隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)外層空間的探索活動(dòng)將會(huì)逐步深入，從月球到火星、再到外層空間的航空航天計(jì)劃將會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)。我國(guó)也對(duì)空間探測(cè)寄予厚望，將其作為未來重要的航天計(jì)劃之一。探測(cè)數(shù)據(jù)需要及時(shí)地傳回地面，通信是探索外層空間必不可少的一環(huán)。然而目前傳輸鏈路的通信速率僅為Kbit量級(jí)，為了提高通信速率，如何有效地利用空間中有限的頻譜資源、提高頻譜效率成為問題。本文提出一種提高信道容量的傳輸方法，在功率保持不變的情況下，通過復(fù)用渦旋電磁波獲得較高的頻譜效率。

渦旋電磁波通信方法概述

除去傳統(tǒng)的相位、頻率、振幅，軌道角動(dòng)量是電磁波的另一個(gè)新維度，提供了利用電磁波的新的可能方式。因?yàn)椴煌Ｊ降臏u旋電磁波在空間中互相正交，所以，能夠通過渦旋電磁波的復(fù)用傳輸大幅提高頻譜效率，增加信道容量，同時(shí)，復(fù)用渦旋電磁波不會(huì)額外增加功率。這是目前渦旋電磁波應(yīng)用于通信領(lǐng)域最大的關(guān)注點(diǎn)，也是引領(lǐng)未來空間通信的重要發(fā)展方向[4]。

系統(tǒng)構(gòu)成與鏈路預(yù)算

根據(jù)空間通信的實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了渦旋電磁波的地月通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、地月傳輸鏈路和接收機(jī)三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示：

拆分成多路的編碼數(shù)據(jù)通過發(fā)射器1復(fù)用，途徑上行鏈路傳輸給接收器1，接收機(jī)1負(fù)責(zé)接收渦旋電磁波信號(hào)，隨后進(jìn)行分離解調(diào)；解調(diào)完成的編碼數(shù)據(jù)通過發(fā)射器2，途徑下行鏈路作為應(yīng)答信號(hào)到達(dá)接收器2完成傳輸。

發(fā)射機(jī)由專用信號(hào)源、功率放大器、渦旋電磁波發(fā)射天線三部分構(gòu)成。專用信號(hào)源和功率放大器均能采用專用儀器和設(shè)備實(shí)現(xiàn)，渦旋電磁波發(fā)射天線可以采用地面反射面天線加螺旋相位板的結(jié)構(gòu)。發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2所示：

接收機(jī)由接收天線、射頻前端和信號(hào)采集處理器3部分構(gòu)成。根據(jù)清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)最近提出的渦旋電磁波長(zhǎng)距離傳輸方法[5]，接收天線可以采用常規(guī)天線陣列完成信號(hào)接收，接收信號(hào)由射頻前端完成降噪放大和變頻操作，然后高速數(shù)據(jù)采集裝置完成數(shù)據(jù)采集和處理。接收機(jī)部分的硬件與常規(guī)平面波傳輸方式完全一致，具有成熟的硬件設(shè)備，接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖3所示：

根據(jù)麥克斯韋方程組，波長(zhǎng)為λ的電磁波在自由空間中傳輸距離d的損耗，能被表示為如下形式：

其中，tP表示發(fā)射端信號(hào)源的功率，aG表示發(fā)射端功率放大器的增益，t G表示40GHz頻率載波，tP表示的是信號(hào)源的輸出功率，aG是天線與螺旋相位板構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)的增益，t G是功率放大器帶來的增益，eG表示毫米波段信號(hào)經(jīng)過電離層的衰減統(tǒng)計(jì)平均值，rG表示接收天線的增益。

系統(tǒng)仿真分析

計(jì)算常規(guī)電磁波的信道容量的香農(nóng)公式能被表示為如下形式：

我們采用大型拋物面或卡塞哥倫天線作為地面發(fā)射天線，渦旋電磁波天線作為饋源（喇叭或貼片陣列），假設(shè)在深空通信為低信噪比環(huán)境，我們可以通過復(fù)用渦旋電磁波提高傳輸速率。通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)比增加渦旋電磁波通道數(shù)獲得的容量增益與單純?cè)黾庸β诗@得的增益，前者優(yōu)勢(shì)明顯。對(duì)信道進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖4所示：

從圖4中可以看出，普通電磁波通信時(shí)僅僅通過增加功率所帶來的信道容量的增益是有限的，當(dāng)我們固定發(fā)射功率，比如信噪比固定在20dB或者30dB的時(shí)候，通過增加渦旋電磁波復(fù)用的數(shù)量，可以獲得更加可觀的增益，這就為未來無線通信，特別是長(zhǎng)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)深空通信提供了新的傳輸方法，可以在功率瓶頸下進(jìn)一步提高深空通信的傳輸速率。

結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于深空通信中的新的通信傳輸方法，采用渦旋電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸，可以為信息通信提供一個(gè)新的維度，文中對(duì)深空通信的鏈路情況進(jìn)行了預(yù)算，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)方案，仿真說明采用這種新形式的電磁波進(jìn)行通信，可以克服功率瓶頸，在深空通信功率一定的情況下，通過渦旋電磁波空間上的正交多路復(fù)用，可以明顯地提高鏈路的傳輸容量。

參考文獻(xiàn)

[1]胡一平.渦旋電磁波接收新技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[2]孫學(xué)宏，李強(qiáng)，龐丹旭，等.軌道角動(dòng)量在無線通信中的研究新進(jìn)展綜述[J].電子學(xué)報(bào)，2015，43（11）：2305-2314.

[3]回曉楠.攜帶軌道角動(dòng)量渦旋電磁波天線及傳輸系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[4]黃嘉斌，萬頻，王永華，等.渦旋電磁波在無線通信中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].移動(dòng)通信，2013，37（20）：20-24.

[5]Zhang C，Ma L.Millimetre-wave with rotational orbital angular momentum. Scientific Reports，Nature Publication Group，2016（6）：31921.

（作者簡(jiǎn)介：王子悅，中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)。）