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

在過(guò)去的30年，無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，無(wú)線通訊設(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)線通信系統(tǒng)的架構(gòu)。這一創(chuàng)新突破性成果以“DirectTransmissionofDigitalMessageviaProgrammableCodingMetasurface”為題發(fā)表在《Research(DOI:10.1155/2019/2584509)上。

用于電磁波全空間控制的透/反射集成多功能編碼超表面

作為一種全新的電磁超材料，數(shù)字編碼超表面（Digital coding metasurface）利用二進(jìn)制的數(shù)字狀態(tài)表示反射波或透射波的幅度或相位，對(duì)超材料的電磁特性實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化表征，其設(shè)計(jì)原理和方法較傳統(tǒng)的模擬超材料都更為簡(jiǎn)單：通過(guò)將編碼單元按照不同的數(shù)字序列排列在陣面上，便可以實(shí)現(xiàn)具有相應(yīng)不同功能的數(shù)字編碼超表面。由于其單元狀態(tài)為有限的二進(jìn)制數(shù)字狀態(tài)，因此利用可編程控制加載在單元結(jié)構(gòu)中有源器件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼狀態(tài)及整體功能的實(shí)時(shí)調(diào)控。因此，數(shù)字編碼超材料日益受到廣泛關(guān)注和深入研究。近日，來(lái)自東南大學(xué)的崔鐵軍教授課題組設(shè)計(jì)了一種多層各向異性編碼超表面，通過(guò)改變微波（~15 GHz）的極化和入射方向就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的功能。作為概念性驗(yàn)證，研究人員通過(guò)僅使用單個(gè)“透射-反射-集成”（transmission‐reflection‐integrated）的編碼超表面，就實(shí)現(xiàn)了光束偏轉(zhuǎn)（beam deflection）、漫散射（diffuse scattering）和渦旋光束產(chǎn)生（vortex beam generation）這三種不同的功能，并可通過(guò)編碼方案同時(shí)控制共享孔徑（shared aperture）上的透射和反射波前。數(shù)值計(jì)算和測(cè)量結(jié)果都驗(yàn)證了該超表面材料的出色性能，為拓展超材料的多元化功能提供了一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)方法。早期相關(guān)工作發(fā)表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

超材料（Metamaterials）是指亞波長(zhǎng)尺度單元按一定的宏觀排列方式形成的人工復(fù)合電磁結(jié)構(gòu)。由于其基本單元和排列方式都可任意設(shè)計(jì)，因此能構(gòu)造出傳統(tǒng)材料與傳統(tǒng)技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的超常規(guī)媒質(zhì)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)電磁波進(jìn)行高效靈活調(diào)控，實(shí)現(xiàn)一系列自然界不存在的新奇物理特性和應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的電磁超材料和超表面都是基于連續(xù)變化的媒質(zhì)參數(shù)，很難實(shí)時(shí)地操控電磁波。2014年，崔鐵軍教授課題組在國(guó)際上首次提出“數(shù)字編碼與可編程超材料”，提出用二進(jìn)制數(shù)字編碼來(lái)表征超材料的思想，通過(guò)改變數(shù)字編碼單元“0”和“1”的空間排布來(lái)控制電磁波（Light: Science & Applications, 3, e218, 2014）。這一概念的提出不僅簡(jiǎn)化了超材料的設(shè)計(jì)難度和優(yōu)化流程，構(gòu)建了超材料由物理空間通往數(shù)字空間的橋梁，使人們能夠從信息科學(xué)的角度來(lái)理解和探索超材料。更重要地是，超材料的數(shù)字化編碼表征方式非常有利于結(jié)合一些有源器件（例如二極管和MEMS開(kāi)關(guān)等），在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）等電路系統(tǒng)的控制下實(shí)時(shí)地?cái)?shù)字化調(diào)控電磁波，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)多種完全不同的功能。

然而，之前關(guān)于數(shù)字編碼與可編程超材料的研究工作僅在空間域進(jìn)行編碼。近來(lái)，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程強(qiáng)教授、崔鐵軍教授和東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金石教授及其博士生趙捷、陽(yáng)析等提出時(shí)間編碼超材料的概念（arXiv 1806.04414），可對(duì)電磁頻譜進(jìn)行任意調(diào)控。在該Nature Communications論文中，崔鐵軍教授等人首次提出了“時(shí)空編碼數(shù)字超表面”，特殊設(shè)計(jì)的可編程超表面在時(shí)間域上按照相應(yīng)的時(shí)間編碼序列快速切換，可以在頻率域產(chǎn)生諧波能量分布。同時(shí)結(jié)合空間域的編碼排布，一款時(shí)空聯(lián)合編碼的數(shù)字超表面可以在空間域和頻率域同時(shí)調(diào)控電磁波。

在該工作中，作者利用優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)空三維編碼矩陣，超表面將入射波能量分散到空間任意方向和任意諧波頻譜上，這一特性很好地縮減了雷達(dá)散射截面（RCS），未來(lái)有望應(yīng)用于新型的計(jì)算成像系統(tǒng)。更重要的是，引入時(shí)間維度的編碼之后，可以擴(kuò)展傳統(tǒng)的空間編碼比特?cái)?shù)，降低了實(shí)現(xiàn)高比特可編程超表面的系統(tǒng)復(fù)雜度。例如，一款2比特的可編程超表面，只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)空編碼矩陣，就可以在中心頻率和諧波頻率實(shí)現(xiàn)等效的360度相位覆蓋，這是傳統(tǒng)可編程超表面無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，可用于實(shí)現(xiàn)波束塑形等一系列實(shí)用功能。

本工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專項(xiàng)“微波毫米波數(shù)字編碼和現(xiàn)場(chǎng)可編程超構(gòu)材料的理論體系與關(guān)鍵技術(shù)”，以及國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作在東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

研究背景

隨著電報(bào)、電話的發(fā)明和電磁波的發(fā)現(xiàn)，人類通信的方式發(fā)生了根本性的變革。在過(guò)去的30年，無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，無(wú)線通信設(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ⅰＵ麄€(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），因此作者將其稱為直接數(shù)字調(diào)制（DDM）無(wú)線通信系統(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)線通信系統(tǒng)的原型

圖2中給出了這種新型無(wú)線通信體系的一個(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)線通信）中發(fā)揮潛在應(yīng)用價(jià)值。

崔鐵軍

1993年在西安電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，1995年至1997年獲得洪堡獎(jiǎng)學(xué)金資助，在德國(guó)Karlsruhe大學(xué)任Research Fellow；1997年至2002年在美國(guó)University of Illinois at Urbana-Champaign作博士后及研究科學(xué)家。2001年被聘為東南大學(xué)無(wú)線電工程系教授、博士生導(dǎo)師、教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授。IEEE Fellow，十二屆全國(guó)人大代表。近年來(lái)，崔鐵軍教授在電磁波與復(fù)雜物質(zhì)相互作用方面做出了系統(tǒng)而深入的研究，在Springer出版專著一部；在Science、PNAS、Nature子刊、Physical Review Letters、Advanced Materials等國(guó)際知名刊物上發(fā)表論文400余篇，被引用13000余次，研究成果被選為“2010年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”，榮獲2011年教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、2014年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。曾為IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing副主編，獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家“百千萬(wàn)人才工程”國(guó)家級(jí)人選、中國(guó)僑聯(lián)“雙百僑界貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)。在第八屆海外華人物理學(xué)家大會(huì)、Metamaterials、PIERS等大型國(guó)際會(huì)議上做主題報(bào)告20余次。