CN114826851A - 一种基于悬浮微粒的信号通讯方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬浮微粒的信号通讯方法和装置。方法步骤如下：1）制备微粒悬浮状态；2）调控与测量悬浮微粒带电量；3）校准悬浮微粒电磁响应特性；4）施加电磁通讯信号；5）获取与解调电磁通讯信号。装置，包括悬浮捕获模块、电荷测控模块、电磁响应校准模块和通讯信号探测与解调模块；电磁响应校准模块用于提前获取悬浮微粒的必要先验信息，测量悬浮微粒的基底噪声和频域的电磁响应传递函数；通讯信号探测与解调模块用于恢复外部的电磁响应信号，并解调出信号的码元信息。针对现有的无线通讯系统所用的天线体积庞大、接收灵敏度偏低的问题，本发明至少具备两个方面的优势：一是悬浮微粒的体积更小，二是系统具有更高的接收灵敏度。

Description

一种基于悬浮微粒的信号通讯方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于悬浮微粒的信号通讯方法及信号通讯装置。

背景技术

真空光镊系统是一种具有超高位置探测灵敏度的光机械体系，能够以非机械接触的方式实现悬浮微粒的夹持和操纵。在真空光镊系统中，被捕获的悬浮微粒会自然携带净电荷，微粒净电荷量经过调控后即可施加电磁通讯信号实现微粒的驱动。在外部电磁通讯信号下，悬浮微粒的运动状态会发生相应的变化。

现有的无线通讯方法一般是利用天线作为无线信号发送和接收的装置，接收天线可以收集空气波导中传输的特定频率的电磁波，并将其转化为馈线传输的电信号，实现无线通讯的功能。然而，天线固有的一些弊端限制了其进一步的发展。天线庞大的体积占据了大量的空间，往往是整个通讯系统中最为笨重的部分。为了保证天线发射和接收转换效率最高，一般天线振子的间距必须要大于半个无线信号波长，在30-300 GHz的高频段，天线的尺寸在毫米量级。由于无线信号波长与频率成反比，即当信号频率越低时，波长越大，30-300 kHz的低频段信号对应的波长达到千米量级，导致天线占地庞大，实际应用性不强。最先进的天线小型化技术可以使天线的尺寸在低频段达到厘米量级，但距离理想的天线尺寸仍然存在较大距离，且难以突破瓶颈。

另外，现有的基于天线的无线通讯系统存在着接收灵敏度，即无线设备正常工作时天线的最小信号接收功率，华为高频段普通产品的接收灵敏度一般为-85 dBm，低于-85dBm的信号无法被普通天线探测到。对于功率更为微弱的无线信号，亟需一种革命性的无线通讯方法及装置来实现信号的接收。

发明内容

为了克服现有的无线通讯系统所用的天线体积庞大、接收灵敏度偏低的问题，本发明的目的是提出一种基于悬浮微粒的信号通讯方法和装置。该系统具备两个方面的优势：一是悬浮微粒的体积更小，二是系统具有更高的接收灵敏度。

本发明利用悬浮捕获模块实现微小粒子的捕获，被捕获的微小粒子悬浮于环境中，起到无线通讯系统中天线的功能，接收外部的电磁通讯信号，并将其传递给后续的通讯信号探测与解调模块。悬浮微粒实现电磁通讯功能的关键是利用电荷测控模块在粒子周围产生一定量的自由电荷，并实现微粒净电量的精准调控和测量。在进行无线信号的通讯前，需要利用电磁响应校准模块获取通讯系统的先验信息，包括悬浮微粒的底噪及传递函数等。在实际的无线信号通讯过程中，无需额外进行电荷的测控以及电磁响应的校准，直接发送外部电磁通讯信号，利用通讯信号探测与解调模块先探测悬浮微粒的运动响应，再利用数据处理方法恢复并解调出外部电磁通讯信号的码元信息，实现完整的无线信号通讯功能。本发明利用悬浮微粒代替天线装置实现了外部电磁通讯信号的接收与恢复，悬浮微粒的尺寸与天线相比低了几个数量级，能够解决现有无线通讯系统中天线体积庞大的问题。同时基于悬浮颗粒的信号通讯方法及装置有着更高的接收灵敏度，能够接收更为微弱的无线信号，提高无线通讯系统能够探测到的信号功率的范围。

本发明实现发明目的的技术方案如下：

一种基于悬浮微粒的信号通讯方法，步骤如下：

1）制备微粒悬浮状态；

2）调控与测量悬浮微粒带电量；

3）校准悬浮微粒电磁响应特性；

4）施加电磁通讯信号；

5）获取与解调电磁通讯信号。

步骤1）所述的微粒悬浮状态是指微粒在外加电磁场下所处的无接触束缚状态，外加电磁场包括紧聚焦光束、悬浮电场或者悬浮磁场。

步骤1）中所述微粒的悬浮环境包括空气环境、真空环境，不同的悬浮环境对应不同的通讯灵敏度。

步骤2中，悬浮微粒的调控手段可参考发明CN 114189172 A， 一种精准调控微粒净电量的方法及装置。

步骤3）所述的悬浮微粒的电磁响应特性，包括：悬浮微粒基底噪声和悬浮微粒电磁响应传递函数。

步骤4）所述的施加电磁通讯信号，包括：利用平行电极产生电场和利用永磁体或者电磁铁产生磁场。

步骤5）所述的获取与解调电磁通讯信号，包括：滤除悬浮微粒基底噪声；补偿电磁响应传递函数；转化频域信号为时域信号；解调恢复信号的码元信息；计算解调码元与初始码元的误码。

一种基于悬浮微粒的信号通讯装置，用于实现所述的基于悬浮微粒的信号通讯方法，包括悬浮捕获模块、电荷测控模块、电磁响应校准模块和通讯信号探测与解调模块；悬浮捕获模块用于以无接触的方式将微粒悬浮于环境中；电荷测控模块用于悬浮微粒周围产生自由电荷，并调控和测量微粒所带的静电量；电磁响应校准模块用于提前获取悬浮微粒的必要先验信息，测量悬浮微粒的基底噪声和频域的电磁响应传递函数；通讯信号探测与解调模块用于恢复外部的电磁响应信号，并解调出信号的码元信息。

所述的电荷测控模块位于悬浮捕获模块内部，直接作用于悬浮微粒，对捕获的悬浮微粒进行净电荷量的测量；电磁响应校准模块在悬浮捕获模块外部通过施加电磁信号的方式作用于悬浮微粒，得到悬浮微粒的基底噪声和电磁响应传递函数；通讯信号探测与解调模块位于悬浮捕获模块外部的信号接收方向，用于探测悬浮微粒在电磁通讯信号下的运动响应。

所述的悬浮微粒的尺寸根据悬浮方案而异，对于光阱悬浮方案，典型悬浮微粒是尺寸范围在百纳米到十微米量级的球形二氧化硅微粒。

所述的外部电磁通讯信号不局限于某种调制格式，调幅、调频和调相等多种调制格式的信号均可利用本发明装置实现无线通讯。

所述的外部电磁通讯信号的发送功率、峰值点频率以及频段宽度均有可调节性。

本发明的有益效果是：

1、用于接收电磁通讯信号的悬浮微粒的尺寸极小，具有小型化和集成化的优势。

2、本发明装置的接收灵敏度可通过真空度的提升而提升，优于现有通讯方案。

3、本发明装置适用于宽频段的电磁通讯信号，通讯模块的尺寸不受通讯频段的影响。

本发明可利用微小粒子实现无线信号的通讯，从而为无线通讯系统的小型化和高灵敏度提供了有效的解决方案，在集成芯片和卫星通信等多个领域具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是本发明装置的一种结构示意图。

图2是本发明信号恢复与解调的流程图。

图3是本发明的应用实施例1的结构示意图。

图4是应用实施例1中悬浮微粒的基底噪声。

图5是应用实施例1中的电磁响应传递函数。

图6是应用实施例1中的外部电磁通讯信号。

图7是应用实施例1中外部电磁通讯信号下悬浮微粒的运动响应。

图8是应用实施例1中数据处理后解调的码元信息。

图3中，激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、扩束镜次镜4、扩束镜主镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、真空腔窗口8、显微物镜9、信号发生器10、高压放大器11、平板电极12、高压电极13、悬浮微粒14、聚光透镜15、真空腔16、会聚透镜17、四象限光电探测器18；锁相放大器19。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。

本发明装置的一种结构示意图如图1所示，本发明数据处理方法的流程图如图2所示。

利用悬浮捕获模块实现微粒在悬浮系统中的稳定悬浮，被捕获微粒在势阱的平衡位置附近以一定的谐振频率小幅振动。

利用电荷测控模块在悬浮微粒的周围产生自由电荷，精准调控和测量悬浮微粒所带的静电荷量，产生自由电荷的方式可采用高压辉光放电、紫外光照射放电、阴极射线或者热电子发射。

利用电磁响应校准模块获取无电磁通讯信号下悬浮微粒的基底噪声，将其用作后续数据处理的先验信息。

利用电磁响应校准模块中的扫频功能对悬浮微粒施加频率变化的单频简谐信号，得到悬浮微粒的电磁响应传递函数，将其用作后续数据处理的先验信息。

利用通讯信号探测与解调模块探测外加电磁通讯信号下悬浮微粒的运动响应，对探测的位移信号的频域信息利用图2中的方法进行数据处理操作：利用提前获取的悬浮微粒的基底噪声和电磁响应传递函数这两个先验信息，从频域上滤除基底噪声对电磁通讯信号的影响，补偿电磁响应传递函数对通讯信号频率幅值的影响，得到恢复后信号频域的数据，再通过傅里叶逆变换得到恢复后信号的时域，对时域信号进行解调得到恢复后的码元信息。分析比较接收端解调出的码元序列与发送端传输的码元序列即可计算得到通讯系统的误码率。

悬浮捕获模块中采用的捕获方式包括紧聚焦光束捕获、悬浮电场捕获和悬浮磁场捕获等，要求捕获系统束缚微粒的势能远大于悬浮微粒布朗运动的平均动能。

悬浮微粒的尺寸根据悬浮捕获模块中的悬浮方案而异，对于光阱悬浮方案，典型悬浮微粒是尺寸范围在百纳米到十微米量级的球形二氧化硅微粒。

微粒所处的悬浮系统包括空气系统、真空系统等，不同的悬浮系统对应着不同的通讯灵敏度。

外部电磁通讯信号包括调幅、调频和调相等多种调制格式。调幅中常用的是二进制振幅键控，当码元信息为1时，载波直接通过，当码元信息为0时，载波不通过，该信号的频域只有载波频率一个峰值。调频常用的是二进制频移键控，当码元信息为1时，载波的频率为f1，当码元信息为0是，载波的频率为f2，该信号的频域有f1和f2两个峰值。调相常用的是二进制相移键控，当码元信息为1是载波的相位是0度，当码元信息是0是，载波的相位是180度，该信号的频域也只有载波频率一个峰值。

电荷测控模块和电磁响应校准模块是在信号通讯之前进行的测量与校准，只需操作一次，后续所有的电磁信号通讯过程无需此过程，

电荷的测控、电磁响应的校准以及电磁通讯过程中悬浮微粒所处的环境应保持一致，真空环境中应保持相同的真空度。

应用实施例1

应用实施例1的装置结构示意图如图3所示。应用实施例1以二进制频移键控的电磁通讯信号为例，在真空系统中利用尺寸为75纳米的悬浮微粒实现了精确的无线信号通讯。图3中所用的悬浮捕获模块采用紧聚焦光束的方式将真空系统中的悬浮微粒束缚在势阱附近，其核心设备是1064纳米的高功率激光器1，捕获光沿水平方向传输，被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束通过由扩束镜次镜4和扩束镜主镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角的第三反射镜6和第四反射镜7反射，经过真空腔窗口8进入到真空腔16中。在真空系统中，捕获光被精准地耦合入显微物镜9，获得可以稳定捕获纳米颗粒的光阱，悬浮微粒后利用一个聚光透镜15收集前向散射光，该散射光可被后面的通讯信号探测与解调模块探测。悬浮微粒14是半径为75纳米的球型二氧化硅颗粒，经过稀释后通过喷雾起支的方式送入到真空系统中。悬浮微粒被捕获后，利用电荷测控模块在微粒周围产生自由电荷，并测量微粒所带的静电量。自由电荷的产生采用高压辉光放电的方案，在真空腔内施加额外的高压电极13对腔内气体分子放电，通过调节平板电极12上施加的电压使得悬浮微粒携带一定量的净电荷，再借助锁相放大器19对悬浮微粒携带的净电荷量进行测量，测得微粒的净电荷量为5。电荷测控完成后，利用电磁响应校准模块先后测量悬浮微粒的基底噪声和电磁响应传递函数。这里的基底噪声和电磁响应传递函数都是在气压为0.1 mbar时测得的，分别如图4和图5所示。基底噪声是无外加电磁通讯信号下悬浮微粒的运动响应，图4测得的悬浮微粒的谐振频率是150 kHz。电磁响应传递函数是利用信号发生器10的扫频功能给悬浮微粒施加频率由低到高连续变化的单频简谐信号得到的，简谐信号经过一个50倍的高压放大器11后连接到平板电极12的一端，平板电极12的另一端接地，图5显示在150 kHz的频域处有着最大的电磁响应。在施加电磁通讯信号后，无需再进行电荷的测量已经电磁响应的校准。外部的电磁通讯信号如图6所示，是两个载波频率分别为135 kHz和65 kHz的二进制频移键控信号，信号的幅值是0.1 V。在0.1 mbar下，利用通讯信号探测与解调模块的会聚透镜17将探测光会聚到四象限光电探测器18的感光区域，在电磁通讯信号下探测的悬浮微粒的运动响应如图7所示。图7中可以看到电磁通讯信号的频域信息叠加到了悬浮微粒的基底噪声之上，受到电磁响应传递函数的影响，更接近于谐振频率处的载波频率（135 kHz）峰值要高于远离谐振频率处的载波频率（65 kHz）峰值。利用锁相放大器将运动响应存储下来进行后续的数据处理。先滤除掉悬浮微粒的基底噪声对电磁通讯信号的影响，再利用提前获取的电磁响应传递函数进行信号频率的修正，即补偿电磁响应传递函数对信号频率的影响，使得信号任意频率处的响应值相同而与距离谐振频率的远近无关。得到修正后信号的频域数据后，对频域数据进行傅里叶逆变换得到恢复后的时域数据，对时域数据进行解调即可得到恢复后的数据码元信息。图8是恢复后的码元序列与初始码元序列的对比，本实施例中计算得到的误码率是0。

综上所述，本装置利用悬浮微粒实现了无线信号的精准通讯，悬浮微粒的尺寸与现有通讯系统的天线装置相比具有小型化优势，装置的通讯灵敏度也优于现有方案。

施加外部电磁响应信号的方式除了采用实施例中的平板电极外，还可以选用其他的方式，例如，利用永磁体或者电磁铁产生磁场。

施加的外部电磁通讯信号的调制格式除了采用实施例中的二进制频移键控外，也可以选用更为复杂的调制格式，比如正交相移键控，信号的形状除了正弦波外，也可选用矩形波或者三角波。

本发明的基于悬浮微粒的信号通讯装置可以利用悬浮微粒实现无线信号的精准通讯，悬浮微粒的尺寸相比于现有通讯系统的天线装置低了几个数量级，且尺寸无需根据频段的变化而改变。

本发明的基于悬浮微粒的信号通讯装置的接收灵敏度优于现有的通讯方案，可以实现更为微弱信号的无线通讯。

本发明的基于悬浮微粒的信号通讯方法可以在基底噪声与电磁通讯信号混杂的信息中实现电磁通讯信号的恢复，恢复出的码元序列与初始码元序列相比具有极低的误码率。

发明中对悬浮微粒施加电磁通讯信号前应先实现电荷量的测控和电磁响应的校准，提前获取这些先验信息在数据处理操作中必不可少。

本发明的基于悬浮微粒的信号通讯方法在悬浮微粒运动响应的频域数据上进行数据处理操作，去除基底噪声和电磁响应传递函数对电磁通讯信号的影响，并通过傅里叶逆变换得到恢复后的时域信息。

本发明能够实现多种调制格式的电磁通讯信号的通讯任务，包括二进制频移键控、二进制相移键控和二进制幅移键控等。

本发明首次利用悬浮微粒实现了无线信号的精准通讯，相比于现有通讯系统的天线装置，用于接收电磁通讯信号的悬浮微粒的尺寸极小，具有小型化和集成化的优势。

本发明适用于宽频段的电磁通讯信号，且通讯模块的尺寸不受通讯频段的影响。

本发明的基于悬浮微粒的信号通讯装置的接收灵敏度随着真空度的提升而提升，接收灵敏度优于现有通讯方案。

上述描述中的实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (8)

1.一种基于悬浮微粒的信号通讯方法，其特征在于，步骤如下：

1）制备微粒悬浮状态；

2）调控与测量悬浮微粒带电量；

3）校准悬浮微粒电磁响应特性；

4）施加电磁通讯信号；

5）获取与解调电磁通讯信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤1）所述的微粒悬浮状态是指微粒在外加电磁场下所处的无接触束缚状态，外加电磁场包括紧聚焦光束、悬浮电场或者悬浮磁场。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤1）中所述微粒的悬浮环境包括空气环境、真空环境，不同的悬浮环境对应不同的通讯灵敏度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤3）所述的悬浮微粒的电磁响应特性，包括：悬浮微粒基底噪声和悬浮微粒电磁响应传递函数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤4）所述的施加电磁通讯信号，包括：利用平行电极产生电场和利用永磁体或者电磁铁产生磁场。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤5）所述的获取与解调电磁通讯信号，包括：滤除悬浮微粒基底噪声；补偿电磁响应传递函数；转化频域信号为时域信号；解调恢复信号的码元信息；计算解调码元与初始码元的误码。

7.一种基于悬浮微粒的信号通讯装置，用于实现权利要求1所述的基于悬浮微粒的信号通讯方法，其特征是：包括悬浮捕获模块、电荷测控模块、电磁响应校准模块和通讯信号探测与解调模块；悬浮捕获模块用于以无接触的方式将微粒悬浮于环境中；电荷测控模块用于悬浮微粒周围产生自由电荷，并调控和测量微粒所带的静电量；电磁响应校准模块用于提前获取悬浮微粒的必要先验信息，测量悬浮微粒的基底噪声和频域的电磁响应传递函数；通讯信号探测与解调模块用于恢复外部的电磁响应信号，并解调出信号的码元信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于悬浮微粒的信号通讯装置，其特征是：所述的电荷测控模块位于悬浮捕获模块内部，直接作用于悬浮微粒，对捕获的悬浮微粒进行净电荷量的测量；电磁响应校准模块在悬浮捕获模块外部通过施加电磁信号的方式作用于悬浮微粒，得到悬浮微粒的基底噪声和电磁响应传递函数；通讯信号探测与解调模块位于悬浮捕获模块外部的信号接收方向，用于探测悬浮微粒在电磁通讯信号下的运动响应。

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