Обычно радиосигнал проходит довольно длинный путь, прежде чем из него удаётся извлечь полезную информацию. Сначала электромагнитную волну принимают, затем превращают в электрический сигнал, оцифровывают, а уже после этого процессор выполняет необходимые вычисления.
Исследователи из Юго-Восточного университета Китая показали, что часть этой цепочки можно обойти.
Они создали программируемую поверхность, которая способна выполнять некоторые математические операции непосредственно над радиоволной — ещё до того, как весь сигнал будет преобразован в цифровые данные.
Иначе говоря, сама электромагнитная волна становится частью вычислительного процесса.
В основе устройства лежит метаповерхность — тонкий искусственно созданный слой с множеством крошечных элементов, способных заданным образом изменять проходящие или отражённые электромагнитные волны.
Такие поверхности уже умеют управлять направлением, фазой и амплитудой сигнала. Но новая система идёт дальше: её свойства можно быстро менять во времени с помощью электронной программы.
Исследователи объясняют, что работа выросла из технологии временного кодирования метаповерхностей. Ранее они научились изменять поверхность не только в пространстве, но и во времени. Затем оказалось, что определённым последовательностям таких изменений можно сопоставить математические операции.
В новой работе учёные выбрали две фундаментальные операции обработки сигналов — преобразование Фурье и свёртку.
Преобразование Фурье позволяет разложить сложный сигнал на составляющие. В упрощённом виде это можно представить как разделение музыкального аккорда на отдельные ноты или белого света на составляющие его цвета.
Свёртка помогает определить, где внутри сигнала присутствует известный образец. Например, в радиолокации она позволяет сопоставить отправленный импульс с его отражением и таким образом оценить расстояние до объекта.
Преобразование Фурье тоже особенно полезно для радиолокации. Оно позволяет обнаружить доплеровский сдвиг отражённой волны и по нему определить скорость движения цели.
Самое интересное в новой системе заключается в том, что для этих двух задач не потребовались две разные поверхности.
Исследователи создали одно устройство, которое переключается между операциями исключительно за счёт изменения временной последовательности, управляющей метаповерхностью.
Поверхность программируют таким образом, чтобы её изменение во времени соответствовало нужной математической операции. Когда радиосигнал достигает устройства, его различные составляющие модифицируются определённым образом, а затем складываются друг с другом.
В результате необходимое умножение и суммирование фактически выполняются самим физическим взаимодействием волны с поверхностью, а не последовательными вычислениями цифрового процессора.
Учёные проверили систему не только в лаборатории, но и на открытом воздухе, где сигнал сталкивался с отражениями и помехами.
В обоих случаях устройство смогло в реальном времени выполнять обе математические операции.
В одном из испытаний системе передали смоделированный радиолокационный сигнал от цели, двигавшейся со скоростью 200 метров в секунду.
При 500 отсчётах система определила скорость как 201 метр в секунду. При 1000 отсчётах результат составил 199,5 метра в секунду. Оба значения укладывались в разрешающую способность установки.
Затем исследователи проверили определение расстояния до условных целей, находившихся на дистанции от 4 до 28 километров. Ошибки оставались в пределах разрешения системы, составлявшего 300 метров.
При этом для перехода от измерения скорости к определению расстояния никакого физического изменения оборудования не требовалось. Достаточно было загрузить другую последовательность управления метаповерхностью.
Полностью избавиться от обычной электроники технология, конечно, не позволяет.
Электронные компоненты по-прежнему нужны для создания и загрузки управляющих последовательностей, синхронизации поверхности, а также для приёма и отображения результата.
Но подход потенциально способен упростить всю цепочку обработки радиосигнала и уменьшить зависимость от высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей и цифровых процессоров.
Теперь исследователям предстоит повысить скорость изменения метаповерхности, не потеряв при этом точность, стабильность и энергетическую эффективность.
Чем быстрее поверхность способна менять свои свойства, тем более широкополосные сигналы она сможет обрабатывать. Однако высокая скорость одновременно увеличивает потери сигнала и усложняет оборудование.
Первой очевидной областью применения авторы называют радиолокацию. В дальнейшем тот же принцип может использоваться в системах связи шестого поколения, спутниковой технике и автомобильных радарах.
В перспективе исследователи хотят создать единую аппаратную платформу, которая сможет переключаться между разными вычислительными задачами просто за счёт изменения управляющей последовательности.
То есть вместо того, чтобы каждый раз строить новую вычислительную систему, можно будет перепрограммировать одну и ту же поверхность — а часть необходимых расчётов выполнит сама электромагнитная волна.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
