Формирование луча

Антенны
Часть серии по

Общие типы Диполь Фрактал Петля Монополь Спутниковая тарелка Телевидение Хлыст
Составные части Балун Блокировать повышающий преобразователь Коаксиальный кабель Противовес (наземная система) Подача Линия подачи Малошумящий блочный понижающий преобразователь Пассивный радиатор Приемник Ротатор Заглушка Передатчик Тюнер Твин-свинец
Системы Антенная ферма Любительское радио Сотовая сеть Точка доступа Муниципальная беспроводная сеть Радио Радиомачты и вышки Вай фай Беспроводной
Безопасность и регулирование Излучение мобильных телефонов и здоровье Беспроводные электронные устройства и здоровье Международный союз электросвязи ( Регламент радиосвязи ) Всемирная конференция радиосвязи
Источники излучения / регионы Осмотр Фокальное облако Плоскость земли Главный лепесток Ближнее и дальнее поле Боковой лепесток Вертикальная плоскость
Характеристики Усиление массива Направленность Эффективность Электрическая длина Эквивалентный радиус Фактор Уравнение передачи Фрииса Прирост Высота Диаграмма излучения Радиационная стойкость Распространение радио Радиоспектр Соотношение сигнал шум Побочное излучение
Методы Управление лучом Наклон луча Формирование луча Маленькая ячейка Многослойное пространство-время Bell Laboratories (BLAST) Массивный множественный вход и множественный выход (MIMO) Реконфигурация Расширенный спектр Широкополосный множественный доступ с пространственным разделением каналов (WSDMA)
v т е

Формирование луча или пространственная фильтрация - это метод обработки сигналов , используемый в массивах датчиков для направленной передачи или приема сигнала. ^[1] Это достигается путем комбинирования элементов в антенной решетке таким образом, чтобы сигналы под определенными углами испытывали конструктивную интерференцию, в то время как другие испытывали разрушительную интерференцию. Формирование луча может использоваться как на передающей, так и на приемной сторонах для достижения пространственной избирательности. Улучшение по сравнению с всенаправленным приемом / передачей известно как направленность массива.

Формирование луча может использоваться для радио или звуковых волн . Он нашел множество применений в радарах , гидролокаторах , сейсмологии , беспроводной связи, радиоастрономии , акустике и биомедицине . Адаптивное формирование луча используется для обнаружения и оценки интересующего сигнала на выходе матрицы датчиков посредством оптимальной (например, методом наименьших квадратов) пространственной фильтрации и подавления помех.

Методы [ править ]

Чтобы изменить направленность массива при передаче, формирователь луча управляет фазой и относительной амплитудой сигнала на каждом передатчике, чтобы создать структуру конструктивных и деструктивных помех на фронте волны. При приеме информация от разных датчиков объединяется таким образом, чтобы предпочтительно наблюдалась ожидаемая диаграмма излучения.

Например, в гидролокаторе послать резкий импульс подводного звука к кораблю на расстоянии, просто одновременная передача этого резкого импульса от каждого сонарного проектора в массиве не удастся, потому что корабль сначала услышит импульс из динамика, который оказывается ближайший к кораблю, затем более поздние импульсы из динамиков, которые оказались дальше от корабля. Метод формирования луча включает посылку импульса от каждого проектора в несколько разное время (проектор, ближайший к кораблю, последним), так что каждый импульс попадает на корабль в одно и то же время, создавая эффект одного сильного импульса от одного мощного проектора. . Тот же метод может быть реализован в воздухе с использованием громкоговорителей или в радаре / радио с использованием антенн..

В пассивном гидролокаторе и при приеме в активном гидролокаторе метод формирования луча включает объединение задержанных сигналов от каждого гидрофона в несколько разное время (гидрофон, ближайший к цели, будет объединен после самой продолжительной задержки), так что каждый сигнал достигает выхода точно в в то же время, издав один громкий сигнал, как будто сигнал исходит от одного очень чувствительного гидрофона. Формирование диаграммы направленности приема также может использоваться с микрофонами или радиолокационными антеннами.

В узкополосных системах временная задержка эквивалентна «фазовому сдвигу», поэтому в этом случае антенная решетка, каждая из которых сдвинута на несколько разную величину, называется фазированной решеткой . Узкополосная система, типичная для радаров , - это система, в которой ширина полосы составляет лишь небольшую часть центральной частоты. Для широкополосных систем это приближение больше не выполняется, что типично для гидролокаторов.

В приемном формирователе луча сигнал от каждой антенны может быть усилен разным «весом». Различные шаблоны взвешивания (например, Дольф – Чебышев ) могут использоваться для достижения желаемых шаблонов чувствительности. Главный лепесток создается вместе с нулями и боковыми лепестками. Помимо управления шириной главного лепестка (шириной луча ) и уровнями боковых лепестков, можно управлять положением нуля. Это полезно для игнорирования шума или источников помех в одном конкретном направлении, при этом прислушиваясь к событиям в других направлениях. Аналогичный результат можно получить при передаче.

Полную математику направления лучей с использованием амплитуды и фазовых сдвигов см. В математическом разделе, посвященном фазированной решетке .

Методы формирования луча можно условно разделить на две категории:

обычные (фиксированные или переключаемые ) формирователи луча
адаптивные формирователи луча или фазированная решетка
- Желаемый режим максимизации сигнала
- Режим минимизации или отмены помехового сигнала

Обычные формирователи луча, такие как матрица Батлера , используют фиксированный набор весов и временных задержек (или фазировок) для объединения сигналов от датчиков в массиве, в основном используя только информацию о расположении датчиков в пространстве и направлениях волн. представляет интерес. Напротив, методы адаптивного формирования луча (например, MUSIC , SAMV ) обычно объединяют эту информацию со свойствами сигналов, фактически принимаемых массивом, обычно для улучшения подавления нежелательных сигналов с других направлений. Этот процесс может выполняться как во временной, так и в частотной области.

Как видно из названия, адаптивный формирователь луча может автоматически адаптировать свою реакцию к различным ситуациям. Должен быть установлен некоторый критерий, позволяющий продолжить адаптацию, например, минимизация общего выходного шума. Из-за изменения шума в зависимости от частоты в широкополосных системах может быть желательно выполнять процесс в частотной области .

Формирование луча может потребовать больших вычислительных ресурсов. Фазированная антенная решетка сонара имеет достаточно низкую скорость передачи данных, чтобы ее можно было обрабатывать в реальном времени в программном обеспечении , которое достаточно гибко для передачи или приема в нескольких направлениях одновременно. Напротив, фазированная антенная решетка радара имеет настолько высокую скорость передачи данных, что обычно требует специальной аппаратной обработки, которая жестко запрограммирована для передачи или приема только в одном направлении за раз. Однако новые программируемые вентильные матрицы достаточно быстры для обработки радиолокационных данных в реальном времени и могут быть быстро перепрограммированы как программное обеспечение, стирая различия между аппаратным и программным обеспечением.

Требования к формированию луча сонара [ править ]

В формировании луча сонара используется метод, аналогичный электромагнитному формированию луча, но детали его реализации значительно различаются. Применения сонара варьируются от 1 Гц до 2 МГц, а элементы массива могут быть небольшими и большими, а их количество может исчисляться сотнями, но при этом очень маленькими. Это приведет к значительному смещению усилий по проектированию формирования луча гидролокатора между потребностями таких компонентов системы, как "входной каскад" (преобразователи, предварительные усилители и дигитайзеры), и фактического вычислительного оборудования формирователя луча ниже по потоку. Высокочастотный сфокусированный луч, многоэлементные гидролокаторы для поиска изображений и акустические камеры часто реализуют пространственную обработку пятого порядка, которая накладывает нагрузки, эквивалентные требованиям радара Aegis к процессорам.

Многие гидролокаторы, например, на торпедах, состоят из массивов до 100 элементов, которые должны обеспечивать управление лучом в поле обзора 100 градусов и работать как в активном, так и в пассивном режимах.

Массивы сонаров используются как активно, так и пассивно в 1-, 2- и 3-мерных массивах.

Одномерные «линейные» массивы обычно используются в многоэлементных пассивных системах, буксируемых за кораблями, и в одно- или многоэлементных гидролокаторах бокового обзора .
Двухмерные «плоские» массивы широко используются в активных / пассивных гидролокаторах, устанавливаемых на корпусе судов, и некоторых гидролокаторах бокового обзора.
Трехмерные сферические и цилиндрические решетки используются в «куполах гидролокаторов» на современных подводных лодках и кораблях.

Сонар отличается от радара тем, что в некоторых приложениях, таких как глобальный поиск, часто необходимо прослушивать все направления, а в некоторых приложениях транслировать одновременно. Таким образом, необходима многолучевая система. В узкополосном приемнике гидролокатора фазами каждого луча можно полностью управлять с помощью программного обеспечения для обработки сигналов, по сравнению с существующими радиолокационными системами, которые используют оборудование для «прослушивания» в одном направлении за раз.

Сонар также использует формирование луча, чтобы компенсировать значительную проблему более медленной скорости распространения звука по сравнению со скоростью распространения электромагнитного излучения. В гидролокаторах бокового обзора скорость системы буксировки или транспортного средства, несущего гидролокатор, изменяется с достаточной скоростью, чтобы вывести гидролокатор из поля возвращающегося звукового "пинга". В дополнение к алгоритмам фокусировки, предназначенным для улучшения приема, многие сонары бокового обзора также используют управление лучом, чтобы смотреть вперед и назад, чтобы «поймать» входящие импульсы, которые были бы пропущены одним лучом бокового обзора.

Схемы [ править ]

Обычный формирователь луча может быть простым формирователем луча, также известным как формирователь луча с задержкой и суммированием. Все веса антенных элементов могут иметь одинаковую величину. Формирователь луча направляется в указанном направлении только путем выбора соответствующих фаз для каждой антенны. Если шум не коррелирован и отсутствуют направленные помехи, отношение сигнал / шум формирователя луча с антеннами, принимающими сигнал мощности (где - дисперсия шума или мощность шума), составляет: ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle P}$ ${\ Displaystyle \ sigma _ {п} ^ {2}}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ sigma _ {n} ^ {2}}} P \ cdot L}$
Нулевой формирователь луча
Формирователь луча в частотной области

Evolved Beamformer [ править ]

Метод формирования луча с задержкой и суммой использует несколько микрофонов для локализации источников звука. Одним из недостатков этого метода является то, что регулировка положения или количества микрофонов нелинейно изменяет характеристики формирователя луча. Кроме того, из-за количества возможных комбинаций трудно найти лучшую конфигурацию с вычислительной точки зрения. Один из способов решения этой проблемы - использование генетических алгоритмов . Такой алгоритм ищет конфигурацию решетки микрофонов, которая обеспечивает наивысшее отношение сигнал / шум для каждой управляемой ориентации. Эксперименты показали, что такой алгоритм может найти лучшую конфигурацию ограниченного пространства поиска, содержащего ~ 33 миллиона решений, за считанные секунды, а не дни.^[2]

История стандартов беспроводной связи [ править ]

Методы формирования луча, используемые в стандартах сотовых телефонов , развивались из поколения в поколение, чтобы использовать более сложные системы для получения ячеек с более высокой плотностью и более высокой пропускной способностью.

Пассивный режим: (почти) нестандартные решения
- Широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов ( WCDMA ) поддерживает формирование луча на основе направления прихода (DOA)

Активный режим: обязательные стандартизированные решения
- 2G - Выбор передающей антенны как элементарное формирование луча ^{[ необходима ссылка ]}
- 3G - WCDMA: формирование луча передающей антенной решетки (TxAA) ^{[ необходима ссылка ]}
- Развитие 3G - LTE / UMB: формирование диаграммы направленности на основе предварительного кодирования с множеством входов и множеством выходов (MIMO) с частичным множественным доступом с пространственным разделением каналов (SDMA) ^[^{необходима ссылка}^]
- Помимо 3G (4G, 5G,…) - Ожидаются более совершенные решения по формированию диаграммы направленности для поддержки множественного доступа с пространственным разделением каналов (SDMA), такие как формирование диаграммы направленности с обратной связью и многомерное формирование диаграммы направленности.

Все большее количество потребительских устройств Wi-Fi 802.11ac с возможностью MIMO может поддерживать формирование диаграммы направленности для повышения скорости передачи данных. ^[3]

Цифровой, аналоговый и гибридный [ править ]

Для приема (но не передачи ^{[ ссылка ]} ) существует различие между аналоговым и цифровым формированием луча. Например, если имеется 100 сенсорных элементов, подход «цифрового формирования луча» предполагает, что каждый из 100 сигналов проходит через аналого-цифровой преобразователь для создания 100 потоков цифровых данных. Затем эти потоки данных суммируются в цифровом виде с соответствующими масштабными коэффициентами или фазовыми сдвигами для получения составных сигналов. Напротив, подход «аналогового формирования луча» влечет за собой взятие 100 аналоговых сигналов, их масштабирование или фазовый сдвиг с использованием аналоговых методов, их суммирование и затем обычно оцифровку единого выходного потока данных.

Цифровое формирование диаграммы направленности имеет то преимущество, что потоками цифровых данных (100 в этом примере) можно управлять и комбинировать множеством возможных способов параллельно, чтобы получить множество различных выходных сигналов параллельно. Сигналы со всех сторон могут быть измерены одновременно, и сигналы могут быть интегрированы в течение более длительного времени при изучении далеких объектов и одновременно интегрированы в течение более короткого времени для изучения быстро движущихся близких объектов и т. Д. ^[4]Это не может быть сделано так же эффективно для аналогового формирования луча не только потому, что каждая комбинация параллельных сигналов требует своей собственной схемы, но и, что более важно, потому что цифровые данные можно копировать идеально, а аналоговые - нет. (Доступной аналоговой мощности ограничено, а усиление добавляет шум.) Следовательно, если принятый аналоговый сигнал разделяется и отправляется в большое количество различных схем комбинирования сигналов, это может снизить отношение сигнал / шум каждой из них. .

В системах связи MIMO с большим количеством антенн, так называемых массовых системах MIMO, алгоритмы формирования диаграммы направленности, выполняемые в цифровой основной полосе частот, могут быть очень сложными. Кроме того, если все формирование луча выполняется в основной полосе частот, каждой антенне требуется собственное ВЧ- излучение. На высоких частотах и с большим количеством антенных элементов это может быть очень дорогостоящим и увеличивать потери и сложность системы. Чтобы исправить эти проблемы, было предложено гибридное формирование луча, при котором некоторая часть формирования луча выполняется с использованием аналоговых компонентов, а не цифровых.

Существует множество возможных различных функций, которые могут выполняться с использованием аналоговых компонентов вместо цифровой основной полосы частот. ^[5]^[6]^[7]

Для речевого аудио [ править ]

Формирование луча можно использовать, чтобы попытаться извлечь источники звука в комнате, например, несколько динамиков в проблеме коктейльной вечеринки . Это требует, чтобы местоположения динамиков были известны заранее, например, используя время прибытия от источников к микрофонам в массиве, и выявляя местоположения по расстояниям.

По сравнению с телекоммуникациями на несущих волнах , естественный звук содержит множество частот. Перед формированием луча выгодно разделять полосы частот, потому что разные частоты имеют разные фильтры оптимальной формы луча (и, следовательно, их можно рассматривать как отдельные проблемы, параллельно, а затем повторно объединять). Правильная изоляция этих полос требует использования специализированных нестандартных наборов фильтров . Напротив, например, стандартные полосовые фильтры с быстрым преобразованием Фурье (БПФ) неявно предполагают, что единственные частоты, присутствующие в сигнале, являются точными гармониками ; частоты, которые лежат между этими гармониками, обычно активируют все каналы БПФ (что не является тем, что требуется при анализе формы луча). Вместо этого фильтры могут^{[ необходима цитата ],} в котором только локальные частоты обнаруживаются каждым каналом (при сохранении свойства рекомбинации для возможности восстановления исходного сигнала), и они, как правило, не ортогональны, в отличие от базиса БПФ.

См. Также [ править ]

Трехмерное формирование луча
Синтез апертуры
Радар с обратной синтезированной апертурой (ISAR)
Радар с синтетической апертурой
Эхолот с синтетической апертурой
Проклятие утонченного массива
Оконная функция
Магнитометрия с синтетической апертурой (SAM)
Микрофонная решетка
Предварительное кодирование с нулевым форсированием
Многолучевой эхолот
Карандаш (оптика)
Периодограмма
МУЗЫКА
САМВ
Пространственное мультиплексирование
Разнообразие антенн
Информация о состоянии канала
Пространственно-временной код
Пространственно-временной блочный код
Кодирование грязной бумаги (DPC)
Умная антенна
WSDMA (широкополосный множественный доступ с пространственным разделением каналов)
Правитель голомба
Аудио наблюдение
Реконфигурируемая антенна
Матрица датчиков

Ссылки [ править ]

^ Ван Вин, BD; Бакли, К. М. (1988). «Формирование луча: универсальный подход к пространственной фильтрации» (PDF) . Журнал IEEE ASSP . 5 (2): 4. Bibcode : 1988IASSP ... 5 .... 4V . DOI : 10.1109 / 53.665 . S2CID 22880273 . Архивировано из оригинального (PDF) 22 ноября 2008 года.
^ Лаши, Дугагджин; Куеви, Квентин; Лемейр, янв (ноябрь 2018 г.). «Оптимизация микрофонных массивов для формирования луча с задержкой и суммой с использованием генетических алгоритмов» . 2018 4-я Международная конференция по технологиям и приложениям облачных вычислений (Cloudtech) . Брюссель, Бельгия: IEEE: 1–5. DOI : 10,1109 / CloudTech.2018.8713331 . ISBN 978-1-7281-1637-2.
^ Гейер, Эрик. «Все о формировании луча, о более быстром Wi-Fi, о котором вы даже не подозревали» . Мир ПК . IDG Consumer & SMB . Проверено 19 октября 2015 года .
^ Системные аспекты цифрового луча, формирующего повсеместный радар , Merrill Skolnik, 2002, [1]
^ Phyo, Zar Chi; Taparugssanagorn, Attaphongse (2016). «Гибридное аналого-цифровое формирование диаграммы направленности нисходящего канала для массивной системы MIMO с однородными и неоднородными линейными массивами». 2016 13-я Международная конференция по электротехнике / электронике, компьютерам, телекоммуникациям и информационным технологиям (ECTI-CON) . С. 1–6. DOI : 10,1109 / ECTICon.2016.7561395 . ISBN 978-1-4673-9749-0. S2CID 18179878 .
^ Цзоу, Янин; Рейв, Вольфганг; Феттвейс, Герхард (2016). «Аналоговое управление лучом для гибкого гибридного проектирования луча в миллиметровых волнах». Европейская конференция по сетям и коммуникациям, 2016 г. (EuCNC) . С. 94–99. arXiv : 1705.04943 . DOI : 10,1109 / EuCNC.2016.7561012 . ISBN 978-1-5090-2893-1. S2CID 16543120 .
^ Раджашекар, Ракшит; Ханзо, Лайош (2016). «Гибридное формирование луча в миллиметровых MIMO-системах с конечным входным алфавитом» (PDF) . Транзакции IEEE по коммуникациям . 64 (8): 3337–3349. DOI : 10.1109 / TCOMM.2016.2580671 . S2CID 31658730 .

Общие [ править ]

Луай М.А. Джаллул и Сэм. П. Алекс, «Методология оценки и производительность системы IEEE 802.16e», представленная Обществу связи и обработки сигналов IEEE, Объединенное отделение округа Ориндж (ComSig), 7 декабря 2006 г. Доступно по адресу: https: //web.archive .org / web / 20110414143801 / http: //chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
HL Van Trees, Оптимальная обработка массива, Wiley, NY, 2002.
Цзянь Ли и Петре Стойка, ред. Надежное адаптивное формирование луча. Нью-Джерси: Джон Вили, 2006.
М. Солтаналиан. Дизайн сигналов для активного зондирования и связи . Упсальские диссертации факультета науки и технологий (напечатано Elanders Sverige AB), 2014 г.
"Букварь по цифровому формированию луча" Тоби Хейнс, 26 марта 1998 г.
"Что такое формирование луча?" , введение в формирование луча сонара от Грега Аллена.
Krim, H .; Виберг, М. (1996). «Два десятилетия исследований в области обработки сигналов с массивов: параметрический подход». Журнал обработки сигналов IEEE . 13 (4): 67–94. Bibcode : 1996ISPM ... 13 ... 67K . DOI : 10.1109 / 79.526899 .
"Весы Дельфа – Чебышева" antenna-theory.com
Коллекция страниц, содержащих простое введение в формирование диаграммы направленности микрофонной решетки.

Внешние ссылки [ править ]

Анимация управления лучом с помощью фазированных решеток на YouTube
MU-MIMO Beamforming by Constructive Interference , Wolfram Demonstrations Project

[1] Ван Вин, BD; Бакли, К. М. (1988). «Формирование луча: универсальный подход к пространственной фильтрации» (PDF) . Журнал IEEE ASSP . 5 (2): 4. Bibcode : 1988IASSP ... 5 .... 4V . DOI : 10.1109 / 53.665 . S2CID 22880273 . Архивировано из оригинального (PDF) 22 ноября 2008 года.

[2] Лаши, Дугагджин; Куеви, Квентин; Лемейр, янв (ноябрь 2018 г.). «Оптимизация микрофонных массивов для формирования луча с задержкой и суммой с использованием генетических алгоритмов» . 2018 4-я Международная конференция по технологиям и приложениям облачных вычислений (Cloudtech) . Брюссель, Бельгия: IEEE: 1–5. DOI : 10,1109 / CloudTech.2018.8713331 . ISBN 978-1-7281-1637-2.

[3] Гейер, Эрик. «Все о формировании луча, о более быстром Wi-Fi, о котором вы даже не подозревали» . Мир ПК . IDG Consumer & SMB . Проверено 19 октября 2015 года .

[4] Системные аспекты цифрового луча, формирующего повсеместный радар , Merrill Skolnik, 2002, [1]

[5] Phyo, Zar Chi; Taparugssanagorn, Attaphongse (2016). «Гибридное аналого-цифровое формирование диаграммы направленности нисходящего канала для массивной системы MIMO с однородными и неоднородными линейными массивами». 2016 13-я Международная конференция по электротехнике / электронике, компьютерам, телекоммуникациям и информационным технологиям (ECTI-CON) . С. 1–6. DOI : 10,1109 / ECTICon.2016.7561395 . ISBN 978-1-4673-9749-0. S2CID 18179878 .

[6] Цзоу, Янин; Рейв, Вольфганг; Феттвейс, Герхард (2016). «Аналоговое управление лучом для гибкого гибридного проектирования луча в миллиметровых волнах». Европейская конференция по сетям и коммуникациям, 2016 г. (EuCNC) . С. 94–99. arXiv : 1705.04943 . DOI : 10,1109 / EuCNC.2016.7561012 . ISBN 978-1-5090-2893-1. S2CID 16543120 .

[7] Раджашекар, Ракшит; Ханзо, Лайош (2016). «Гибридное формирование луча в миллиметровых MIMO-системах с конечным входным алфавитом» (PDF) . Транзакции IEEE по коммуникациям . 64 (8): 3337–3349. DOI : 10.1109 / TCOMM.2016.2580671 . S2CID 31658730 .