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“Direct Transmission of Digital Message via Programmable Coding Metasurface”為題發表在《Research(DOI: 10.1155/2019/2584509)上。

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。

來源：Research科學研究

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