Още от времето на изобретяването на радиото принципът на обработката на сигналите е останал непроменен: електромагнитната вълна се приема, преобразува се в електрически сигнал и се дигитализира за последващи изчисления. Китайски учени предложиха коренно нов подход. Те създадоха програмируема метаповърхност, която извършва математически операции директно върху радиовълните по време на тяхното разпространение. Подобен сигнал не се налага да се преобразува в цифрови данни.

„Това е като препрограмируем електромагнитно-пространствен компютър, който обработва сигналите директно във вълната“, обясниха авторите. „Резултатите от изчисленията се реализират директно чрез изходящата електромагнитна вълна, без да е необходимо предварително преобразуване на целия сигнал в цифрови данни за обработка от стандартен процесор“.

Метаповърхността е свръхтънък изкуствен материал, покрит с микроскопични елементи, които управляват електромагнитните вълни. Разработената от учени от Югоизточния университет метаповърхност с времево кодиране е способна да променя свойствата си не само в пространството, но и във времето. Това позволява да се свържат последователности от времево кодиране с математически операции като преобразуване на Фурие и конволюция. Тази метаповърхност може да се използва като изчислителна среда, съобщава Science Alert.

Архитектура и принципи на работа

Двете математически операции — преобразуването на Фурие и конволюцията — са избрани, защото представляват двете най-фундаментални операции в областта на обработката на сигналите. Преобразуването на Фурие разлага един сложен сигнал на неговите съставни честоти, както ако разложите един акорд на ноти. Конволюцията е операция, която търси определен модел в сигнала. И двете операции могат да бъдат реализирани върху една метаповърхност чрез промяна на времевата последователност на управлението.

„Получените вълнови компоненти след това се сумират кохерентно, формирайки в изходната електромагнитна вълна резултата от Фурие-преобразуването или конволюцията. В този смисъл ключовата операция по умножението и сумирането се изпълнява физически и едновременно, а не се изчислява от цифров процесор точка по точка“,

се посочва в изследването.

Екипът е тествал системата при различни условия — както в лаборатория, така и на открито. Той е установил, че метаповърхността е способна точно да изпълнява и двете операции в режим на реално време.

Когато системата получава симулиран радиолокационен сигнал, отразен от цел, движеща се със скорост 200 m/s, тя определя скоростта като 201 m/s при използване на 500 точки за извадка и 199,5 m/s — при 1000 точки. При разстояние до целта от 4 до 28 km грешката остава в границите на 300-метровата разделителна способност на системата. При това превключването между операциите става без промяна на апаратурата — просто чрез зареждане на друга времева последователност.

Следващата задача, с която изследователите възнамеряват да се заемат, ще бъде повишаването скоростта на модулация на повърхността при запазване на точността, стабилността и енергийната ефективност. Ако това се осъществи, технологията ще може да започне да се прилага в радиолокационните устройства, включително 6G, спътниковата врзака и автомобилните радари.