Формирование луча

Формирование луча или пространственная фильтрация — это метод обработки сигналов , используемый в матрицах датчиков для направленной передачи или приема сигналов. ^{[ 1 ]} Это достигается за счет комбинирования элементов антенной решетки таким образом, что сигналы под определенными углами испытывают конструктивные помехи , а другие — деструктивные. Формирование луча может использоваться как на передающей, так и на приемной стороне 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 многочисленные применения в радиолокации , гидролокации , 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 решетки при передаче, формирователь луча контролирует фазу и относительную амплитуду сигнала на каждом передатчике, чтобы создать структуру конструктивной и деструктивной интерференции на волновом фронте. При приеме информация от разных датчиков комбинируется таким образом, чтобы преимущественно наблюдалась ожидаемая картина излучения.

Например, в гидролокаторе , чтобы послать резкий импульс подводного звука к кораблю на расстоянии, просто одновременно передать этот резкий импульс от каждого гидролокационного проектора в массиве невозможно, потому что корабль сначала услышит импульс из динамика, который оказывается ближайший к кораблю, а затем импульсы из динамиков, которые оказались дальше от корабля. Метод формирования луча предполагает отправку импульса от каждого проектора в несколько разное время (проектор, ближайший к кораблю последним), так что каждый импульс попадает на корабль точно в одно и то же время, создавая эффект одного сильного импульса от одного мощного проектора. . Тот же метод можно реализовать 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 наибольшей задержки), так что каждый сигнал достигает выхода точно в при этом издавая один громкий сигнал, как если бы сигнал исходил от одного очень чувствительного гидрофона. Формирование луча приема также можно использовать с микрофонами или радиолокационными антеннами.

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

В формирователе приемного луча сигнал от каждой антенны может усиливаться с разным «весом». Различные шаблоны взвешивания (например, Дольфа-Чебышева ) могут использоваться для достижения желаемых шаблонов чувствительности. Главный лепесток создается вместе с нулевыми и боковыми лепестками. Помимо управления шириной основного лепестка ( шириной луча ) и уровнями боковых лепестков, можно контролировать положение нуля. Это полезно для игнорирования шума или помех в одном конкретном направлении и одновременного прослушивания событий в других направлениях. Аналогичный результат можно получить при передаче.

Полную математическую информацию о направлении лучей с использованием амплитудных и фазовых сдвигов см. в математическом разделе « Фазированная решетка» .

Методы формирования луча можно условно разделить на две категории:

обычные (с фиксированным или переключаемым лучом ) формирователи луча
адаптивные формирователи луча или фазированная решетка
- Желаемый режим максимизации сигнала
- Режим минимизации или подавления сигнала помех

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. интереса. Напротив, методы адаптивного формирования луча (например, MUSIC , SAMV ) обычно объединяют эту информацию со свойствами сигналов, фактически полученных массивом, обычно для улучшения подавления нежелательных сигналов с других направлений. Этот процесс может осуществляться либо во временной, либо в частотной области.

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

Формирование луча может потребовать больших вычислительных ресурсов. ФАР гидролокатора имеет достаточно низкую скорость передачи данных, чтобы их можно было обрабатывать в реальном времени с помощью программного обеспечения , которое достаточно гибкое для передачи или приема в нескольких направлениях одновременно. Напротив, радиолокационная фазированная решетка имеет настолько высокую скорость передачи данных, что обычно требует специальной аппаратной обработки, которая жестко запрограммирована на передачу или прием только в одном направлении за раз. Однако новые программируемые вентильные матрицы достаточно быстры, чтобы обрабатывать радиолокационные данные в реальном времени, и их можно быстро перепрограммировать, как программное обеспечение, что стирает различие между аппаратным и программным обеспечением.

Требования к формированию луча сонара

Формирование луча сонара использует метод, аналогичный электромагнитному формированию луча, но значительно различается в деталях реализации. Частота применения сонара варьируется от 1 Гц до 2 МГц, а элементы массива могут быть небольшими и большими или исчисляться сотнями, но очень маленькими. Это значительно сместит усилия по проектированию формирования луча гидролокатора между требованиями таких компонентов системы, как «передний конец» (преобразователи, предварительные усилители и цифровые преобразователи) и реальным вычислительным оборудованием формирователя луча. Высокочастотные сфокусированные лучи, многоэлементные гидролокаторы поиска изображения и акустические камеры часто реализуют пространственную обработку пятого порядка, что создает нагрузку, эквивалентную требованиям радара Aegis для процессоров.

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

Сонарные массивы используются как активно, так и пассивно в 1-, 2- и 3-мерных массивах.

Одномерные «линейные» решетки обычно используются в многоэлементных пассивных системах, буксируемых за кораблями, а также в одно- или многоэлементных гидролокаторах бокового обзора .
Двумерные «плоские» решетки распространены в активных/пассивных гидролокаторах, устанавливаемых на корпусе корабля, а также в некоторых гидролокаторах бокового обзора.
Трехмерные сферические и цилиндрические решетки используются в «куполах гидролокаторов» современных подводных лодок и кораблей.

Сонар отличается от радара тем, что в некоторых приложениях, таких как глобальный поиск, часто необходимо прослушивать все направления, а в некоторых приложениях транслировать их одновременно. Таким образом, необходима многолучевая система. В узкополосном приемнике гидролокатора фазами каждого луча можно полностью управлять с помощью программного обеспечения для обработки сигналов, в отличие от современных радиолокационных систем, которые используют аппаратное обеспечение для «прослушивания» в одном направлении одновременно.

Сонар также использует формирование луча, чтобы компенсировать существенную проблему более низкой скорости распространения звука по сравнению со скоростью электромагнитного излучения. В гидролокаторах бокового обзора скорость буксирной системы или транспортного средства, несущего гидролокатор, движется с достаточной скоростью, чтобы вывести гидролокатор из поля возвращающегося звука «пинг». В дополнение к алгоритмам фокусировки, предназначенным для улучшения приема, многие гидролокаторы бокового обзора также используют управление лучом для просмотра вперед и назад, чтобы «поймать» входящие импульсы, которые были бы пропущены одним лучом бокового обзора.

Схемы

Традиционный формирователь луча может представлять собой простой формирователь луча, также известный как формирователь луча с задержкой и суммированием. Все веса элементов антенны могут иметь равные величины. Формирователь луча управляется в заданном направлении только путем выбора соответствующих фаз для каждой антенны. Если шум некоррелирован и нет направленных помех, отношение сигнал/шум формирователя луча с $L$ антенны, принимающие сигнал мощности $P$ , (где $\sigma _{n}^{2}$ — дисперсия шума или мощность шума): ${\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L$
Формирователь луча с нулевым управлением оптимизирован так, чтобы иметь нулевой отклик в направлении одного или нескольких источников помех.
Формирователь луча в частотной области обрабатывает каждый элемент разрешения по частоте как узкополосный сигнал, для которого фильтры представляют собой комплексные коэффициенты (то есть коэффициенты усиления и фазовые сдвиги), оптимизированные отдельно для каждой частоты.

Усовершенствованный формирователь луча

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 большого количества возможных комбинаций сложно найти лучшую конфигурацию с вычислительной точки зрения. Одним из методов решения этой проблемы является использование генетических алгоритмов . Такой алгоритм ищет конфигурацию микрофонной решетки , обеспечивающую максимальное соотношение сигнал/шум для каждой управляемой ориентации. Эксперименты показали, что такой алгоритм может найти лучшую конфигурацию ограниченного пространства поиска, содержащего около 33 миллионов решений, за считанные секунды, а не дни. ^{[ 2 ]}

История стандартов беспроводной связи

Методы формирования луча, используемые в сотовых телефонов стандартах , развивались из поколения в поколение, позволяя использовать более сложные системы для достижения более высокой плотности ячеек и более высокой пропускной способности.

Пассивный режим: (почти) нестандартизированные решения
- Широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов ( WCDMA ) поддерживает формирование диаграммы направленности на основе направления прибытия (DOA).
Активный режим: обязательные стандартизированные решения
- 2G – Выбор передающей антенны как элементарное формирование диаграммы направленности ^{[ нужна ссылка ]}
- 3G – WCDMA: формирование диаграммы направленности передающей антенной решетки (TxAA) ^{[ нужна ссылка ]}
- Эволюция 3G – LTE/UMB: с множественным входом и множественным выходом (MIMO) формирование диаграммы направленности на основе предварительного кодирования с множественным доступом с частичным пространственным разделением каналов (SDMA) ^{[ нужна ссылка ]}
- За пределами 3G (4G, 5G...) – ожидаются более совершенные решения формирования диаграммы направленности для поддержки SDMA, такие как формирование диаграммы направленности с обратной связью и многомерное формирование диаграммы направленности.

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

Цифровой, аналоговый и гибридный

Получать (но не передавать ^{[ нужна 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» предполагает прием 100 аналоговых сигналов, их масштабирование или фазовый сдвиг с использованием аналоговых методов, их суммирование, а затем обычно оцифровку единственного потока выходных данных.

Преимущество цифрового формирования луча заключается в том, что потоками цифровых данных (в данном примере 100) можно манипулировать и комбинировать множеством возможных способов параллельно, чтобы параллельно получать множество различных выходных сигналов. Сигналы со всех направлений можно измерять одновременно, причем сигналы можно интегрировать в течение более длительного времени при изучении удаленных объектов и одновременно интегрировать в течение более короткого времени для изучения быстродвижущихся близких объектов и так далее. ^{[ 4 ]} Это невозможно сделать так же эффективно для аналогового формирования луча не только потому, что каждая параллельная комбинация сигналов требует своей собственной схемы, но и, что более важно, потому, что цифровые данные могут быть скопированы идеально, а аналоговые данные — нет. (Имеется ограниченное количество аналоговой мощности, а усиление добавляет шум.) Следовательно, если полученный аналоговый сигнал разделить и отправить на большое количество различных схем объединения сигналов, это может уменьшить отношение сигнал/шум каждой из них. .

В системах связи MIMO с большим количеством антенн, так называемых массивных системах MIMO, алгоритмы формирования диаграммы направленности, выполняемые в цифровой основной полосе частот , могут стать очень сложными. Кроме того, если все формирование диаграммы направленности выполняется в основной полосе частот, каждой антенне потребуется собственный радиочастотный канал. На высоких частотах и при большом количестве антенных элементов это может быть очень дорогостоящим и увеличить потери и сложность системы. Чтобы решить эти проблемы, было предложено гибридное формирование луча, при котором часть формирования луча выполняется с использованием аналоговых компонентов, а не цифровых.

Существует много возможных различных функций, которые можно выполнять с использованием аналоговых компонентов вместо цифрового модулирующего сигнала. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Формирование луча, выполняемое в цифровом формате или с помощью аналоговой архитектуры, недавно стало применяться в интегрированных технологиях зондирования и связи. Например, был предложен формирователь луча в ситуациях с несовершенной информацией о состоянии канала для выполнения задач связи, одновременно выполняя обнаружение целей для обнаружения целей на сцене. ^{[ 8 ]}

Для речевого звука

Формирование луча можно использовать, чтобы попытаться выделить источники звука в комнате, например, несколько динамиков в задаче на коктейльной вечеринке . Для этого необходимо заранее знать расположение динамиков, например, используя время прибытия от источников к микрофонам в массиве и определяя местоположения на основе расстояний.

По сравнению с телекоммуникациями на несущей волне , естественный звук содержит множество частот. Перед формированием луча выгодно разделить полосы частот, поскольку разные частоты имеют разные оптимальные фильтры формы луча (и, следовательно, их можно рассматривать как отдельные проблемы параллельно, а затем повторно объединять). Для правильной изоляции этих полос используются специализированные нестандартные банки фильтров . Напротив, например, стандартные полосовые фильтры быстрого преобразования Фурье (БПФ) неявно предполагают, что единственные частоты, присутствующие в сигнале, являются точными гармониками ; частоты, лежащие между этими гармониками, обычно активируют все каналы БПФ (а это не то, что требуется при анализе формы луча). Вместо этого фильтры могут ^{[ нужна ссылка ]} быть спроектировано таким образом, чтобы каждый канал обнаруживал только локальные частоты (с сохранением свойства рекомбинации, позволяющего восстановить исходный сигнал), и они обычно неортогональны в отличие от базиса БПФ.

См. также

Трехмерное формирование луча
Синтез апертуры — смешивание сигналов от множества телескопов для получения изображений с высоким угловым разрешением.
Радар с обратной синтезированной апертурой ( ISAR ) - метод радиолокационного 2D-картографирования
Радар с синтезированной апертурой - форма радара, используемая для создания изображений ландшафтов.
Сонар с синтезированной апертурой - форма сонара с использованием постобработки данных сонара.
Проклятие прореженной решетки - Теорема электромагнитной теории антенн
Функция окна — функция, используемая при обработке сигналов.
Магнитометрия с синтезированной апертурой ( SAM ) - подход нелинейного формирования луча
Микрофонная решетка - группа микрофонов, работающих в тандеме.
Предварительное кодирование с нулевым принуждением - метод обработки сигналов в беспроводной связи.
Многолучевой эхолот - тип гидролокатора, используемого для картографирования морского дна.
Карандаш (оптика) – Узкий луч электромагнитного излучения или заряженных частиц.
Периодограмма – оценка спектральной плотности сигнала.
МУЗЫКА - алгоритм, используемый для оценки частоты и радиопеленгации.
SAMV - алгоритм сверхразрешения без параметров
Пространственное мультиплексирование - метод беспроводной передачи MIMO, иногда сокращенно SMX-
Разнесение антенн — метод резервирования для повышения надежности связи.
Информация о состоянии канала – известные свойства канала канала связи.
Пространственно-временной код - метод в системах беспроводной связи, используемый для повышения надежности передачи данных.
Пространственно-временной блочный код – опция WiFi
Кодирование на грязной бумаге ( DPC ) – метод кодирования, который может компенсировать известные помехи.
Интеллектуальная антенна — антенные решетки с интеллектуальными алгоритмами обработки сигналов.
WSDMA , также известный как широкополосный множественный доступ с пространственным разделением каналов — метод доступа к каналу с высокой пропускной способностью.
Линейка Голомба - набор отметок на линейке, при котором никакие две пары отметок не находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.
Реконфигурируемая антенна - антенна, способная динамически изменять свою частоту и свойства излучения.
Массив датчиков - группа датчиков, используемая для увеличения усиления или размерности по сравнению с одним датчиком.

Ссылки

^ Ван Вин, BD; Бакли, К.М. (1988). «Формирование луча: универсальный подход к пространственной фильтрации» (PDF) . Журнал IEEE ASSP . 5 (2): 4. Бибкод : 1988IASSP...5....4В . дои : 10.1109/53.665 . S2CID 22880273 . Архивировано из оригинала (PDF) 22 ноября 2008 г.
^ Лаши, Дугаджин; Кеви, Квентин; Лемейр, Январь (ноябрь 2018 г.). «Оптимизация микрофонных решеток для формирования диаграммы направленности с использованием задержки и суммы с использованием генетических алгоритмов» . 2018 4-я Международная конференция по технологиям и приложениям облачных вычислений (Cloudtech) . Брюссель, Бельгия: IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/CloudTech.2018.8713331 . ISBN 978-1-7281-1637-2 . S2CID 155107734 .
^ Гейер, Эрик. «Все о формировании луча: более быстрый Wi-Fi, о котором вы даже не подозревали» . Мир ПК . IDG для потребителей и малого и среднего бизнеса . Проверено 19 октября 2015 г.
^ Системные аспекты повсеместного радара с формированием цифрового луча , Merrill Skolnik, 2002, [1]
^ Пхио, Зар Чи; Тапаругсанагорн, Аттафонгсе (2016). «Гибридное аналогово-цифровое формирование диаграммы направленности нисходящей линии связи для массивной системы MIMO с однородными и неоднородными линейными массивами». 2016 13-я Международная конференция по электротехнике/электронике, компьютерным, телекоммуникационным и информационным технологиям (ECTI-CON) . стр. 1–6. дои : 10.1109/ECTICon.2016.7561395 . ISBN 978-1-4673-9749-0 . S2CID 18179878 .
^ Цзоу, Янин; Рейв, Вольфганг; Феттвайс, Герхард (2016). «Аналоговое управление лучом для гибкой конструкции гибридного формирования луча в миллиметровой связи». Европейская конференция по сетям и коммуникациям 2016 г. (EuCNC) . стр. 94–99. arXiv : 1705.04943 . дои : 10.1109/EuCNC.2016.7561012 . ISBN 978-1-5090-2893-1 . S2CID 16543120 .
^ Раджашекар, Ракшит; Ханзо, Лайош (2016). «Гибридное формирование луча в системах MIMO миллиметрового диапазона с конечным входным алфавитом» (PDF) . Транзакции IEEE в области коммуникаций . 64 (8): 3337–3349. дои : 10.1109/TCOMM.2016.2580671 . S2CID 31658730 .
^ Ахмад Баззи и Марва Чафии, О разработке формирования диаграммы направленности на основе сбоев для двухфункциональных систем радиолокационной связи 6G в транзакциях IEEE в беспроводной связи, том. 22, нет. 8, стр. 5598-5612, август 2023 г., doi: 10.1109/TWC.2023.3235617.

Общий

Луай М.А. Джаллул и Сэм. П. Алекс, «Методология оценки и производительность системы IEEE 802.16e», представлено Обществу IEEE по коммуникациям и обработке сигналов, Объединенному отделению округа Ориндж (ComSig), 7 декабря 2006 г. Доступно по адресу: https://web.archive .org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
Х.Л. Ван Трис, Оптимальная обработка массивов, Уайли, Нью-Йорк, 2002.
Цзянь Ли и Петре Стойка , ред. Надежное адаптивное формирование луча. Нью-Джерси: Джон Уайли, 2006.
М. Солтаналян. Проектирование 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 гидролокатора Грега Аллена.
Крым, Х.; Виберг, М. (1996). «Два десятилетия исследований в области обработки сигналов массива: параметрический подход». Журнал обработки сигналов IEEE . 13 (4): 67–94. Бибкод : 1996ISPM...13...67K . дои : 10.1109/79.526899 .
«Висла Дольфа – Чебышева» антенна-теория.com
Коллекция страниц, дающих простое введение в формирование диаграммы направленности микрофонной решетки.

Внешние ссылки

Анимация управления лучом с помощью фазированных решеток на YouTube
Формирование луча MU-MIMO с помощью конструктивных помех , Демонстрационный проект Wolfram

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

[2] Лаши, Дугаджин; Кеви, Квентин; Лемейр, Январь (ноябрь 2018 г.). «Оптимизация микрофонных решеток для формирования диаграммы направленности с использованием задержки и суммы с использованием генетических алгоритмов» . 2018 4-я Международная конференция по технологиям и приложениям облачных вычислений (Cloudtech) . Брюссель, Бельгия: IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/CloudTech.2018.8713331 . ISBN 978-1-7281-1637-2 . S2CID 155107734 .

[3] Гейер, Эрик. «Все о формировании луча: более быстрый Wi-Fi, о котором вы даже не подозревали» . Мир ПК . IDG для потребителей и малого и среднего бизнеса . Проверено 19 октября 2015 г.

[4] Системные аспекты повсеместного радара с формированием цифрового луча , Merrill Skolnik, 2002, [1]

[5] Пхио, Зар Чи; Тапаругсанагорн, Аттафонгсе (2016). «Гибридное аналогово-цифровое формирование диаграммы направленности нисходящей линии связи для массивной системы MIMO с однородными и неоднородными линейными массивами». 2016 13-я Международная конференция по электротехнике/электронике, компьютерным, телекоммуникационным и информационным технологиям (ECTI-CON) . стр. 1–6. дои : 10.1109/ECTICon.2016.7561395 . ISBN 978-1-4673-9749-0 . S2CID 18179878 .

[6] Цзоу, Янин; Рейв, Вольфганг; Феттвайс, Герхард (2016). «Аналоговое управление лучом для гибкой конструкции гибридного формирования луча в миллиметровой связи». Европейская конференция по сетям и коммуникациям 2016 г. (EuCNC) . стр. 94–99. arXiv : 1705.04943 . дои : 10.1109/EuCNC.2016.7561012 . ISBN 978-1-5090-2893-1 . S2CID 16543120 .

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

[8] Ахмад Баззи и Марва Чафии, О разработке формирования диаграммы направленности на основе сбоев для двухфункциональных систем радиолокационной связи 6G в транзакциях IEEE в беспроводной связи, том. 22, нет. 8, стр. 5598-5612, август 2023 г., doi: 10.1109/TWC.2023.3235617.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]