你了解當(dāng)下的無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信發(fā)展技術(shù)么？

在過(guò)去的30年，無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚脑O(shè)備之一，而無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)仍然不斷追求具有更高保密度的通信方式，以應(yīng)用于衛(wèi)星對(duì)地通信和軍用無(wú)線(xiàn)通信中。近日，東南大學(xué)崔鐵軍教授提出了一種基于數(shù)字編碼超材料的全新數(shù)字無(wú)線(xiàn)通信體系結(jié)構(gòu)，將要傳送的信號(hào)由動(dòng)態(tài)變化的輻射模式直接調(diào)制，在硬件和軟件兩個(gè)層面上都極大地簡(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的架構(gòu)。這一創(chuàng)新突破性成果以“Direct Transmission of Digital Message via Programmable Coding Metasurface”為題發(fā)表在《Research(DOI: 10.1155/2019/2584509)上。

研究背景

隨著電報(bào)、電話(huà)的發(fā)明和電磁波的發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)通信的方式發(fā)生了根本性的變革。在過(guò)去的30年，無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備已成為人們生活中必不可少的設(shè)備之一。

現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)的工作原理大致如下：首先將所要傳遞的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，再將其調(diào)制到載波信號(hào)上，經(jīng)過(guò)射頻鏈路和天線(xiàn)發(fā)射出去；接收端是個(gè)逆過(guò)程，接收到信號(hào)之后通過(guò)解調(diào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方式恢復(fù)所傳輸?shù)男畔?。整個(gè)過(guò)程需要利用一系列的器件，例如數(shù)字模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器、調(diào)制器、解調(diào)器、混頻器、數(shù)字上變頻器（DUC）和數(shù)字下變頻器（DDC）等，才能最終將信息傳輸?shù)浇K端。如何將所要傳輸?shù)臄?shù)字比特有效地調(diào)制到可供傳輸?shù)妮d波上，是數(shù)字通信系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。

現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)常用的調(diào)制方法包括振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）等，在這些調(diào)制方法中，信號(hào)被分別加載于載波的幅度、頻率和相位上，如圖1（a）所示。

圖1（a）、傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)（前三行）主要采用ASK、FSK和PSK調(diào)制技術(shù)，而DDM系統(tǒng)（后一行）主要采用基于遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式的調(diào)制技術(shù)

由于數(shù)字編碼超材料的輻射模式與其控制序列上所攜帶的數(shù)字編碼信息有著一一映射的關(guān)系，因此可以利用遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式的變化作為數(shù)字無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)新的調(diào)制方案，如圖1(a)最后一行所示。

研究現(xiàn)狀與展望

基于這一想法，東南大學(xué)崔鐵軍課題組提出了一種基于數(shù)字編碼超材料的全新數(shù)字無(wú)線(xiàn)通信體系結(jié)構(gòu)。由于要傳送的信號(hào)由動(dòng)態(tài)變化的輻射模式直接調(diào)制，摒棄了傳統(tǒng)數(shù)字無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的大多數(shù)模塊（如混頻器和D/A轉(zhuǎn)換器等），因此作者將其稱(chēng)為直接數(shù)字調(diào)制（DDM）無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。DDM系統(tǒng)在硬件和軟件兩個(gè)層面上極大地簡(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的架構(gòu)，數(shù)字化信號(hào)可直接應(yīng)用于數(shù)字編碼超材料，并在饋源天線(xiàn)的照射下輻射到自由空間（見(jiàn)圖1(b)）。所發(fā)送的信息包含在數(shù)字編碼超材料輻射模式中，可被部署在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域不同位置的多個(gè)接收器正確接收。

圖1（b）、DDM系統(tǒng)的原理機(jī)制示意

圖1（c）為這種新型無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)原型機(jī)的數(shù)字編碼超材料模塊以及接收器模塊。

圖1（c）、DDM無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的原型

圖2中給出了這種新型無(wú)線(xiàn)通信體系的一個(gè)傳輸示例，所要傳輸?shù)膱D片（圖2（a））幾乎無(wú)誤碼地被接收端所接收（圖2（b））。為了提高傳輸速率和系統(tǒng)對(duì)信道干擾的魯棒性，作者還開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的信道優(yōu)化算法，使其在無(wú)線(xiàn)信道存在干擾的情況下，也能自適應(yīng)地優(yōu)化得到可用的傳輸模式，保證信息的暢通傳輸。在傳輸過(guò)程受到遮擋或者干擾的情況下，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤（圖2（c））。此時(shí)通過(guò)自適應(yīng)信道優(yōu)化算法，重新獲得當(dāng)前無(wú)線(xiàn)信道下的最優(yōu)傳輸模式，保證數(shù)據(jù)的低差錯(cuò)率傳輸（圖2（d））。

圖2、（a）發(fā)送的圖片。（b）采用兩比特傳輸模式，接收端所接收到的圖片。（c）當(dāng)無(wú)線(xiàn)信道中受到障礙物干擾后，接收到的圖片發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤。（d）開(kāi)啟自適應(yīng)信道優(yōu)化算法后，系統(tǒng)能夠保證信息的準(zhǔn)確流暢傳輸。

更重要的是，這種新的調(diào)制技術(shù)可以從物理層防止信息從單個(gè)或多個(gè)位置被截獲，因此可在高度保密通信（如衛(wèi)星對(duì)地通信和軍用無(wú)線(xiàn)通信）中發(fā)揮潛在應(yīng)用價(jià)值。

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