محققان موفق به ساخت سطحی شدهاند که قادر است محاسبات پیچیده را مستقیماً با استفاده از امواج رادیویی و نور انجام دهد. این فناوری نوین، پردازش سیگنالها را متحول کرده و میتواند کاربردهای گستردهای در حوزههایی مانند رادار و ارتباطات داشته باشد.
پیش از این، برای پردازش اطلاعات منتقل شده توسط امواج رادیویی، نیاز بود که سیگنال ابتدا به فرمت الکتریکی تبدیل و سپس به دادههای دیجیتال تبدیل شود تا توسط پردازندههای معمولی پردازش گردد. اما اکنون، تیمی از محققان دانشگاهی در چین، روشی ابداع کردهاند که این محاسبات را مستقیماً بر روی امواج رادیویی و با تعامل آنها با یک سطح هوشمند انجام میدهد.
این سطح که «متا-سطح» نامیده میشود، مانند یک کامپیوتر فضایی قابل برنامهریزی عمل میکند و سیگنالها را مستقیماً در بستر انتشار موج الکترومغناطیسی پردازش میکند. مزیت اصلی این روش، حذف نیاز به تبدیل کامل سیگنال به دادههای دیجیتال برای پردازش است.
امواج رادیویی که بخش کمفرکانس طیف الکترومغناطیسی را تشکیل میدهند، خواص منحصر به فردی برای انتقال اطلاعات دارند. این امواج میتوانند مسافتهای طولانی را طی کنند، از موانع عبور کنند و برخلاف برخی طول موجهای کوتاهتر، کمتر تحت تأثیر عوامل محیطی قرار میگیرند. سفر کنند از جمله این مزایاست که آنها را برای فناوریهایی چون وایفای، رادار و جیپیاس ایدهآل میسازد.
اما تنها ارسال موج کافی نیست؛ دستکاری دقیق این امواج، مانند تغییر جهت، فاز یا دامنه، در بسیاری از کاربردها ضروری است. متا-سطوح، که سطوح مهندسی شدهای با ساختارهای کوچک برای کنترل امواج الکترومغناطیسی هستند، ابزاری قدرتمند برای این منظور محسوب میشوند.
متا-سطح ابداعی این تیم تحقیقاتی، با قابلیت برنامهریزی الکترونیکی، امکان تغییر نحوه دستکاری امواج رادیویی را در طول زمان و فضا فراهم میکند. این پیشرفت بر پایه توسعه متا-سطوح کدگذاری زمانی بنا شده است که کنترل را از دامنه فضایی ایستا به دامنه زمانی گسترش میدهد.
محققان توانستهاند ارتباط مستقیمی بین توالیهای کدگذاری زمانی و عملیات ریاضی مانند تبدیل فوریه و کانولوشنها برقرار کنند. این امر باعث شد تا متا-سطح فراتر از کنترل امواج الکترومغناطیسی رفته و از خود امواج به عنوان یک رسانه محاسباتی استفاده کند.
عملیات تبدیل فوریه، الگوها را به اجزای تشکیلدهنده تجزیه میکند، در حالی که کانولوشن به یافتن الگوهای شناخته شده در یک سیگنال کمک میکند. هر دو عملیات کاربردهای فراوانی در پردازش سیگنال، بهویژه در رادار برای تعیین سرعت و فاصله اهداف دارند.
نکته جالب توجه این است که این متا-سطح واحد، با تغییر توالی کدگذاری زمانی، قادر است بین انجام تبدیل فوریه و کانولوشن جابجا شود. این بدان معناست که بدون نیاز به تغییر سختافزار، میتوان وظایف محاسباتی متفاوتی را انجام داد.
در واقع، سطح با یک الگوی متغیر که متناظر با عملیات ریاضی مورد نظر است، برنامهریزی میشود. موج رادیویی ورودی با این سطح برخورد کرده و به شیوهای کنترل شده تغییر شکل میدهد. سپس اجزای مختلف موج خروجی با هم ترکیب شده و نتایج محاسبات را در خود حمل میکنند.
این سیستم در آزمایشهای مختلف، از جمله در محیط آزمایشگاهی و فضای باز با شرایط واقعی، با دقت بالا و در لحظه، قادر به انجام هر دو عملیات بوده است. نتایج آزمایشها نشان داد که این فناوری میتواند سرعت و فاصله اهداف را با دقت قابل قبولی اندازهگیری کند.
البته، سختافزارهای سنتی همچنان برای تولید و بارگذاری توالیهای کدگذاری، راهاندازی متا-سطح و دریافت خروجی مورد نیاز هستند. با این حال، این فناوری پتانسیل کاهش وابستگی به مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و پردازندههای دیجیتال پرسرعت را دارد.
چالش بعدی، افزایش سرعت مدولاسیون متا-سطح ضمن حفظ دقت، پایداری و بهرهوری انرژی است. دستیابی به این هدف، پردازش سیگنالهای پهنباندتر را ممکن میسازد.
کاربردهای اولیه این فناوری در رادار پیشبینی میشود، اما در آینده میتوان از آن در سیستمهای ارتباطی 6G، ماهوارهها و رادارهای خودرویی نیز بهره برد.
این یافتهها در نشریه ارتباطات طبیعی منتشر شده است.
