作者:崔铁军等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/9 10:35:16
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基于时域数字编码超表面提出一种全新的编码方法

东南大学电磁空间科学与技术研究院、毫米波国家重点实验室崔铁军院士、程强教授课题组与移动通信国家重点实验室金石教授课题组在信息超材料领域取得新进展,基于时域数字编码超表面提出了一种全新的编码方法,能够在超宽频带范围内实现对电磁谐波幅度和相位的精确调控。在此基础上,他们进一步提出并实际搭建了调制体制为256 QAM的高阶毫米波无线通信系统。新系统相较于传统的毫米波无线通信系统架构更为简单,极大地降低了硬件成本。论文第一作者为硕士研究生陈明正。

近年来,超材料和超表面因其对电磁波灵活多变的调控能力而吸引了研究者的广泛兴趣。PIN二极管和变容二极管等可调元件的应用使得人们能够以数字化形式实时重构超表面的功能,实现对电磁波的动态可编程调控。基于可编程数字超表面,崔铁军院士课题组提出了时域数字编码超表面以产生并精确控制电磁谐波(National Science Review, 6, 231-238, 2019)。时域数字编码超表面的出现引发了一系列新奇的物理现象,包括谐波波束调控、非线性极化综合、多普勒隐身和宽带频谱隐身等。尤其在无线通信领域,时域数字编码超表面巧妙地将信息科学中的香农信息熵和信号处理算法与实时可编程的超表面单元相结合,获得了新应用。一方面,时域数字编码超表面可智能地重构无线传输环境,增强网络覆盖;另一方面,时域数字编码超表面实时调控电磁波幅度和相位响应的能力使其成为一种新型的无线发射机。

在本文中,研究者们提出了一种巧妙的数字编码方法,实现了对宽带电磁谐波幅度和相位的精确调控。具体而言,超表面的反射系数受偏置电压的控制,在两种不同状态之间周期性地变化,从而产生了一系列以入射电磁波频率为中心频率的谐波信号。通过调制数字编码序列的占空比与时间延迟两个参数,研究者们能够精确而独立地控制所产生谐波信号的幅度和相位。基于这一谐波调控理论,研究者们进一步探索建立了调制体制为256 QAM的毫米波无线通信系统。当一个单音信号入射到超表面时,其将在数字编码序列的控制下被转化为一系列的谐波信号。如果选取+1阶谐波作为传输信息的载波,则视频和图片等信息流就能被映射为相应的编码序列流加载到超表面上,从而把信息调制到载波上,无须复杂的射频链路,大大地简化了系统架构。

为了实验验证方法的正确性和系统性能,研究者们实际搭建了工作在27-31.15 GHz的毫米波无线通信系统样机。在实验过程中,整个系统可以稳定地以256 QAM的调制体制传输图片信息,并将接收到的星座点与图片展示在收端屏幕上。实验结果证实了所提出的谐波调控方法的正确性与高阶调制无线通信系统的可行性。

总之,这种宽带的谐波调控方法精度高、原理简单,并搭建了调制体制达到256 QAM的毫米波无线通信系统。与需要复杂的基带算法与昂贵射频器件的传统毫米波无线通信系统相比,所报道的新架构系统以低廉的成本实现了良好的性能,在未来的6G移动通信与新体制雷达系统中具有广阔的应用前景。(来源:科学网)

相关论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab134

 
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