[发明专利]一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法和系统，利用复合扭曲声波的多路径传输在自由空间中实现了高信息密度的实时通信，在不需要大规模传声器扫描以及复杂耗时的后处理的情况下，通过单层超表面实现了对不同信道信息的实时准确解码，突破了现有基于空间复用的声学通信的信息容量限制。

技术领域

本发明涉及一种声学通信方法和系统，特别是涉及一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法及系统。

背景技术

目前，水下环境中的信息传输技术成为当前研究的重要问题。由于海水对高频电磁波的吸收以及海洋中微小生物对光波的散射，使得基于电磁波和光波的水下通信只能在短距离内传播。目前，声波成为长距离水下信息传输的理想载体。但是频率过高的声波在水下传输同样存在衰减，无法在远距离内传播，这在很大程度上限制了通信系统的带宽范围。

为了提高声学通信系统的信道容量和频谱效率，轨道角动量作为独立于相位和振幅的新的空间自由度来编码信息。基于轨道角动量的正交性，携带不同阶轨道角动量的扭曲声波可以独立承载信息并复用到同一条传输路径中，这使得声学的通信能力得到提高，但该通信系统的实现需要复杂的传声器阵列进行后处理或者需要多层超表面对声波进行解码，使其受衍射效应和能量损耗的影响显著，因此限制了可用通信信道的最大数目，无法进一步提高通信容量和效率。

发明内容

发明目的：针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法和系统，利用声波的多径扭曲，在没有被动后处理和传感器扫描的情况下，在自由空间中实现了高质量和高信息密度的声学通信系统。结合同轴和非同轴扭曲声波复用的优点，突破了现有空间复用机制中信息传输容量的限制。同时，在接收端用来信息解码的超表面天生对多径效应具有鲁棒性，可以抑制多径效应以及衍射效应带来的信道串扰，实现高精度的信息解码。

技术方案：本发明提供的一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法，包括以下步骤：

(1)在发射端和接收端设有多个发射单元和接收单元，利用多径效应形成多条传输路径，每条路径传输由携带不同阶轨道角动量的扭曲声波构成的复合扭曲声波，不同阶的扭曲声波可以独立携带信息进行传输，形成相互独立的信道。

(2)在发射端，将每组待传输的数据编码到每阶扭曲声波的振幅和相位中，每个发射单元的信号源即为经过编码后的复合扭曲声波信号。每路信号源将合成的声波信号经自由空间传播到对应的接收单元。

可选的，利用二进制振幅键控调制技术对指定频率的扭曲声波进行信息调制，以幅值0代表数据0，幅值1代表数据1；也可以采用其他调制技术，如正交振幅调制，将数据编码到每阶扭曲声波的幅值和相位中。

(3)每条路径上的复合扭曲声波经无源解复用器解旋后在空间中分离，并根据扭曲声波的阶数聚焦到不同的位置。在焦点处放置单个传声器用来接收信号，接收到的声波信号即为原始输入的数据流，基于聚焦效应，接收到的信号能量得到极大的增强。

本发明还提供了一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，包括发射端和接收端，具有N对发射单元和接收单元，构成多条非同轴的传输路径，每条路径传输的声束是由携带不同阶轨道角动量的扭曲声波复合而成。即每个发射单元发射包含 M种轨道角动量模式的复合扭曲声束，每阶轨道角动量的扭曲声波可以独立携带信息进行传输，形成NM个独立的数据信道；

将每一组由0和1构成的数据流编码到一组信道的声波的幅值和相位上，作为信号源；不同阶的扭曲声波作为载波携带不同的信息进行传输，构成多组独立的信号通道。

发射端以有源扬声器阵列作为发射单元，用于合成多阶同轴扭曲声波，经自由空间传播到接收端对应的接收单元；接收端以基于超材料设计的无源解复用器作为接收单元，对复合扭曲声波进行解旋，即将每阶扭曲声波转换为平面波，并将解旋后的声波分离并汇聚到不同的位置上；在每阶扭曲声波的汇聚点处设置有一个传声器，用于接收携带原始编码信息的声波信号。