Γνωστική αποδιαμόρφωση βασισμένη στη θερμοδυναμική για συνδέσμους ασύρματων επικοινωνιών «THz Torch»

Αρθρο Ανοιχτή πρόσβαση Που δημοσιεύθηκε: 10 Απριλίου 2020 Γνωστική αποδιαμόρφωση βασισμένη στη θερμοδυναμική για συνδέσμους ασύρματων επικοινωνιών «THz Torch» Χανγκ Ρεν &Στέπαν Λουκυσίν Scientific Reports τόμος 10 , Αριθμός άρθρου: 6259 ( 2020 ) Αναφέρατε αυτό το άρθρο 173 Προσβάσεις 3 Altmetric Λεπτομέρειεςμετρήσεων Αφηρημένη Η τεχνολογία «THz Torch» χαμηλού κόστους, η οποία εκμεταλλεύεται το θερμικό υπέρυθρο φάσμα ( περ. 10 έως 100 THz), παρουσιάστηκε πρόσφατα για να παρέχει ασφαλείς συνδέσμους επικοινωνίας χαμηλού ρυθμού δεδομένων σε μικρές αποστάσεις. Σε αυτό το άρθρο, προτείνεται μια προσέγγιση που βασίζεται στη θερμοδυναμική για να βελτιώσει σημαντικά την ευαισθησία της ανίχνευσης με μη στατική θερμική ακτινοβολία, που παράγεται από θερμικούς εκπομπούς που έχουν διαμορφωθεί πολύ πέρα ​​από τις σταθερές θερμικού χρόνου τους. Εδώ, χρησιμοποιείται η γνωστική αποδιαμόρφωση και, σε αντίθεση με όλους τους προηγούμενους διαδηλωτές, επιτρέπει πραγματικά ασύγχρονη λειτουργία προβλέποντας δυναμικά τις θερμικές μεταβατικές συνθήκες για το επόμενο bit που θα ληφθεί. Το αποτέλεσμα είναι μια πενταπλάσια αύξηση της αναφερόμενης λειτουργικής αξίας (Range × Bit Rate) για συνδέσεις ασύρματων επικοινωνιών «THz Torch». Ένα πρωτότυπο ενός καναλιού (2 m × 125 bps) και ένα πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας 8 καναλιών (0,5 m × 1, 000 bps) το πρωτότυπο αποδεικνύεται ως παραδείγματα απόδειξης αρχής για την βελτιωμένη μέθοδο αποδιαμόρφωσης. Οι μετρήσεις δείχνουν ανώτερη απόδοση ρυθμού σφάλματος bit με αύξηση του εύρους και του ρυθμού bit, σε σύγκριση με την συμβατική ανίχνευση κατωφλίου. Αυτό το έργο αντιπροσωπεύει μια αλλαγή παραδείγματος στη θερμο-βασισμένη διαμόρφωση-αποδιαμόρφωση ψηφιακών δεδομένων και προσφέρει μια πρακτική λύση για την εφαρμογή μελλοντικών πανταχού παρόντων ασφαλών συνδέσμων ασύρματων επικοινωνιών «THz Torch». καθώς και άλλες εφαρμογές. και προσφέρει μια πρακτική λύση για την εφαρμογή μελλοντικών πανταχού παρόντων ασφαλών συνδέσμων ασύρματων επικοινωνιών «THz Torch». καθώς και άλλες εφαρμογές. και προσφέρει μια πρακτική λύση για την εφαρμογή μελλοντικών πανταχού παρόντων ασφαλών συνδέσμων ασύρματων επικοινωνιών «THz Torch». καθώς και άλλες εφαρμογές. Εισαγωγή Οι ασύρματες συνδέσεις αντιπροσωπεύουν την ταχύτερα αναπτυσσόμενη περιοχή στον κλάδο των ψηφιακών επικοινωνιών. Η ιστορία της ασύρματης μετάδοσης δεδομένων μπορεί να ανιχνευθεί στην αρχαία Κίνα, χρησιμοποιώντας σήμα καπνού για επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις. Άλλα πρώιμα παραδείγματα ασύρματων επικοινωνιών περιλαμβάνουν την οπτική τηλεγραφία (Ηλιογραφία) του 19ου αιώνα και το φωτοφόρο στις αρχές του 20ου αιώνα 1 . Σήμερα, τα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο σε κάθε πτυχή της ανθρώπινης ζωής. Γενικά, τα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών βρίσκονται στα περισσότερα μέρη του ηλεκτρομαγνητικού (EM) φάσματος. σε ραδιοσυχνότητες που εκτείνονται προς τα πάνω έως τις υπέρυθρες ακτίνες (δηλαδή, καλύπτοντας τις (υπο-) μικροκύματα 2 , χιλιοστά-κύμα 3 και (υπο) -terahertz ζώνες 4 , 5 ) και σε οπτικά μήκη κύματος που εκτείνονται προς τα κάτω (δηλαδή, κατά μήκος φάσμα ορατού φωτός 6 στο εγγύς υπέρυθρο 7). Ωστόσο, έχουν αναφερθεί λίγες έρευνες και ανάπτυξη σχετικά με τις θερμικές υπέρυθρες ακτίνες (δηλ. Γύρω από το εγγύς υπέρυθρο, που έχουν παράθυρα ατμοσφαιρικής μετάδοσης από 20–40 THz και 60–100 THz) συνδέσεις ασύρματης επικοινωνίας. Μέχρι πρόσφατα, το θερμικό υπέρυθρο φάσμα περιορίστηκε γενικά σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν ανίχνευση κίνησης, απόκτηση στόχου 8 και θερμογραφία 9 (π.χ. ψηφιακά θερμόμετρα και θερμικές κάμερες). έχουν σχετικά χαμηλού κόστους εξαρτήματα που λειτουργούν με ασυνάρτητη ακτινοβολία, σε σύγκριση με εξαιρετικά ακριβά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε συνεκτικά συστήματα 10 που λειτουργούν σε ραδιοσυχνότητες και οπτικά μήκη κύματος. Το 2011, αναφέρθηκε το πρώτο θερμικό υπέρυθρο ασύρματο σύστημα επικοινωνιών 11 , το οποίο εκμεταλλεύτηκε τη χρήση θερμικών εκπομπών εξαιρετικά χαμηλού κόστους (μικροσκοπικές συστοιχίες λαμπτήρα πυρακτώσεως) και πυροηλεκτρικών αισθητήρων κίνησης υπέρυθρων (PIR). συλλογικά αναφέρεται ως τεχνολογία «THz Torch» εντός του φυσικού στρώματος. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων εννέα ετών, έχουν διερευνηθεί διάφορες πτυχές, από αρχιτεκτονικές επιπέδου συστήματος 12 έως επίπεδο συσκευών που επιτρέπουν τις τεχνολογίες 13 , 14 , 15, διατηρώντας παράλληλα το υποκείμενο ήθος της χρήσης εγγενώς συστατικών χαμηλού κόστους - καθιστώντας την τεχνολογία προσιτή για μελλοντικούς πανταχού παρόντες ασύρματους συνδέσμους χαμηλού ρυθμού δεδομένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ασφαλείς εφαρμογές (π.χ. ιδιωτικά πλήκτρα κλειδιών, κρυφά τηλεχειριστήρια, ασφαλή συσκευή σε συσκευή σύνδεσμοι δεδομένων, κ.λπ.). Απόδειξη-of-αρχής της ενιαίας 11 , 16 και πολλαπλών καναλιών 12 , 17 επιδείξεις έχουν προηγουμένως αναφερθεί. Η πρώτη αναφερόμενη επίδειξη 11 χρησιμοποίησε ένα σύστημα άμεσης ηλεκτρονικής διαμόρφωσης, έχοντας τα πλεονεκτήματα της απλότητας, της αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους, αλλά ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης bit για την αποστολή αυθαίρετων δεδομένων είναι της τάξης των 10 bps. Με τα επόμενα πρωτότυπα 12 , 15 , 16 , 17 , οι πομποί δημιούργησαν ένα σταθερό επίπεδο ισχύος θερμικής ακτινοβολίας (δηλαδή, αμετάβλητο του χρόνου) και χρησιμοποίησαν μηχανικούς οπτικούς ψαλίδια ως μηχανισμό έμμεσης διαμόρφωσης. Αυτή η λύση μετριάζει τους σταθερούς περιορισμούς του θερμικού χρόνου, προσφέροντας το πλεονέκτημα των ταχύτερων ρυθμών δεδομένων. Οι μέγιστοι ρυθμοί bit για την αποστολή αυθαίρετων δεδομένων είναι της τάξης των 640 bps χρησιμοποιώντας μηχανικά οπτικά ελικόπτερα 17, περιορίζεται από τη στιγμή της αδράνειας και της γωνιακής ορμής · γίνονται μεγαλύτερες ταχύτητες με μηχανικά οπτικά ρολά. Ωστόσο, όλες οι μηχανικές λύσεις είναι ακριβές και έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής λειτουργίας (μικρής διάρκειας ζωής με ρολά και μέσης διάρκειας ζωής με μπαλτά). Μέχρι σήμερα, η αναφερόμενη λειτουργική αξία (Range × Bit Rate) για συνδέσεις ασύρματων επικοινωνιών «THz Torch» περιορίστηκε είτε από θερμική μάζα (άμεση ηλεκτρονική διαμόρφωση) είτε από φυσική μάζα (έμμεση μηχανική διαμόρφωση). Με τα προηγούμενα, μπορεί να χρειαστούν λύσεις στερεάς κατάστασης. Με την τελευταία, μια πιθανή λύση θα μπορούσε να είναι η χρήση τεχνολογίας μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS). Εάν η συμβατική ανίχνευση κατωφλίου (βασισμένη απλώς στην ανίχνευση μεταβολής της τάσης εξόδου από έναν αισθητήρα PIR), αντικαθίσταται από μία που προβλέπει δυναμικά τις θερμικές μεταβατικές συνθήκες για τις δύο πιθανές καταστάσεις του επόμενου bit που θα ληφθούν (αναφέρονται εδώ ως «γνωστική αποδιαμόρφωση τότε είναι δυνατό να αυξηθεί δραματικά το λειτουργικό σχήμα της αξίας. Σε αυτό το άρθρο, οι βασικές αρχές πίσω από την τεχνολογία «THz Torch» αναπτύσσονται εκ νέου από την προοπτική της στάσιμης ακτινοβολίας (με λειτουργία που περιορίζεται από τις εγγενείς σταθερές θερμικού χρόνου που σχετίζονται με τη θερμική πηγή ή / και τον αισθητήρα) σε μια που εκμεταλλεύεται πραγματικά τη φυσική θερμοδυναμική συμπεριφορά. Η υποκείμενη θεωρία αποδεικνύεται πειραματικά και με μονοκαναλικά και πολυκαναλικά πρωτότυπα, Αποτελέσματα Η τυπική αρχιτεκτονική για ένα ασύρματο κανάλι «THz Torch» απεικονίζεται στο σχήμα 1α , που αποτελείται από έναν πομπό (Tx) και έναν δέκτη (Rx). Η αντίστοιχη πειραματική ρύθμιση για έναν σύνδεσμο 2 m φαίνεται στο Σχ. 1β . Ο θερμικός πομπός διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας το απλό σχήμα ON-OFF keying (OOK) από τον ψηφιακό ψηφιακό ατμό εισόδου. Η θερμική ακτινοβολία που παράγεται φιλτράρεται φασματικά χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο διέλευσης οπτικής ζώνης (BPF), το οποίο καθορίζει το εύρος συχνοτήτων του ασυνεχούς φορέα θορύβου για ένα συγκεκριμένο κανάλι (αναφέρεται στον Συμπληρωματικό Πίνακα S 1). Για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια εξάπλωσης, ο θερμικός εκπομπός έχει κωνικό κέρατο. προστίθεται ένας επίπεδος-κυρτός οπτικός φακός για να συγκολλήσει την αποκλίνουσα δέσμη θερμικής ακτινοβολίας. Μετά τη διάδοση μέσω του καναλιού ελεύθερου χώρου, η θερμοακτινωτή ακτινοβολία συγκεντρώνεται από έναν ίδιο φακό, μέσω ενός ταιριασμένου BPF, σε έναν αισθητήρα PIR. Το αναλογικό σήμα τάσης από τον αισθητήρα τροφοδοτείται σε έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) και επεξεργαστή, από τον οποίο ανακτώνται τα μεταδιδόμενα δεδομένα. Περιλαμβάνεται ένα μηχανικό οπτικό κλείστρο για τη δημιουργία μιας βαθμίδας θερμικής ακτινοβολίας, που απαιτείται για την αρχική βαθμονόμηση καναλιών
Τυπικό ασύρματο κανάλι «THz Torch». ( α ) Αρχιτεκτονική. ( β ) Πειραματική εγκατάσταση με εμβέλεια 2 m.
ΟΚ διαμορφωμένη θερμική υπέρυθρη εκπομπή Τα συμβατικά ψηφιακά συστήματα βασίζονται σε γραμμική διαμόρφωση χωρίς μνήμη. Μια εξαίρεση είναι ο κωδικός Miller. Αυτός είναι ένας απλός κωδικός γραμμής βασικής ζώνης (χαρτογράφηση bit σε μια πραγματική αναλογική κυματομορφή) που χρησιμοποιεί μνήμη και μη γραμμική διαμόρφωση 18 . Με τον κωδικό Miller, η κυματομορφή που αντιστοιχεί στο τρέχον bit καθορίζεται από δύο διαδοχικά bit (το τρέχον bit και το προηγούμενο bit του). Αντίθετα, με το σύστημά μας, έχουμε μια πολύπλοκη μνήμη και μη γραμμική διαμόρφωση (το απλούστερα το αναφέρουμε ως OOK), στην οποία η κυματομορφή μετάδοσης ορίζεται από το τρέχον bit και όλα τα προηγούμενα bits στο ίδιο πλαίσιο. Το μοναδικό θερμικό μας βασικό στρώμα μετάδοσης βασίζεται φυσικά στη λύση γραμμικού κώδικα. Ο πομπός «THz Torch» χρησιμοποιεί θερμικό πομπό και ρυθμιζόμενη τροφοδοσία. συνδέεται μέσω δυαδικού διακόπτη, με κατάσταση ON / OFF ελεγχόμενη από 100% παλμούς κύκλου λειτουργίας που αντιστοιχούν στον σειριακό ψηφιακό ατμό bit. Ο ρυθμός μετάδοσης μη επιστροφής στο μηδέν (NRZ) αντιστοιχεί στην αμοιβαία διάρκεια του πλάτους παλμού. Με διαμόρφωση OOK, κατά τη μετάδοση ενός δυαδικού (κατάσταση ON), το τροφοδοτικό συνδέεται με αυτόν τον ακατέργαστο θερμικό πομπό, θερμαίνοντάς τον έτσι κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ρολογιού. Κατά τη μετάδοση ενός δυαδικού μηδενικού (κατάσταση OFF), η παροχή ρεύματος αποσυνδέεται από τον θερμικό πομπό, ψύχεται έτσι φυσικά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ρολογιού. Η φασματική ακτινοβολία που δημιουργείται από έναν ιδανικό πομπό μαύρου σώματος μπορεί να εκφραστεί από τον νόμο του Planck: ◂ = ▸I(λ,T)=◂⋅▸◂ / ▸ 2ώρεςc2 λ5 1 Hehc/(◂⋅▸λkBT)-1 (1) όπου λ είναι το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο · h είναι η σταθερά του Planck. c είναι η ταχύτητα του φωτός στον ελεύθερο χώρο. Το T είναι θερμοκρασία εκπομπής. και το k B είναι η σταθερά Boltzmann. Σε αντίθεση με μια ισοτοπική πηγή που ακτινοβολεί σε μια τέλεια σφαίρα, ο θερμικός εκπομπός μας έχει μια θερμαινόμενη μεμβράνη (με την περιοχή Α ε ) που διαμορφώνεται καλύτερα από την ακτινοβολία σε μια μισή σφαίρα. Αυτή η ακτινοβολία θεωρείται ότι περιορίζεται αποτελεσματικά από ένα ανακλώμενο κωνικό κέρατο, δίνοντας ένα γωνιακό πλάτος δέσμης 1 / e 2 μόνο ± 20 ° στα 10 cm. Επιπλέον, σε αντίθεση με ένα θερμαντικό σώμα μαύρου σώματος, ο εκπομπός μας έχει εκπομπή ε. Ως αποτέλεσμα, η θεωρητική θερμική ισχύς πομπού φασματικής πυκνότητας ρ ε μπορεί να δοθεί ως: ◂ = ⋯epe(λ,T)=◂⋅▸εAeI(λ,T)◂∫▸∫ 2 π 0 ◂⋅▸cos(θ)dΩ =◂∫▸∫ 2π 0 dφ◂∫▸∫ π 2 0 ◂⋅▸cos(θ)sin(θ)dθ=◂⋅▸πεAeI(λ,T) (2) όπου Ω είναι η συμπαγής γωνία. θ και φ είναι οι γωνίες ζενίθ και αζιμουθίου σε σφαιρικές συντεταγμένες, ικανοποιώντας d Ω = s i n ( θ ) d θ d φ . Το c o s ( θ ) όρος οφείλεται στην Lambertian φύση της θερμικής εκπομπού. Ενσωματώνοντας την Εξ. ( 2 ), κατά το μήκος κύματος του καθορισμένου καναλιού, η θεωρητική θερμική εκπεμπόμενη ακτινοβολούμενη ισχύς του φορέα θορύβου δίνεται από: ◂ = ▸Pe(T)=◂∫▸∫ λ2 λ1 pe(λ,T)dλ (3) όπου, το κάτω και το ανώτερο μήκος κύματος αποκοπής για το κανάλι είναι λ 1 και λ 2 , αντίστοιχα, εξάγονται από το Σχ. 2α και δίδονται στον Συμπληρωματικό Πίνακα S 1 . Η ακτινοβολημένη ισχύς υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας Εξ. ( 3 ) φαίνεται στο Σχ. 2γ , για κάθε κανάλι. Σχήμα 2 Σχήμα 2 Χαρακτηρισμός καναλιού. ( α ) Θεωρητική φασματική πυκνότητα ισχύος θερμικού εκπομπού, μετρημένο φίλτρο διέλευσης καναλιού και απόκριση μετάδοσης φακού και προσομοιωμένη μετάδοση καναλιού ελεύθερου χώρου σε σύνδεση 2 m υπό παρθένες συνθήκες. ( β ) Προβλεπόμενη μέση μετάδοση καναλιού έναντι εύρους, χρησιμοποιώντας Εξ. ( 6 ). ( γ ) Θεωρητική ακτινοβολημένη ισχύς στη ζώνη διέλευσης φίλτρου καναλιών, χρησιμοποιώντας Εξ. ( 3 ), για θερμοκρασία εκπομπής σταθερής κατάστασης 1.023 K · step power power, χρησιμοποιώντας Εξ. ( 15 ) με L c = 1; και η προκύπτουσα απόδοση εφαρμογής