本发明涉及智能超材料与波计算，特别涉及一种基于可编程超材料的波基计算机。
背景技术：
1、数字计算机的传统架构采用二进制代码0和1表示和处理信息，依赖大量的模数转换器。高计算速率下，模数转换器的性能会明显恶化，这阻碍了数字计算机的进一步发展。波计算由于其准光速计算速度、系统延迟低、结构简单、并行可扩展性好、功耗低等独特优势，引起了科研人员的关注。然而目前的波基计算机研究大多面临着求解问题类型受限、结构复杂、加工制作困难等问题。
技术实现思路
1、本发明提供一种基于可编程超材料的波基计算机，以克服现有波基计算机的求解问题类型受限、结构复杂、加工制作困难等问题，对扩展模拟计算的应用具有重要意义。
2、本发明实施例提供一种基于可编程超材料的波基计算机，所述波基计算机是一个可编程的传输网络，能够实现矩阵向量乘法(mvm)、离散傅里叶变换(dft)、离散滤波和求解复数矩阵方程四种功能，可以在四种功能之间进行切换。在这些功能中，mvm和dft可以直接由传输网络实现，而离散滤波和求解复数矩阵方程可以在附加组件的支持下实现。
3、所述波基计算机包括：n个功分器、n个合路器和n2个幅相调制器；所述波基计算机的基本功能是执行矩阵向量乘法操作，表示为b＝k·a，为复系数矩阵，为输入向量，为输出向量；传输网络的输入与输出信号分别为：a＝[a1,a2,…,an]t，b＝[b1,b2,…,bn]t；b和a之间的关系经传输网络控制为：b＝stn·a，为传输网络的散射矩阵；
4、记第n个功分器和合路器分别为pdn和pcn，每个功分器和合路器用1对n或n对1电路实现；通过在pdm和pcn的每个连接处放置一个幅相调制器，波基计算机将pdm的第n个输出端口连接到pcn的第m个输入端口；置于pdm和pcn交界处的调制器记为mpmm,n，则pdm-mpmm,n-pcn为信号从传输网络的第m个输入端口传输到第n个输出端口的唯一传播路径；通过对n2个幅相调制器的控制，实现对传输网络散射矩阵进行调整，使其与k一致，即利用波基计算机实现b＝k·a。
5、优选的，每个幅相调制器内部，两个移相器和一个衰减器串联在一起，它们由可编程微控制器提供的直流电压调制。幅相调制器传输系数的相位和幅度可以分别由电压vp和va控制。幅相调制器在3.40ghz下具有20db的幅度动态范围和360度相位动态范围。
6、优选的，所述波基计算机实现离散傅里叶变换功能的方法包括：
7、原始离散信号a和对应的傅里叶变换对应信号b之间的关系由下式给出：
8、
9、当满足式(1)等价于b＝k·a，利用矩阵向量乘法实现离散傅里叶变换。
10、优选的，所述波基计算机连接另一台波基计算机和n个额外的幅相调制器，实现离散滤波功能，具体方法包括：
11、步骤1：所述波基计算机通过dft将a转换为b＝f(a)；
12、步骤2：n个额外的幅相调制器对b＝f(a)进行滤波，得到滤波后的b′＝[b1′,b2′,…,b′n]t＝[h1·b1,h2·b2,…,hn·bn]t，其中，代表滤波器的传递函数；
13、步骤3：另一台波基计算机通过逆dft或idft得到滤波后的信号a'＝f-1(b')。
14、更优选的，步骤2中使用的额外幅相调制器是可编程的，通过控制传递函数h，使滤波器在不同模式之间切换。
15、优选的，所述波基计算机连接n个相同的4端口耦合器，传输网络的第n个输入、输出端口与第n个耦合器的1、3端口互联，实现求解复数矩阵方程功能，具体方法包括：
16、步骤1：通过对传输网络中的波基计算机自带的幅相调制器进行微调，根据式(2)计算期望的stn；
17、
18、步骤2：根据式(3)计算所需要的in，并导入计算机的输入端口；
19、
20、步骤3：在计算机的输出端口读出信号，根据式(4)得到解；
21、
22、在计算任一k·x+c＝0形式的n维复数矩阵方程时，根据上述过程设计所需的计算超材料，完成计算机的搭建，根据公式(3)计算输入信号in，测出输出信号out，根据公式(4)得到方程的解。
23、本发明实施例的基于可编程超材料的波基计算机，可以在电磁空间中实时执行各种类型的模拟计算，包括矩阵向量乘法、离散傅里叶变换、离散滤波和求解复数矩阵方程。本发明基于可编程电磁超材料，具有操控电磁波完成计算的能力。作为一种先进的波基计算方案，此发明完成数学计算的速度为准光速。此外，相较于以往的波基计算方案，本发明基于电磁超材料强大的波调控特性，具有高灵活性、低复杂度、设计简单、功能丰富等优点。随着技术的发展与对高速计算的需求的提升，本发明提出的波基计算机将得到广泛应用。
24、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种基于可编程超材料的波基计算机，其特征在于，所述波基计算机是一个可编程的传输网络，能够实现矩阵向量乘法、离散傅里叶变换、离散滤波和求解复数矩阵方程四种功能；所述波基计算机包括：n个功分器、n个合路器和n2个幅相调制器；所述波基计算机的基本功能是执行矩阵向量乘法操作，表示为为复系数矩阵，为输入向量，为输出向量；传输网络的输入与输出信号分别为：a＝[a1,a2,…,an]t，b＝[b1,b2,…,bn]t；b和a之间的关系经传输网络控制为：b＝stn·a，为传输网络的散射矩阵；
2.根据权利要求1所述的一种基于可编程超材料的波基计算机，其特征在于，每个幅相调制器内部，两个移相器和一个衰减器串联在一起，它们由可编程微控制器提供的直流电压调制。
3.根据权利要求1所述的一种基于可编程超材料的波基计算机，其特征在于，所述波基计算机实现离散傅里叶变换功能的方法包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于可编程超材料的波基计算机，其特征在于，所述波基计算机连接另一台波基计算机和n个额外的幅相调制器，实现离散滤波功能，具体方法包括：
5.根据权利要求4所述的一种基于可编程超材料的波基计算机，其特征在于，步骤2中使用的额外幅相调制器是可编程的，通过控制传递函数h，使滤波器在不同模式之间切换。
6.根据权利要求1所述的一种基于可编程超材料的波基计算机，其特征在于，所述波基计算机连接n个相同的4端口耦合器，传输网络的第n个输入、输出端口与第n个耦合器的1、3端口互联，实现求解复数矩阵方程功能，具体方法包括：
