18年物理诺奖——“啁啾脉冲”为何物？

2018年10月2日，诺奖委员会宣布：法国人Gérard Mourou及其学生Donna Strickland，由于1985年的“激光啁啾脉冲放大”研究，荣获诺奖。

]啁啾，是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语，是指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频时，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。

“啁啾”技术被用作激光放大。激光物质有一个临界功率，在很长时间内一直是激光放大的极限。啁啾放大技术的原理是放大前分散激光种子脉冲的能量，放大后再集中。此技术使激光功率提高了1000倍到TW级，并得以从此稳步提高。

远程后向散射技术：实现长距离低功耗的物联网通信

导读

美国华盛顿大学的研究人员首次利用“远程后向散射技术”，演示了一种几乎以零功率运行的设备，它传输数据的距离最高可达2.8千米。这项研究突破了长久以来的障碍，有望实现一系列设备互联。

关键字

物联网、通信、智能设备

背景

对于如今的柔性电子设备和其他的传感器来说，它们都无法采用传统的、笨重的电池，又需要以非常低的功耗运行，因此无法与几英尺或者几米以外的其他设备通信。这一点就限制了它们在医疗监控、家居感知、智慧城市、精准农业等方面的应用。

为此，笔者曾经介绍过由美国华盛顿大学开发的“interscatter”技术，在这项技术中，一种称为“后向散射 ”的通信技术成为了关键。这项技术并不是设备自身产生Wi-Fi信号，而是通过邻近的移动设备，例如智能手表的蓝牙传输创建Wi-Fi信号。设备只需要简单地发射现有信号，就可以交换信息。因为这项技术能够通过蓝牙信号创建Wi-Fi信号，从而实现跨技术协议的通信，所以被称为“interscatter”。

“interscatter” 技术将智能手机，智能手表等智能设备中经常使用的蓝牙，Wi-Fi 或者 ZigBee等模块，作为信号的源或者接收端。“Interscatter” 通信的相关应用如下图所示：（a）隐形眼镜系统，可以后向散射来自智能手表的蓝牙信号，从而产生可以和手机通信的Wi-Fi信号，（b）植入大脑的接口，可以通过蓝牙耳机与智能手机进行通信，（C）信用卡可以通过后向散射来自智能手机的蓝牙信号，进行相互通信。

（图片来源于：华盛顿大学）

创新

今天介绍的创新成果也是与“后向散射”技术相关。美国华盛顿大学的研究人员首次演示了一种几乎以零功率运行的设备，它传输数据的距离最高可达2.8千米。9月13日，描述该系统的相关论文发表于普适计算大会（UbiComp 2017）。

（图片来源：Dennis Wise / 华盛顿大学）

这项研究突破了长久以来的障碍，有望让一系列设备互联，例如各式各样的柔性电子设备，从捕捉关节炎患者活动范围的膝盖贴片，到用汗水来检测运动员或者士兵疲劳度的贴片，这些设备对于搜集医学相关的数据有很大的帮助。

技术

相比之下，华盛顿大学的“远程后向散射”系统使用反射的无线电信号，以极低的功耗和成本传输数据，可靠地覆盖4800平方英尺的房屋、有41个房间的办公室、一亩蔬菜农场。

Paul G. Allen 计算机科学与工程学院的领导教员和副教授 Shyam Gollakota 表示：

“目前为止，能够进行长距离通信的设备会消耗很多能量。作为折衷，只消耗微瓦电力的低功耗设备，其通信距离就会很短。现在，我们已经展示出，我们能够二者兼顾，这将改变许多工业和应用的游戏规则。”

Jeeva Wireless 的CTO、Allen 学院的博士后研究员、华盛顿大学的电气工程博士 Vamsi Talla 表示：

“好多年来，人们一直在讨论将连接性嵌入到日常的设备中去，例如洗衣粉、纸巾和咖啡杯。但是 ，问题是成本和功耗难以达到要求。这是首个能够以最低成本将连接性嵌入到日常设备的无线系统。”

例如，研究团队设计了一种隐形眼镜的原型，以及一个柔性的表皮贴片，它可以贴在人类皮肤上，它成功使用了远程后向散射技术，在一个3300平方英尺的中庭传输信息。这比之前设计的隐形眼镜3英尺的范围，要大几个数量级。

（图片来源：Dennis Wise / 华盛顿大学）

（图片来源：Dennis Wise / 华盛顿大学）

这个系统有三个组件：一个发出无线电信号的源 ，一个编码反射信号信息的传感器 和一个昂贵的成品接收器用于解码信息 。当传感器放置在信号源和接收器之间的时候，系统能够传输数据的距离可达475米。当传感器靠近信号源放置时，接收器可以在2.8千米之外的地方解码信息。

（图片来源：Dennis Wise / 华盛顿大学）

使用反射的或者“后向散射”的无线电信号表达信息的好处就在于，传感器可以在极低的功耗下运行，其能量可以由廉价、超薄、可印刷的电池或者从环境能量源提供，而无需笨重的电池。坏处就是接收器难以区分来自原始信号和其他噪音的极度微弱的反射。Allen 学院的博士生 Mehrdad Hessar 表示：

“这就像是在尝试倾听一堵厚墙的另外一边的谈话，你也许会听到一些微弱的声音，但是你听不清楚具体说什么。通过这项新技术，我们能够基本上解码这些单词，即使谈话本身很难听到。”

为了克服这些问题，华盛顿大学的团队为后向散射引入了一种新型调制，也称为“啁啾扩频 ”。通过多个频率传播反射信号，让团队即使在噪声之下，也能够获取更大的灵敏性，以及在更远的距离解码后向散射信号。

价值

团队最新的远程后向散射系统可以带来一种长距离通信的传感器，它消耗的能量是在相似距离传输数据的现有技术千分之一不到。对于为数十亿的日常设备带来连接性的物联网 来说，这是一项非常重要和必要的突破性进展。

远程后向散射系统将由华盛顿大学计算机科学家和电气工程师创办的衍生公司 Jeeva Wireless 进行商业化，且预计6个月内进行销售。

这些传感器非常便宜，预计每件产品的成本约为10到20美分。想要测量土壤温湿度的农民，可以负担得起覆盖整个农田的传感器，从而决定如何进行有效地播种和浇水。其它一些潜在应用还包括：在“智慧”城市中监测污染、噪音、交通状况的传感器阵列、能够全天候地无线传输心脏病患者信息的医疗设备。

参考资料

【1】http://www.washington.edu/news/2017/09/13/uw-team-shatters-long-range-communication-barrier-for-devices-that-consume-almost-no-power/

【2】http://longrange.cs.washington.edu/files/loRaBackscatter.pdf

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