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。

 

用于电磁波全空间控制的透/反射集成多功能编码超表面

作为一种全新的电磁超材料，数字编码超表面（Digital coding metasurface）利用二进制的数字状态表示反射波或透射波的幅度或相位，对超材料的电磁特性实现了数字化表征，其设计原理和方法较传统的模拟超材料都更为简单：通过将编码单元按照不同的数字序列排列在阵面上，便可以实现具有相应不同功能的数字编码超表面。由于其单元状态为有限的二进制数字状态，因此利用可编程控制加载在单元结构中有源器件，可实现对编码状态及整体功能的实时调控。因此，数字编码超材料日益受到广泛关注和深入研究。近日，来自东南大学的崔铁军教授课题组设计了一种多层各向异性编码超表面，通过改变微波（~15 GHz）的极化和入射方向就可以实现多个独立的功能。作为概念性验证，研究人员通过仅使用单个“透射-反射-集成”（transmission‐reflection‐integrated）的编码超表面，就实现了光束偏转（beam deflection）、漫散射（diffuse scattering）和涡旋光束产生（vortex beam generation）这三种不同的功能，并可通过编码方案同时控制共享孔径（shared aperture）上的透射和反射波前。数值计算和测量结果都验证了该超表面材料的出色性能，为拓展超材料的多元化功能提供了一种简单有效的实现方法。早期相关工作发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

超材料（Metamaterials）是指亚波长尺度单元按一定的宏观排列方式形成的人工复合电磁结构。由于其基本单元和排列方式都可任意设计，因此能构造出传统材料与传统技术不能实现的超常规媒质参数，进而对电磁波进行高效灵活调控，实现一系列自然界不存在的新奇物理特性和应用。然而，传统的电磁超材料和超表面都是基于连续变化的媒质参数，很难实时地操控电磁波。2014年，崔铁军教授课题组在国际上首次提出“数字编码与可编程超材料”，提出用二进制数字编码来表征超材料的思想，通过改变数字编码单元“0”和“1”的空间排布来控制电磁波（Light: Science & Applications, 3, e218, 2014）。这一概念的提出不仅简化了超材料的设计难度和优化流程，构建了超材料由物理空间通往数字空间的桥梁，使人们能够从信息科学的角度来理解和探索超材料。更重要地是，超材料的数字化编码表征方式非常有利于结合一些有源器件（例如二极管和MEMS开关等），在现场可编程门阵列（FPGA）等电路系统的控制下实时地数字化调控电磁波，动态地实现多种完全不同的功能。

然而，之前关于数字编码与可编程超材料的研究工作仅在空间域进行编码。近来，东南大学毫米波国家重点实验室程强教授、崔铁军教授和东南大学移动通信国家重点实验室金石教授及其博士生赵捷、阳析等提出时间编码超材料的概念（arXiv 1806.04414），可对电磁频谱进行任意调控。在该Nature Communications论文中，崔铁军教授等人首次提出了“时空编码数字超表面”，特殊设计的可编程超表面在时间域上按照相应的时间编码序列快速切换，可以在频率域产生谐波能量分布。同时结合空间域的编码排布，一款时空联合编码的数字超表面可以在空间域和频率域同时调控电磁波。  

在该工作中，作者利用优化算法，设计相应的时空三维编码矩阵，超表面将入射波能量分散到空间任意方向和任意谐波频谱上，这一特性很好地缩减了雷达散射截面（RCS），未来有望应用于新型的计算成像系统。更重要的是，引入时间维度的编码之后，可以扩展传统的空间编码比特数，降低了实现高比特可编程超表面的系统复杂度。例如，一款2比特的可编程超表面，只要设计相应的时空编码矩阵，就可以在中心频率和谐波频率实现等效的360度相位覆盖，这是传统可编程超表面无法实现的，可用于实现波束塑形等一系列实用功能。

本工作得到了国家科技部重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项“微波毫米波数字编码和现场可编程超构材料的理论体系与关键技术”，以及国家自然科学基金等项目的资助，相关实验测试工作在东南大学毫米波国家重点实验室完成。

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。

崔铁军

1993年在西安电子科技大学获博士学位，1995年至1997年获得洪堡奖学金资助，在德国Karlsruhe大学任Research Fellow；1997年至2002年在美国University of Illinois at Urbana-Champaign作博士后及研究科学家。2001年被聘为东南大学无线电工程系教授、博士生导师、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。IEEE Fellow，十二届全国人大代表。近年来，崔铁军教授在电磁波与复杂物质相互作用方面做出了系统而深入的研究，在Springer出版专著一部；在Science、PNAS、Nature子刊、Physical Review Letters、Advanced Materials等国际知名刊物上发表论文400余篇，被引用13000余次，研究成果被选为“2010年中国科学十大进展”，荣获2011年教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖。曾为IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing副主编，获国家杰出青年科学基金、国家“百千万人才工程”国家级人选、中国侨联“双百侨界贡献奖”等荣誉。在第八届海外华人物理学家大会、Metamaterials、PIERS等大型国际会议上做主题报告20余次。