東南大學電磁空間科學與技術(shù)研究院、毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士、程強教授課題組與移動通信國家重點實驗室金石教授課題組基于時域數(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)實現(xiàn)對電磁諧波幅度和相位的精確調(diào)控。在此基礎上，他們進一步提出并實際搭建了調(diào)制體制為256
QAM的高階毫米波無線通信系統(tǒng)。新系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的毫米波無線通信系統(tǒng)架構(gòu)更為簡單，極大地降低了硬件成本。相關成果發(fā)表于《國家科學評論》(National
Science Review, NSR)，第一作者為碩士研究生陳明正。
基于時域數(shù)字編碼超表面的毫米波無線通信系統(tǒng)示意圖
基于近年來研究成果，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)字化形式實時重構(gòu)超表面的功能，實現(xiàn)對電磁波的動態(tài)可編程調(diào)控。
崔鐵軍院士課題組提出了時域數(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。尤其在無線通信領域，時域數(shù)字編碼超表面巧妙地將信息科學中的香農(nóng)信息熵和信號處理算法與實時可編程的超表面單元相結(jié)合，獲得了新應用。一方面，時域數(shù)字編碼超表面可智能地重構(gòu)無線傳輸環(huán)境，增強網(wǎng)絡覆蓋;另一方面，時域數(shù)字編碼超表面實時調(diào)控電磁波幅度和相位響應的能力使其成為一種新型的無線發(fā)射機。
在該文中，研究者們提出了一種巧妙的數(shù)字編碼方法，實現(xiàn)了對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。通過調(diào)制數(shù)字編碼序列的占空比與時間延遲兩個參數(shù)，研究者們能夠精確而獨立地控制所產(chǎn)生諧波信號的幅度和相位。
基于這一諧波調(diào)控理論，研究者們進一步探索建立了調(diào)制體制為256 QAM的毫米波無線通信系統(tǒng)。當一個單音信號入射到超表面時，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。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，無須復雜的射頻鏈路，大大地簡化了系統(tǒng)架構(gòu)。
新架構(gòu)毫米波無線通信系統(tǒng)收發(fā)端結(jié)構(gòu)框圖
為了驗證方法的正確性和系統(tǒng)性能，研究者們實際搭建了工作在27-31.15 GHz的毫米波無線通信系統(tǒng)樣機。在實驗過程中，整個系統(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與圖片展示在收端屏幕上。實驗結(jié)果證實了所提出的諧波調(diào)控方法的正確性與高階調(diào)制無線通信系統(tǒng)的可行性。
總之，這種寬帶的諧波調(diào)控方法精度高、原理簡單，并可搭建出調(diào)制體制達到256 QAM的毫米波無線通信系統(tǒng)。與需要復雜的基帶算法與昂貴射頻器件的傳統(tǒng)毫米波無線通信系統(tǒng)相比，所報道的新架構(gòu)系統(tǒng)以低廉的成本實現(xiàn)了良好的性能，在未來的6G移動通信與新體制雷達系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。
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