超材料的应用有望降低无线通信成本

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您了解无线数字通信目前的发展技术吗?

近30年来,无线数字通信系统迅速发展,无线通信设备已成为人们日常生活中不可或缺的设备之一。 然而,无线通信技术仍在不断追求保密性更高的通信方式,以用于卫星通信。 在地面通信和军事无线通信方面。 近日,东南大学崔铁军教授提出了一种基于数字编码超材料的新型数字无线通信架构。 待传输的信号直接通过动态变化的辐射方向图进行调制,这大大简化了硬件和软件级别。 无线通信系统的体系结构。 这一创新突破以“Direct Transmission of Digital Message via Programmable Coding Metasurface”为题发表在 Research (DOI: 10.1155/2019/2584509) 上。

研究背景

随着电报、电话的发明和电磁波的发现,人类的交流方式发生了根本性的变化。 近30年来,无线数字通信系统迅速发展,无线通信设备已成为人们生活中不可或缺的设备之一。

现代无线数字通信系统的工作原理大致如下:首先将要传输的信息转换为数字基带信号,然后通过数模转换调制到载波信号上,然后通过射频链路和天线; 接收端接收到信号后,通过解调、模数转换等恢复传输的信息,整个过程需要用到数模(D/ a)转换器、调制器、解调器、混频器、数字上变频器(DUC)和数字下变频器(DDC)等,以便最终将信息传输到终端。 如何将待传输的数字比特有效地调制到可供传输的载波上,是数字通信系统中非常重要的环节。

现代数字通信系统中常用的调制方法包括幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。 在这些调制方法中,信号分别加载在载波的幅度、频率和频率上。 同相,如图1(a)所示。

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图1(a)传统无线通信系统(前三行)主要采用ASK、FSK和PSK调制技术,而DDM系统(最后一行)主要采用基于远场辐射方向图的调制技术

由于数字编码超材料的辐射方向图与其控制序列上承载的数字编码信息具有一对一的映射关系,因此远场辐射方向图的变化可以作为数字无线通信系统的一种新的调制方案,如如图1(a)最后一行所示。

研究现状与展望

基于这一想法,东南大学崔铁军课题组提出了一种基于数字编码超材料的新型数字无线通信架构。 由于要传输的信号是通过动态变化的辐射图直接调制的,传统数字无线通信系统中的大部分模块(如混频器和D/A转换器等)都被抛弃,因此作者将其称为直接数字调制(DDM) )无线通信系统。 DDM系统在硬件和软件层面极大地简化了无线通信系统的架构。 数字信号可以直接施加到数字编码的超材料上,并在馈源天线的照射下辐射到自由空间(见图1(b))。 传输的信息包含在数字编码的超材料辐射方向图中,可以由部署在远场区域不同位置的多个接收器正确接收。

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图1(b) DDM系统原理机制示意图

图 1(c) 显示了这种新型无线通信系统原型的数字编码超材料模块和接收器模块。

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图1(c) DDM无线通信系统原型

图2显示了这种新型无线通信系统的传输示例。 接收端几乎没有错误地接收到要传输的图像(图2(a))(图2(b))。 为了提高传输速率和系统对信道干扰的鲁棒性,作者还开发了相应的信道优化算法,这样即使在无线信道存在干扰时,也能自适应地优化可用的传输模式,保证信息的流畅传播。 当传输过程受阻或受到干扰时,数据传输就会出现严重错误(图2(c))。 此时,通过自适应信道优化算法,重新获得当前无线信道下的最优传输模式,保证数据的低误码率传输(图2(d))。

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图2(a) 发送的图片。 (b) 采用两位传输模式,接收端接收到的图像。 (c)当无线信道受到障碍物干扰时,接收图像会出现严重错误。 (d)开启自适应信道优化算法后,系统可以保证信息传输的准确、流畅。

更重要的是,这种新的调制技术可以防止信息从物理层的单个或多个位置被拦截,因此在高度保密的通信(例如星地通信和军事无线通信)中具有潜在的应用价值。

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