠程海洋監測器、深海機器人和潛水艇，帶來高速通信的新方式。

參考資料

【1】http://www.newswise.com/doescience/?article_id=676997&returnurl=aHR0cHM6Ly93d3cubmV3c3dpc2UuY29tL2FydGljbGVzL2xpc3Q=

【2】Chengzhi Shi, Marc Dubois, Yuan Wang, Xiang Zhang. High-speed acoustic communication by multiplexing orbital angular momentum. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; 201704450 DOI: 10.1073/pnas.1704450114

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