Beamforming

Den Beamforming også kalt romlig filtrering , stråleforming eller stråleforming er en teknikk for signalbehandling anvendes i antenneoppstillingene og sensorer for utslipp eller retningsmottakingssignaler. Dette oppnås ved å kombinere elementene i en trinnvis antenne-array på en slik måte at signalene i bestemte retninger interfererer konstruktivt mens interferensen i andre retninger er destruktiv. Stråleforming kan brukes på sendersiden eller mottakersiden for å oppnå romlig selektivitet. Forbedringen sammenlignet med å sende / motta en isotrop (retningsbestemt) antenne , kalles sende / motta forsterkning (eller tap).

Merk: De engelske begrepene “beamformer / transmitter beamformer” og “beamformee / receive beamformer” er oversatt som “beam modeller” og “beamforming receiver” nedenfor.

Stråleforming kan brukes med radio eller lyd bølger . Den har mange anvendelser innen teknikkene radar, ekkolodd, seismologi , trådløs overføring , radioastronomi , akustikk og biomedisin . Adaptiv stråleforming brukes til å oppdage og evaluere det nyttige signalet ved utgangen til en sensoroppstilling, ved å bruke optimal romlig filtrering (dvs. minste firkanter) og avvisning av interferens. For akustiske bildebehandlingsteknikker er stråleforming en elementær og mye brukt signalbehandlingsmetode.

Generell

For å endre orienteringen til sendergitteret styrer strålemodellen signalets fase og relative amplitude på hvert element i sendergitteret, og skaper dermed et mønster av konstruktiv og destruktiv interferens i bølgefronten. Ved mottak kombineres informasjonen fra de forskjellige sensorene på en slik måte at det forventede signalet blir uthevet.

For eksempel i ekkolodd , å sende en plutselig impuls fra ubåten mot et fjernt fartøy, ganske enkelt å avgi denne impulsen samtidig på alle hydrofonene i nettverket, virker ikke, fordi fartøyet først vil motta impulsen til nærmeste hydrofon, deretter suksessivt impulser fra de fjernere hydrofonene. Stråleformingsteknikken innebærer å sende pulsen fra hver hydrofon ved å forskyve den litt i tid (hydrofonen lengst fra skipet først), slik at hver puls treffer skipet på nøyaktig samme tid, og gir samme effekt enn en kraftig impuls fra en enkelt hydrofon . Det samme kan gjøres i luften med høyttalere , eller i radio og radar med radioantenner .

I passiv ekkolodd og i mottak i aktiv ekkolodd innebærer stråleformingsteknikken å kombinere signalene fra hydrofonene ved å variere dem variabelt ( hydrofonen nærmest målet vil oppleve den lengste forsinkelsen) slik at hvert signal når utgangen fra ekkoloddantennen kl. nøyaktig samme tid, og produserer et enkelt, kraftig signal, som om det kommer fra en enkelt, veldig følsom hydrofon. Mottaksstråleforming kan også brukes med mikrofoner eller radarantenner.

I smalbåndssystemer er forsinkelsen ekvivalent med et faseskift, og i dette tilfellet kalles antenneserien, hver fase forskjøvet med en annen liten mengde, et ' faset array array '. Et smalbåndssystem, typisk for radar , er et system der båndbredden bare er en liten brøkdel av senterfrekvensen. I bredbåndssystemer er denne tilnærmingen ikke tilstrekkelig, noe som vanligvis er tilfelle med ekkolodd.

I stråledannende mottakere kan signalet fra hver antenne forsterkes i henhold til en annen "vekt". Ulike vektoppsett (dvs. Dolph-Chebyshev ) kan brukes for å oppnå de ønskede følsomhetsmønstrene. En hovedlapp produseres samtidig med null- og sekundærlapper. I tillegg til å kontrollere nivået på hovedlappen (bjelken) og sekundærlappene, kan vi også kontrollere posisjonen til nullene. Dette kan brukes til å ignorere radiostøy eller forstyrrelser i en retning, mens du lytter til det som kommer fra andre retninger. Et lignende resultat kan oppnås i overføring.

For matematiske detaljer om styring av bølgestråler ved hjelp av amplituder og faseforskyvninger, se seksjonen matematikk i artikkelen ' Phased Antenna Array '.

Generelt kan stråleformingsteknikker deles inn i to kategorier:

Konvensjonell stråleforming bruker et fast sett med vekter og forsinkelser (eller faseforskyvninger) for å kombinere signalene fra sensorene i matrisen, og bruker i hovedsak bare informasjonen om sensorenes plassering i rommet og retningen til bølgene av interesse. I motsetning til dette kombinerer adaptive stråleformingsteknikker generelt denne informasjonen med egenskapene til signalene som faktisk mottas fra sensorene, typisk for å forbedre avvisningen av uønskede signaler fra andre retninger. Denne prosessen kan implementeres i tidsdomenet eller i frekvensdomenet .

Som navnet antyder, kan et system for adaptiv stråleforming  (in) automatisk tilpasse seg forskjellige situasjoner. Kriterier, for eksempel minimering av total utgangsstøy, må defineres for å tillate tilpasning. I bredbåndssystemer kan det på grunn av variasjonen i støy med frekvens være ønskelig å operere i frekvensdomenet .

Stråleforming kan være beregningsintensiv. Datahastigheten til en ekkoloddantenne er lav nok til å bli behandlet i sanntid av programvare , som er fleksibel nok til å overføre og motta samtidig i flere retninger. I kontrast er datahastigheten til en radars fasede array-antenne- array så høy at det vanligvis krever maskinvarekomponentbehandling, som er blokkert for å overføre og / eller motta bare i en retning. Den tiden. Imidlertid er FPGA- er nå raske nok til å støtte sanntids radardata, og kan raskt omprogrammeres som programvare, noe som gjør at linjen mellom maskinvare og programvare blir uskarpt.

Spesifikasjoner for Sonar

Sonar selv har mange applikasjoner, for eksempel forskning og langdistansetelemetri eller undersjøisk bildebehandling med sidesøk-ekkoloddet  (en) og de akustiske kameraene  (in) .

I ekkolodd bruker implementeringen av stråleforming de samme generelle teknikkene, men skiller seg betydelig i detalj fra implementeringene i elektromagnetiske systemer. Applikasjoner starter ved 1 Hz og kan gå opp til 2 MHz, og nettverkselementene kan være store og få i antall, eller veldig små og mange i hundrevis. Dette vil i betydelig grad påvirke stråleformingsdesigninnsatsen i ekkolodd, fra behovet for front-end systemkomponenter (transdusere, forforsterkere og digitaliserere) til nedstrøms med den faktiske stråledannende beregningsmaskinvaren. Høyfrekvente ekkolodd, konsentrert stråle ekkolodd, flerelement ekkolodd for forskning og bildebehandling, akustiske kameraer, implementerer ofte femte graders romlig beregning som gir prosessorer tilsvarende begrensninger som kravene til Aegis radarer.

Mange ekkoloddsystemer, som for torpedoer, består av matriser på opptil 100 elementer som må kunne styre en stråle med en synsvinkel på over 100 grader og fungere i både aktiv og passiv modus.

Hydrofonarrayer kan brukes i både aktiv og passiv modus i 1, 2 og 3-dimensjonale matriser.

Ekkolodd skiller seg fra radar ved at man i visse applikasjoner, for eksempel langdistansesøk, ofte må observere, og noen ganger overføre, i alle retninger samtidig. Derfor er et system med flere bjelker nødvendig. I smalbånds ekkolodsmottakeren kan fasene til hver stråle manipuleres fullt ut av programvare for signalbehandling, sammenlignet med dagens radarsystemer som bruker maskinvare til å "lytte" i en retning om gangen.

Sonar bruker også stråleforming for å kompensere for det viktige problemet med lydens forplantningshastighet, som er langsommere enn for elektromagnetiske bølger. I ekkolodd fra siden er hastigheten på slepebåten eller ekkoloddetransportkjøretøyet tilstrekkelig til å flytte ekkoloddet ut av ekkoereturområdet. I tillegg til fokuseringsalgoritmer som er ment å forbedre mottaket, bruker mange sidestrålesonar også stråleveiledning for å se fremover og bakover og "fange" pulser som ville blitt savnet av en enkelt sidestråle.

Formalisering

Prinsippet for dannelse av kanaler kan uttrykkes i tidsdomenet eller i frekvensdomenet i ekvivalente formuleringer.

Midlertidig uttrykk for banedannelse i fritt felt 3D

Vi vurderer et nettverk av sensorer. Hver sensor mottar et notert tidssignal . Vi vil bruke dette nettverket av sensorer til å "fokusere" signalet på et punkt i rommet. Amplituden til det fokuserte signalet vil således være en indikator på den virkelige tilstedeværelsen av en kilde i den skannede posisjonen.

I tilfelle der det antas at bølgen som beveger seg avstanden fra kilden til sensornettverket, følger en 3D-fri feltutbredelse, blir det fokuserte tidsmessige signalet

b(t)=1IKKE(∑m=1Msmt+τmrm){\ displaystyle b (t) = {\ frac {1} {N}} \ left (\ sum _ {m = 1} ^ {M} p_ {m} {\ frac {t + \ tau _ {m}} {r_ {m}}} \ høyre)}

hvor er den geometriske avstanden fra hver sensor til den skannede posisjonen, er forsinkelsen som skal tilføres signalet fra sensoren for å kompensere for dens forplantning. Når det gjelder 3D-fri feltutbredelse, har vi ganske enkelt hvor er hastigheten på bølgene i mediet. Normaliseringsfaktoren .

Hvis en kilde faktisk er tilstede på det skannede stedet og genererer et signal , mottar hver sensor det forplantede signalet , og det observeres at det fokuserte signalet er lik kildesignalet . Det er derfor en signalbehandlingsmetode som gjør det mulig å finne kildesignalet. Hvis vi fokuserer matrisen på en posisjon der det ikke er noen kilde, er amplituden til det fokuserte signalet generelt mindre enn dette nivået. Ved å skanne et sett med punkter i rommet, er vi dermed i stand til å evaluere tilstedeværelsen av en kilde fra målingene til et nettverk av sensorer.

Frekvensuttrykk

Historien om stråleforming i mobiltelefonstandarder

Stråleformingsteknikker i standarden på mobil utviklet seg gjennom generasjoner ved å bruke stadig mer komplekse systemer for å oppnå høyere celletettheter, med høyere strømningshastigheter.

Stråledannelse for muntlig lyd

Vi kan bruke stråleforming for å prøve å finne lydkilden i et rom, for eksempel når det er flere høyttalere i cocktailparty-effekten . For dette er det nødvendig å vite på forhånd høyttalernes posisjon, for eksempel ved å bruke forplantningstiden fra kilden til mikrofonene i nettverket, og ved å trekke posisjonene fra avstandene.

Kan brukes filterarrays  (en) spesialisert for å skille frekvensbånd før stråledannelse. Faktisk har forskjellige frekvenser forskjellige optimale stråledannende filtre, og kan således behandles som forskjellige problemer (dvs. bruke mange filtre parallelt, og rekombiner deretter frekvensbåndene). Standardfiltre som FFT er mindre optimalisert for denne bruken fordi de ikke er designet for å isolere frekvensbånd. For eksempel antar FFT implisitt at de eneste frekvensene som er tilstede i signalet, er nøyaktig de harmoniske tilstedeværende som FFT-harmoniske. Vanligvis vil mellomfrekvensene mellom disse overtonene aktivere alle kanalene til Fourier-transformasjonen, noe som ikke er ønsket effekt for en stråledannende analyse. I stedet kan det utformes filtre der bare lokale frekvenser oppdages av hver kanal. Egenskapen til rekombinasjon er også nødvendig: det må være nok informasjon i mottaksfeltene for å rekonstruere signalet. Disse basene er vanligvis ikke ortogonale , i motsetning til basene som skyldes en FFT.

Se også

Beamforming løsninger

Beamforming-løsninger (lenker til engelsk Wikipedia)

Beslektede emner (noen lenker går til engelsk Wikipedia)

Referanser

  1. BD Van Veen og KM Buckley , “  Beamforming: A allsidig tilnærming til romlig filtrering,  ” IEEE ASSP Magazine , vol.  5, n o  to1988, s.  4 ( DOI  10.1109 / 53.665 , les online )
  2. (in) [PDF] LTE-overføringsmodus og stråleforming Rohde-schwarz.com, mai 2014

Artikler og bøker på engelsk

Eksterne linker

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">