NIST研究新型傳感器，使用原子來接收常用的通信信號

近日，據(jù)外媒報道，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種新型傳感器，它使用原子來接收常用的通信信號。這種基于原子的接收器具有比傳統(tǒng)無線電接收器更小、并在嘈雜環(huán)境中工作更好的潛力。

無線通信通常使用稱為相移或相位調(diào)制的格式，其中信號在時間上相對于彼此移位。在該示例中，通信信號(藍色)包含相對于參考信號(紅色)的周期性反轉(zhuǎn)。這些逆轉(zhuǎn)是看起來像貓耳朵的曇花一現(xiàn)。信息(或數(shù)據(jù))在此調(diào)制中編碼。

NIST團隊使用銫原子以最常見的通信格式接收數(shù)字比特(1和0)，可用于手機、Wi-Fi和衛(wèi)星電視，在這種稱為相移或相位調(diào)制的格式中，無線電信號或其他電磁波隨時間相對于彼此移位，信息(或數(shù)據(jù))會在此調(diào)制中編碼。

“這項研究的重點是向人們證明可以利用原子接收調(diào)制信號，”項目負(fù)責(zé)人說?！斑@種方法可以在很大的頻率范圍內(nèi)工作，雖然數(shù)據(jù)速率還不是最快的，但還有其他好處，比如在嘈雜的環(huán)境中它可能比傳統(tǒng)系統(tǒng)更好?！?/p>

如在負(fù)責(zé)人的新論文中所述，量子傳感器基于真實世界的相移方法接收信號，選擇19.6千兆赫的傳輸頻率是因為它便于實驗，它也可用于未來的無線通信系統(tǒng)。

NIST團隊以前使用相同的基本技術(shù)進行成像和測量應(yīng)用。研究人員使用兩種不同顏色的激光器將蒸汽室中的原子制備成高能狀態(tài)，這些狀態(tài)具有新的特性，例如對電磁場的極端敏感性，而且電場信號的頻率影響原子吸收的光的顏色。

NIST團隊的研究人員調(diào)整了鏡子，將基于原子的接收器中使用的激光束對準(zhǔn)數(shù)字調(diào)制通信信號。圖片來源：NIST

在新實驗中，該團隊使用最近開發(fā)的基于原子的混頻器將輸入信號轉(zhuǎn)換為新頻率。第一個射頻(RF)信號用作參考，第二射頻(RF)信號用作調(diào)制信號載波，通過探測原子來檢測和測量兩個信號之間的頻率和偏移的差異。

雖然許多研究人員之前已經(jīng)證明原子可以接收其他形式的調(diào)制信號，但NIST團隊是第一個開發(fā)可以處理相移的原子混頻器的團隊。根據(jù)編碼方案，基于原子的系統(tǒng)每秒接收高達約5兆比特的數(shù)據(jù)，這接近舊款第三代(3G)手機的速度。

研究人員還根據(jù)誤差矢量幅度(EVM)的傳統(tǒng)度量方法來測量接收比特流的準(zhǔn)確度。EVM將接收信號相位與理想狀態(tài)進行比較，從而測量調(diào)制質(zhì)量。項目負(fù)責(zé)人說，NIST實驗中的EVM低于10%，這對于第一次演示來說是不錯的，這與現(xiàn)場部署的系統(tǒng)的測量結(jié)果相當(dāng)。

微型激光器和蒸汽電池已經(jīng)在一些商業(yè)設(shè)備中使用，例如芯片級原子鐘，這表明構(gòu)建實用的基于原子的通信設(shè)備是可行的。

根據(jù)該報告，隨著進一步發(fā)展，基于原子的接收器可以提供優(yōu)于傳統(tǒng)無線電技術(shù)的許多優(yōu)點。例如，傳統(tǒng)的電子設(shè)備需要將信號轉(zhuǎn)換為不同的頻率進行傳輸，而基于原子的接收器自動完成這項工作。同時，新型傳感器和接收器可以在物理上更小，具有微米級尺寸。此外，基于原子的傳感器可能不太容易受到某些類型的干擾和噪聲的影響，而且基于原子的混合器還可以精確測量弱電場。