基于数字可编码超表面的无线通信系统设计与实现

人工电磁超材料因其独特的物理特性不断受到研究者的关注。目前在数字成像、电磁学、雷达等多个领域已有许多超材料的应用实例。本文利用数字可编码超表面(超材料中的一种)设计和实现了一种无线通信系统，在电磁超材料与无线通信之间建立起新的桥梁。此系统利用数字可编码超表面，完成无线信号从基带到射频的直接调制，舍弃了传统无线通信系统中利用混频器等复杂模拟器件完成载波调制的射频架构。同时通过FPGA的硬件开发和实验证明，基于数字可编程超表面的无线通信系统可在3.8 GHz载频下利用FSK (Frequency Shift Keying，频移键控)的数字调制方式正常稳定地传输图片等多媒体信号。这种超表面与无线通信的结合，给构建新型通信系统架构提供了一种崭新的思路和可能。

电磁超材料是一种新型人工材料，它通常被设计成具有自然界中难以获得的性能。早期的例子是电磁学中的人工电介质，这些材料在固定频带内可拥有负数的有效介电常数和磁导率。另一种人们难以通过自然材料获得的物理特性是负折射率，但通过一定的设计也可获得等效的电磁超材料[1]。这些拥有众多独特物理性能的超材料，目前已经在众多领域取得了相应的应用，例如在电磁学中可广泛应用在低频微波到光波段等各个频段，也可应用在成像、天线、雷达等领域[2] [3]。

虽然电磁超材料在上述领域中已经有所运用，但其在无线通信中的应用还不成熟。事实上，拥有众多特性的电磁超材料在通过适当的调整和优化后完全可用于无线信号的传输[4]，甚至因其少见的物理特性会给通信系统带来新的便利。尤其是在无线通信中会涉及到电磁波操控的射频部分，超材料自身对电磁波的灵活可控性将大有可为。另一方面，传统无线通信载波调制中信号带宽、信号PAPR (Peak to Average Power Ratio，峰均功率比)等都会对射频电路中的器件提出较高要求[5]。可以预见在未来无线通信系统中，信号会越来越复杂，射频前端的造价成本也急剧上升，因此寻找一种成本低廉且高效的新方法或新器件来一定程度上替代射频前端的工作也极具意义和价值。

本文通过研究超材料中的数字可编码超表面并结合无线通信理论，设计并提出了一种新型无线通信系统。该系统在发射机端运用一块数字可编码超表面，替代原先硬件复杂的射频前端和天线，完成信号的调制及发送。研究初期，通过观察数字可编码超表面在不同编码下对于单音载波的响应并经过频谱仪的分析发现，周期性编码序列能够有规律地控制响应信号中谐波的幅度和相位。众所周知，无线信号的幅度和相位等物理量能够承载信息，因此可以合理猜想能利用该超表面代替射频前端完成将用户信息加载到无线信号上的工作，即载波调制。本文给出了利用数字可编码超表面完成直接载波调制的无线通信系统通用模型，并以FSK 数字调制为实例在LabVIEW FPGA 上对系统加以实现，最终能够稳定传输图片。