你了解當下的無線數字通信發展技術么？

在過去的30年，無線數字通信系統發展迅速，無線通訊設備已成為人們日常生活中必不可少的設備之一，而無線通訊技術仍然不斷追求具有更高保密度的通信方式，以應用于衛星對地通信和軍用無線通信中。近日，東南大學崔鐵軍教授提出了一種基于數字編碼超材料的全新數字無線通信體系結構，將要傳送的信號由動態變化的輻射模式直接調制，在硬件和軟件兩個層面上都極大地簡化了無線通信系統的架構。這一創新突破性成果以“DirectTransmissionofDigitalMessageviaProgrammableCodingMetasurface”為題發表在《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，數字編碼超表面（Digital coding metasurface）利用二進制的數字狀態表示反射波或透射波的幅度或相位，對超材料的電磁特性實現了數字化表征，其設計原理和方法較傳統的模擬超材料都更為簡單：通過將編碼單元按照不同的數字序列排列在陣面上，便可以實現具有相應不同功能的數字編碼超表面。由于其單元狀態為有限的二進制數字狀態，因此利用可編程控制加載在單元結構中有源器件，可實現對編碼狀態及整體功能的實時調控。因此，數字編碼超材料日益受到廣泛關注和深入研究。近日，來自東南大學的崔鐵軍教授課題組設計了一種多層各向異性編碼超表面，通過改變微波（~15 GHz）的極化和入射方向就可以實現多個獨立的功能。作為概念性驗證，研究人員通過僅使用單個“透射-反射-集成”（transmission‐reflection‐integrated）的編碼超表面，就實現了光束偏轉（beam deflection）、漫散射（diffuse scattering）和渦旋光束產生（vortex beam generation）這三種不同的功能，并可通過編碼方案同時控制共享孔徑（shared aperture）上的透射和反射波前。數值計算和測量結果都驗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單有效的實現方法。早期相關工作發表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

超材料（Metamaterials）是指亞波長尺度單元按一定的宏觀排列方式形成的人工復合電磁結構。由于其基本單元和排列方式都可任意設計，因此能構造出傳統材料與傳統技術不能實現的超常規媒質參數，進而對電磁波進行高效靈活調控，實現一系列自然界不存在的新奇物理特性和應用。然而，傳統的電磁超材料和超表面都是基于連續變化的媒質參數，很難實時地操控電磁波。2014年，崔鐵軍教授課題組在國際上首次提出“數字編碼與可編程超材料”，提出用二進制數字編碼來表征超材料的思想，通過改變數字編碼單元“0”和“1”的空間排布來控制電磁波（Light: Science & Applications, 3, e218, 2014）。這一概念的提出不僅簡化了超材料的設計難度和優化流程，構建了超材料由物理空間通往數字空間的橋梁，使人們能夠從信息科學的角度來理解和探索超材料。更重要地是，超材料的數字化編碼表征方式非常有利于結合一些有源器件（例如二極管和MEMS開關等），在現場可編程門陣列（FPGA）等電路系統的控制下實時地數字化調控電磁波，動態地實現多種完全不同的功能。

然而，之前關于數字編碼與可編程超材料的研究工作僅在空間域進行編碼。近來，東南大學毫米波國家重點實驗室程強教授、崔鐵軍教授和東南大學移動通信國家重點實驗室金石教授及其博士生趙捷、陽析等提出時間編碼超材料的概念（arXiv 1806.04414），可對電磁頻譜進行任意調控。在該Nature Communications論文中，崔鐵軍教授等人首次提出了“時空編碼數字超表面”，特殊設計的可編程超表面在時間域上按照相應的時間編碼序列快速切換，可以在頻率域產生諧波能量分布。同時結合空間域的編碼排布，一款時空聯合編碼的數字超表面可以在空間域和頻率域同時調控電磁波。

在該工作中，作者利用優化算法，設計相應的時空三維編碼矩陣，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散射截面（RCS），未來有望應用于新型的計算成像系統。更重要的是，引入時間維度的編碼之后，可以擴展傳統的空間編碼比特數，降低了實現高比特可編程超表面的系統復雜度。例如，一款2比特的可編程超表面，只要設計相應的時空編碼矩陣，就可以在中心頻率和諧波頻率實現等效的360度相位覆蓋，這是傳統可編程超表面無法實現的，可用于實現波束塑形等一系列實用功能。

本工作得到了國家科技部重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項“微波毫米波數字編碼和現場可編程超構材料的理論體系與關鍵技術”，以及國家自然科學基金等項目的資助，相關實驗測試工作在東南大學毫米波國家重點實驗室完成。

研究背景

隨著電報、電話的發明和電磁波的發現，人類通信的方式發生了根本性的變革。在過去的30年，無線數字通信系統發展迅速，無線通信設備已成為人們生活中必不可少的設備之一。

現代無線數字通信系統的工作原理大致如下：首先將所要傳遞的信息轉換為數字基帶信號，經過數模轉換，再將其調制到載波信號上，經過射頻鏈路和天線發射出去；接收端是個逆過程，接收到信號之后通過解調、模數轉換等方式恢復所傳輸的信息。整個過程需要利用一系列的器件，例如數字模擬（D/A）轉換器、調制器、解調器、混頻器、數字上變頻器（DUC）和數字下變頻器（DDC）等，才能最終將信息傳輸到終端。如何將所要傳輸的數字比特有效地調制到可供傳輸的載波上，是數字通信系統中非常重要的環節。

現代數字通信系統常用的調制方法包括振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）等，在這些調制方法中，信號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）傳統無線通信系統（前三行）主要采用ASK、FSK和PSK調制技術，而DDM系統（后一行）主要采用基于遠場輻射模式的調制技術

由于數字編碼超材料的輻射模式與其控制序列上所攜帶的數字編碼信息有著一一映射的關系，因此可以利用遠場輻射模式的變化作為數字無線通信系統新的調制方案，如圖1(a)最后一行所示。

研究現狀與展望

基于這一想法，東南大學崔鐵軍課題組提出了一種基于數字編碼超材料的全新數字無線通信體系結構。由于要傳送的信號由動態變化的輻射模式直接調制，摒棄了傳統數字無線通信系統中的大多數模塊（如混頻器和D/A轉換器等），因此作者將其稱為直接數字調制（DDM）無線通信系統。DDM系統在硬件和軟件兩個層面上極大地簡化了無線通信系統的架構，數字化信號可直接應用于數字編碼超材料，并在饋源天線的照射下輻射到自由空間（見圖1(b)）。所發送的信息包含在數字編碼超材料輻射模式中，可被部署在遠場區域不同位置的多個接收器正確接收。

圖1 （b）DDM系統的原理機制示意

圖1(c)為這種新型無線通信系統原型機的數字編碼超材料模塊以及接收器模塊。

圖1（c）DDM無線通信系統的原型

圖2中給出了這種新型無線通信體系的一個傳輸示例，所要傳輸的圖片（圖2（a））幾乎無誤碼地被接收端所接收（圖2（b））。為了提高傳輸速率和系統對信道干擾的魯棒性，作者還開發了相應的信道優化算法，使其在無線信道存在干擾的情況下，也能自適應地優化得到可用的傳輸模式，保證信息的暢通傳輸。在傳輸過程受到遮擋或者干擾的情況下，數據傳輸會出現嚴重錯誤（圖2（c））。此時通過自適應信道優化算法，重新獲得當前無線信道下的最優傳輸模式，保證數據的低差錯率傳輸（圖2（d））。

圖2（a）發送的圖片。（b）采用兩比特傳輸模式，接收端所接收到的圖片。（c）當無線信道中受到障礙物干擾后，接收到的圖片發生嚴重錯誤。（d）開啟自適應信道優化算法后，系統能夠保證信息的準確流暢傳輸。

更重要的是，這種新的調制技術可以從物理層防止信息從單個或多個位置被截獲，因此可在高度保密通信（如衛星對地通信和軍用無線通信）中發揮潛在應用價值。

崔鐵軍

1993年在西安電子科技大學獲博士學位，1995年至1997年獲得洪堡獎學金資助，在德國Karlsruhe大學任Research Fellow；1997年至2002年在美國University of Illinois at Urbana-Champaign作博士后及研究科學家。2001年被聘為東南大學無線電工程系教授、博士生導師、教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授。IEEE Fellow，十二屆全國人大代表。近年來，崔鐵軍教授在電磁波與復雜物質相互作用方面做出了系統而深入的研究，在Springer出版專著一部；在Science、PNAS、Nature子刊、Physical Review Letters、Advanced Materials等國際知名刊物上發表論文400余篇，被引用13000余次，研究成果被選為“2010年中國科學十大進展”，榮獲2011年教育部自然科學一等獎、2014年國家自然科學二等獎。曾為IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing副主編，獲國家杰出青年科學基金、國家“百千萬人才工程”國家級人選、中國僑聯“雙百僑界貢獻獎”等榮譽。在第八屆海外華人物理學家大會、Metamaterials、PIERS等大型國際會議上做主題報告20余次。