超材料的应用有望降低无线通信成本，东南大学崔铁军团队提出一种简化的数字无线通信系统方案

你了解当下的无线数字通信发展技术么？

在过去的30年，无线数字通信系统发展迅速，无线通讯设备已成为人们日常生活中必不可少的设备之一，而无线通讯技术仍然不断追求具有更高保密度的通信方式，以应用于卫星对地通信和军用无线通信中。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全新数字无线通信体系结构，将要传送的信号由动态变化的辐射模式直接调制，在硬件和软件两个层面上都极大地简化了无线通信系统的架构。这一创新突破性成果以“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，人类通信的方式发生了根本性的变革。在过去的30年，无线数字通信系统发展迅速，无线通信设备已成为人们生活中必不可少的设备之一。

现代无线数字通信系统的工作原理大致如下：首先将所要传递的信息转换为数字基带信号，经过数模转换，再将其调制到载波信号上，经过射频链路和天线发射出去；接收端是个逆过程，接收到信号之后通过解调、模数转换等方式恢复所传输的信息。整个过程需要利用一系列的器件，例如数字模拟（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，才能最终将信息传输到终端。如何将所要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。

现代数字通信系统常用的调制方法包括振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等，在这些调制方法中，信号被分别加载于载波的幅度、频率和相位上，如图1（a）所示。

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（后一行）主要采用基于远场辐射模式的调制技术

由于数字编码超材料的辐射模式与其控制序列上所携带的数字编码信息有着一一映射的关系，因此可以利用远场辐射模式的变化作为数字无线通信系统新的调制方案，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全新数字无线通信体系结构。由于要传送的信号由动态变化的辐射模式直接调制，摒弃了传统数字无线通信系统中的大多数模块（如混频器和D/A转换器等），因此作者将其称为直接数字调制（DDM）无线通信系统。DDM系统在硬件和软件两个层面上极大地简化了无线通信系统的架构，数字化信号可直接应用于数字编码超材料，并在馈源天线的照射下辐射到自由空间（见图1(b)）。所发送的信息包含在数字编码超材料辐射模式中，可被部署在远场区域不同位置的多个接收器正确接收。

图1 （b）DDM系统的原理机制示意

图1(c)为这种新型无线通信系统原型机的数字编码超材料模块以及接收器模块。 

图1（c）DDM无线通信系统的原型

图2中给出了这种新型无线通信体系的一个传输示例，所要传输的图片（图2（a））几乎无误码地被接收端所接收（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，使其在无线信道存在干扰的情况下，也能自适应地优化得到可用的传输模式，保证信息的畅通传输。在传输过程受到遮挡或者干扰的情况下，数据传输会出现严重错误（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，保证数据的低差错率传输（图2（d））。

图2（a）发送的图片。（b）采用两比特传输模式，接收端所接收到的图片。（c）当无线信道中受到障碍物干扰后，接收到的图片发生严重错误。（d）开启自适应信道优化算法后，系统能够保证信息的准确流畅传输。

更重要的是，这种新的调制技术可以从物理层防止信息从单个或多个位置被截获，因此可在高度保密通信（如卫星对地通信和军用无线通信）中发挥潜在应用价值。

《Research》作为《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊，通过《Science》的高影响力国际化传播平台和丰富的国际化高端学术资源，正在快速提高期刊的国际知名度和影响力，刊登内容主要集中在：人工智能与信息科学/生物学与生命科学/能源研究/环境科学/新兴材料研究/机械/科学与工程/微纳米科学/机器人与先进制造领域。

欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。

网址：https://spj.sciencemag.org/research/

识别二维码

与Research编辑面对面

Reseacrh科学研究

关注交叉学科热点领域突破

点击好看，分享给科学界