Формирование луча - Beamforming

Формирование луча или пространственная фильтрация - это метод обработки сигналов , используемый в массивах датчиков для направленной передачи или приема сигнала. Это достигается путем комбинирования элементов в антенной решетке таким образом, чтобы сигналы под определенными углами испытывали конструктивную интерференцию, в то время как другие испытывали деструктивную 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.

Техники

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 одновременно передать этот резкий импульс 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 импульсов 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 решетка антенн, 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 значительных 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

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 требованиями таких компонентов системы, как «входной каскад» (преобразователи, предварительные усилители и дигитайзеры), и фактического вычислительного оборудования формирователя луча, расположенного 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

  • 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:
  • Нуль-рулевой формирователь луч оптимизирован , чтобы иметь нулевой отклик в направлении одного или более inteferers.
  • А в частотной области формирователя луча обрабатывает каждый частотный бин в качестве узкополосного сигнала, для которых фильтры являются комплексными коэффициентами (то есть, прибыли и фазовые сдвиги), по отдельности оптимизированы для каждой частоты.

Развитый Beamformer

Метод формирования луча с задержкой и суммированием 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.

История стандартов беспроводной связи

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)

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

Цифровой, аналоговый и гибридный

Для приема (но не передачи) существует различие между аналоговым и цифровым формированием диаграммы направленности. 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 получение 100 аналоговых сигналов, их масштабирование или фазовый сдвиг с использованием аналоговых методов, их суммирование и затем обычно оцифровку единого выходного потока данных.

Цифровое формирование луча 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. 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 уменьшить 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.

Для речевого аудио

Формирование луча можно использовать, чтобы попытаться извлечь источники звука в комнате, например, несколько динамиков в проблеме коктейльной вечеринки . Это требует, чтобы расположение динамиков было известно заранее, например, с помощью времени прибытия от источников к микрофонам в массиве и определения 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 единственными частотами, присутствующими в сигнале, являются точные гармоники ; частоты, которые лежат между этими гармониками, обычно активируют все каналы БПФ (что не является тем, что требуется при анализе формы луча). Вместо этого могут быть разработаны фильтры, в которых только локальные частоты обнаруживаются каждым каналом (при сохранении свойства рекомбинации для возможности восстановления исходного сигнала), и они обычно не ортогональны, в отличие от базиса БПФ.

Смотрите также

использованная литература

Общий

внешние ссылки