東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院、毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍院士、程強(qiáng)教授課題組與移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金石教授課題組基于時(shí)域數(shù)字編碼超表面，提出了一種全新的編碼方法，能夠在超寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁諧波幅度和相位的精確調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步提出并實(shí)際搭建了調(diào)制體制為256
QAM的高階毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)。新系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)更為簡(jiǎn)單，極大地降低了硬件成本。相關(guān)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National
Science Review, NSR)，第一作者為碩士研究生陳明正。
基于時(shí)域數(shù)字編碼超表面的毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)示意圖
基于近年來(lái)研究成果，研究者已經(jīng)能夠利用PIN二極管、變?nèi)荻O管等可調(diào)元件，以數(shù)字化形式實(shí)時(shí)重構(gòu)超表面的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的動(dòng)態(tài)可編程調(diào)控。
崔鐵軍院士課題組提出了時(shí)域數(shù)字編碼超表面，以產(chǎn)生并精確控制電磁諧波(National Science Review, 6, 231-238, 2019)。時(shí)域數(shù)字編碼超表面的出現(xiàn)引發(fā)了一系列新奇的物理現(xiàn)象，包括諧波波束調(diào)控、非線性極化綜合、多普勒隱身和寬帶頻譜隱身等。尤其在無(wú)線通信領(lǐng)域，時(shí)域數(shù)字編碼超表面巧妙地將信息科學(xué)中的香農(nóng)信息熵和信號(hào)處理算法與實(shí)時(shí)可編程的超表面單元相結(jié)合，獲得了新應(yīng)用。一方面，時(shí)域數(shù)字編碼超表面可智能地重構(gòu)無(wú)線傳輸環(huán)境，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋;另一方面，時(shí)域數(shù)字編碼超表面實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波幅度和相位響應(yīng)的能力使其成為一種新型的無(wú)線發(fā)射機(jī)。
在該文中，研究者們提出了一種巧妙的數(shù)字編碼方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬帶電磁諧波幅度和相位的精確調(diào)控。具體而言，超表面的反射系數(shù)受偏置電壓的控制，在兩種不同狀態(tài)之間周期性地變化，從而產(chǎn)生了一系列以入射電磁波頻率為中心頻率的諧波信號(hào)。通過(guò)調(diào)制數(shù)字編碼序列的占空比與時(shí)間延遲兩個(gè)參數(shù)，研究者們能夠精確而獨(dú)立地控制所產(chǎn)生諧波信號(hào)的幅度和相位。
基于這一諧波調(diào)控理論，研究者們進(jìn)一步探索建立了調(diào)制體制為256 QAM的毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)。當(dāng)一個(gè)單音信號(hào)入射到超表面時(shí)，其將在數(shù)字編碼序列的控制下被轉(zhuǎn)化為一系列的諧波信號(hào)。如果選取+1階諧波作為傳輸信息的載波，則視頻和圖片等信息流就能被映射為相應(yīng)的編碼序列流加載到超表面上，從而把信息調(diào)制到載波上，無(wú)須復(fù)雜的射頻鏈路，大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。
新架構(gòu)毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)收發(fā)端結(jié)構(gòu)框圖
為了驗(yàn)證方法的正確性和系統(tǒng)性能，研究者們實(shí)際搭建了工作在27-31.15 GHz的毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)樣機(jī)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地以256 QAM的調(diào)制體制傳輸圖片信息，并將接收到的星座點(diǎn)與圖片展示在收端屏幕上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提出的諧波調(diào)控方法的正確性與高階調(diào)制無(wú)線通信系統(tǒng)的可行性。
總之，這種寬帶的諧波調(diào)控方法精度高、原理簡(jiǎn)單，并可搭建出調(diào)制體制達(dá)到256 QAM的毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)。與需要復(fù)雜的基帶算法與昂貴射頻器件的傳統(tǒng)毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)相比，所報(bào)道的新架構(gòu)系統(tǒng)以低廉的成本實(shí)現(xiàn)了良好的性能，在未來(lái)的6G移動(dòng)通信與新體制雷達(dá)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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