Сәулелендіру - Beamforming

Сәулелендіру немесе кеңістіктік сүзу Бұл сигналдарды өңдеу қолданылатын техника сенсорлық массивтер бағытты сигнал беру немесе қабылдау үшін.[1] Бұған элементтерді біріктіру арқылы қол жеткізіледі антенналық массив осылайша белгілі бір бұрыштардағы сигналдар сындарлы болады кедергі ал басқалары деструктивті араласуды сезінеді. Кеңістіктік селективтілікке қол жеткізу үшін сәулелендіруді беру және қабылдау ұштарында қолдануға болады. Салыстырғанда жақсару көп бағытты қабылдау / беру ретінде белгілі директивтілік жиым.

Сәулелендіруді қолдануға болады радио немесе дыбыс толқындары. Ол көптеген қосымшалар тапты радиолокация, сонар, сейсмология, сымсыз байланыс, радио астрономия, акустика және биомедицина. Адаптивті сәулелендіру сенсорлық массивтің шығуын қызықтыратын сигналды оңтайлы (мысалы, ең кіші квадраттар) кеңістіктік сүзгілеу және интерференцияны қабылдамау арқылы анықтау және бағалау үшін қолданылады.

Техника

Беру кезінде массивтің бағытын өзгерту үшін сәулелендіргіш басқарады фаза және салыстырмалы амплитудасы толқын фронтында сындарлы және деструктивті араласу үлгісін құру үшін әр таратқыштағы сигналдың. Қабылдау кезінде әртүрлі сенсорлардан ақпарат күтілетін сәулелену үлгісі сақталатын тәсілмен біріктіріледі.

Мысалы, in сонар, су астындағы дыбыстың күрт импульсін қашықтықтағы кемеге қарай жіберу, сол өткір импульсті әр уақытта бір уақытта беру. sonar проекторы массив сәтсіздікке ұшырайды, өйткені кеме алдымен кемеге жақын жерде болатын динамиктен, содан кейін кемеден алыста болатын динамиктерден импульс алады. Сәулелендіру техникасы импульсті әр проектордан сәл өзгеше уақытта жіберуді (кемеге ең жақын орналасқан проекторды) қамтиды, сондықтан әрбір импульс кемені дәл сол уақытта соғып, бір қуатты проектордан бір күшті импульстің әсерін жасайды. . Дәл осындай техниканы ауада қолдануға болады динамиктер, немесе радиолокациялық / радиода қолдану антенналар.

Пассивті сонарда және белсенді сонарда қабылдау кезінде сәулелендіру техникасы әрқайсысының кешіктірілген сигналдарын біріктіруді қамтиды гидрофон сәл өзгеше уақыттарда (мақсатқа жақын гидрофон ең ұзақ кідірістен кейін біріктіріледі), осылайша әрбір сигнал шығысқа дәл бір уақытта жетіп, бір қатты сигнал береді, сигнал бір сезімтал, өте сезімтал гидрофоннан шыққан сияқты . Қабылдауды сәулелендіруді микрофондармен немесе радиолокациялық антенналармен де қолдануға болады.

Тар жолақты жүйелерде уақыттың кешігуі «фазалық ауысуға» тең, сондықтан бұл жағдайда әрқайсысы сәл өзгеше мөлшерде ауысқан антенналар массиві а деп аталады массив. Тар жолақты жүйе радарлар, мұның бірі өткізу қабілеттілігі бұл орталық жиіліктің кішкене бөлігі ғана. Кең жолақты жүйелерде бұл жуықтау енді қолданылмайды, бұл сонарларға тән.

Қабылдаушы сәулелендіргіште әр антеннаның сигналы әр түрлі «салмақпен» күшейтілуі мүмкін. Әр түрлі өлшеу үлгілері (мысалы, Дельф-Чебышев ) қажетті сезімталдық үлгілеріне қол жеткізу үшін қолданыла алады. Негізгі лоб нулдермен және бүйірлік қабықшалармен бірге шығарылады. Негізгі лобтың енін басқарумен қатар (ені және бүйірлік деңгей деңгейлерін, нөлдің орналасуын басқаруға болады. Бұл шуды елемеу үшін пайдалы немесе тежегіштер басқа бағыттардағы оқиғаларды тыңдай отырып, белгілі бір бағытта. Ұқсас нәтижені трансмиссия кезінде де алуға болады.

Амплитуда мен фазалық ығысуды қолдана отырып сәулелерді бағыттау туралы толық математиканы мына жерден математикалық бөлімнен қараңыз массив.

Сәулелендіру техникасын жалпы екі санатқа бөлуге болады:

  • әдеттегі (бекітілген немесе ауыстырылған сәуле ) сәуле шығарушылар
  • адаптивті сәулелендіргіштер немесе массив
    • Қажетті сигналды максимизациялау режимі
    • Кедергі сигналын азайту немесе жою режимі

Сияқты кәдімгі сәуле шығарғыштар Батлер матрицасы, массивтегі датчиктерден сигналдарды біріктіру үшін салмақ пен уақыттың кідірісі (немесе фазалар) жиынтығын қолданыңыз, ең алдымен датчиктердің кеңістіктегі орны мен қызығушылықтың толқындық бағыттары туралы ақпаратты ғана қолданыңыз. Керісінше, адаптивті сәулелендіру әдістері (мысалы, МУЗЫКА, SAMV ) әдетте бұл ақпаратты массив нақты қабылдаған сигналдардың қасиеттерімен біріктіреді, әдетте басқа бағыттардан қажет емес сигналдарды қабылдамауды жақсарту үшін. Бұл процесс уақыттың немесе жиіліктің доменінде жүзеге асырылуы мүмкін.

Атауы көрсеткендей, адаптивті сәулелендіргіш өз реакциясын әр түрлі жағдайларға автоматты түрде бейімдеуге қабілетті. Шудың жалпы шығуын азайту сияқты бейімделуге мүмкіндік беретін кейбір критерийлерді орнату керек. Шудың жиілігімен өзгеретіндіктен, кең жолақты жүйелерде процесті жүргізген жөн болар жиілік домені.

Сәулелендіру есептеу қарқынды болуы мүмкін. Sonar фазалық жиымында деректер жылдамдығы жеткілікті төмен, оны нақты уақыт режимінде өңдеуге болады бағдарламалық жасақтама, ол бірден бірнеше бағытта жіберуге немесе қабылдауға икемді. Керісінше, радиолокациялық фазалық жиым деректер жылдамдығының жоғарылығына ие, сондықтан ол бір уақытта тек бір бағытта жіберу немесе қабылдау үшін сыммен бекітілген арнайы аппараттық өңдеуді қажет етеді. Алайда, жаңа далалық бағдарламаланатын қақпа массивтері нақты уақыт режимінде радиолокациялық деректерді өңдеу үшін жеткілікті жылдамдыққа ие және оларды бағдарламалық жасақтама сияқты тез қайта бағдарламалап, аппараттық / бағдарламалық жасақтаманы ажыратады.

Sonar сәулелендіру талаптары

Сонар сәулелендіру электромагниттік сәулелендіруге ұқсас әдістемені қолданады, бірақ енгізу бөлшектерінде айтарлықтай өзгереді. Sonar қосымшалары 1 Гц-тен 2 МГц-ге дейін өзгереді, ал массив элементтері аз және үлкен болуы мүмкін, немесе жүздеген өте аз. Бұл жүйенің «алдыңғы жағы» (түрлендіргіштер, алдын ала күшейткіштер және цифрландырғыштар) сияқты жүйенің компоненттері мен төменгі сәулелендіргіштің есептеуіш аппаратурасының қажеттіліктері арасындағы сәулелік сәулелендіруді күшейтуді айтарлықтай өзгертеді. Жоғары жиіліктегі, сәулелендірілген, көп элементтерді іздейтін сонарлар мен акустикалық камералар көбінесе бесінші реттік кеңістіктік өңдеуді жүзеге асырады, бұл процессорларға Aegis радиолокациялық сұранысына тең штаммдар қояды.

Көптеген sonar жүйелері, мысалы, торпедаларда, орындалуы керек 100 элементтен тұратын массивтерден тұрады рульдік басқару 100 градустан жоғары көру және белсенді және пассивті режимдерде жұмыс істеу.

Сонар массивтері 1, 2 және 3 өлшемді массивтерде белсенді және пассивті түрде қолданылады.

  • 1-өлшемді «сызық» массивтері, әдетте, кемелердің артында сүйрелетін көп элементті пассивті жүйелерде және бір немесе көп элементтерде болады бүйірлік сканерлеу.
  • 2-өлшемді «жазықтық» массивтері кеменің корпусына орнатылған белсенді / пассивті сонарларда және бүйірлік сканерлейтін сонарда кең таралған.
  • 3 өлшемді сфералық және цилиндрлік массивтер қазіргі кезде «сонар күмбездерде» қолданылады сүңгуір қайық және кемелер.

Sonar радиолокатордан өзгешелігі - кең қолданбалы іздеу сияқты кейбір қосымшаларда барлық бағыттарды жиі тыңдау қажет, ал кейбір қосымшаларда бір уақытта таратылады. Осылайша, мультипамдық жүйе қажет. Тар жолақты сонар қабылдағышта әр сәуленің фазаларын сигналдарды өңдеу бағдарламалық жасақтамасының көмегімен басқаруға болады, мысалы, бір уақытта бір бағытта «тыңдау» үшін аппаратураны қолданатын қазіргі радиолокациялық жүйелермен.

Сонар сонымен қатар электромагниттік сәулеленумен салыстырғанда дыбыстың баяу таралу жылдамдығының маңызды мәселесін өтеу үшін сәулелік пішінді қолданады. Сыртқы көріністегі сонарларда сүйреу жүйесінің немесе сонарды тасымалдайтын көлік құралының жылдамдығы сонарды кері қайтарылатын дыбыс «пинг» өрісінен шығару үшін жеткілікті жылдамдықпен қозғалады. Қабылдауды жақсартуға бағытталған фокустық алгоритмдерден басқа, көптеген бүйірлік қарап шығатын сонарлар кіретін импульстерді «ұстап алу» үшін алға және артқа қарау үшін сәулелік рульді қолданады.

Схемалар

  • Кәдімгі сәуле жасаушы қарапайым сәулелендіргіш болуы мүмкін, оны кешіктіретін және қосатын сәулелендіргіш деп те атайды. Антенна элементтерінің барлық салмақтары бірдей шамаларға ие бола алады. Сәулелендіргіш әр антеннаға сәйкес фазаларды таңдау арқылы ғана көрсетілген бағытқа бағытталады. Егер шу бір-бірімен байланыссыз болса және ешқандай бағыттағы кедергілер болмаса шу мен сигналдың арақатынасы сәулелендіргіштің қуат сигналын алатын антенналар , (қайда шудың дисперсиясы немесе шудың күші), бұл:
  • Рульдік нөлдік басқарушы
  • Домен сәулесінің жиілігі

Дамыған сәуле шығарушы

Кешіктіру және қосынды сәулелендіру әдістемесі дыбыс көздерін локализациялау үшін бірнеше микрофондарды қолданады. Бұл техниканың бір кемшілігі - позицияны немесе микрофон санын түзету сәулелендіргіштің жұмысын сызықтық емес түрде өзгертеді. Сонымен қатар, мүмкін болатын комбинациялар санына байланысты, ең жақсы келісімді есептеу қиын. Бұл мәселені шешудің әдістерінің бірі - қолдану генетикалық алгоритмдер. Мұндай алгоритм іздейді микрофон массиві ең жоғары деңгейді қамтамасыз ететін келісім шу-шу әрбір басқарылатын бағыт үшін қатынас. Тәжірибелер көрсеткендей, мұндай алгоритм бірнеше күн ішінде бірнеше секунд ішінде ~ 33 миллион шешімді қамтитын шектеулі іздеу кеңістігінің ең жақсы конфигурациясын жасай алады.[2]

Сымсыз байланыс стандарттарындағы тарих

Жылы қолданылатын сәулелендіру әдістері ұялы телефон стандарттар тығыздығы жоғары жасушаларға қол жеткізу үшін неғұрлым күрделі жүйелерді пайдалану арқылы жоғары өнімділікке ие болды.

  • Пассивті режим: (стандартталған емес шешімдер)
    • Кең жолақты кодты бөлуWCDMA ) тіректер келу бағыты (DOA) негізіндегі сәулелендіру

Тұтынушылардың саны артып келеді 802.11ac MIMO мүмкіндігі бар Wi-Fi құрылғылары деректер байланысының жылдамдығын арттыру үшін сәулеленуді қолдай алады.[3]

Сандық, аналогтық және гибридтік

Қабылдау үшін (бірақ жібермейді)[дәйексөз қажет ]), аналогтық және цифрлық сәулеленудің айырмашылығы бар. Мысалы, 100 сенсорлық элемент болса, «сандық сәулелендіру» тәсілі 100 сигналдың әрқайсысы аналогты-сандық түрлендіргіш 100 сандық деректер ағындарын құру. Содан кейін бұл мәліметтер ағындары цифрлы түрде, сәйкес масштабты факторлармен немесе фазалық ауысулармен қосылып, құрама сигналдарды алады. Керісінше, «аналогтық сәулелендіру» тәсілі 100 аналогтық сигналды қабылдауға, масштабтауға немесе аналогтық әдістерді қолдана отырып фазалық ауыстыруға, оларды қорытындылауға, содан кейін жалғыз деректер ағыны.

Сандық сәулелендірудің артықшылығы бар, бұл сандық деректер ағындарын (осы мысалда 100) параллельде көптеген әртүрлі шығыс сигналдарын алу үшін манипуляциялауға және параллельді көптеген тәсілдермен біріктіруге болады. Әр бағыттан келетін сигналдарды бір уақытта өлшеуге болады, ал алыс объектілерді зерттеу кезінде сигналдарды ұзақ уақытқа біріктіруге болады және бір уақытта жылдам қозғалатын жақын заттарды зерттеу үшін қысқа уақытқа біріктіруге болады және т.б.[4] Мұны аналогтық сәулелендіру үшін тиімді етіп жасау мүмкін емес, өйткені әрбір параллель сигналдар тіркесімі өзіндік схеманы қажет етеді, сонымен қатар сандық деректерді керемет көшіруге болатындықтан, аналогтық мәліметтер мүмкін емес. (Аналогтық қуат сонша көп, ал күшейту шу шығарады.) Сондықтан, егер қабылданған аналогтық сигнал бөлініп, көптеген әртүрлі сигналдар тізбектеріне жіберілсе, бұл әрқайсысының сигнал-шу қатынасын төмендетуі мүмкін .

Үлкен MIMO жүйелері деп аталатын антенналары көп MIMO байланыс жүйелерінде сәулелендіру алгоритмдері цифрлы түрде орындалады базалық жолақ Сонымен қатар, егер барлық сәулелендіру базалық жиілікте жасалса, әр антеннаға жеке қажет РФ жем. Жоғары жиілікте және антенна элементтерінің көптігі кезінде бұл өте қымбатқа түсуі мүмкін және жүйеде шығын мен күрделілікті арттырады. Осы мәселелерді шешу үшін сәулелендірудің кейбір бөлігі сандық емес, аналогтық компоненттерді қолданып жасалынатын жерлерде гибридті сәулелендіру ұсынылды.

Цифрлық базалық жолақтың орнына аналогтық компоненттерді қолдану арқылы орындалуы мүмкін көптеген әртүрлі функциялар бар.[5][6][7]

Сөйлеу дыбысы үшін

Сәулелендіруді бөлмедегі дыбыс көздерін, мысалы, бірнеше динамикті шығарып алуға тырысу үшін қолдануға болады коктейльдер мәселесі. Бұл динамиктердің орналасуын алдын-ала білуді талап етеді, мысалы келу уақыты көздерден массивтегі микрофондарға дейін және қашықтықтан орындарды болжайды.

Салыстырғанда тасымалдаушы-толқын телекоммуникация, табиғи аудио әртүрлі жиіліктерді қамтиды. Сәулеленуден бұрын жиілік диапазонын бөлген тиімді, өйткені әр түрлі жиілікте әр түрлі оңтайлы сәулелік сүзгілер болады (демек, параллельді бөлек есептер ретінде қарастыруға болады, содан кейін қайта біріктіруге болады). Бұл жолақтарды дұрыс оқшаулау мамандандырылған стандартты емес болып табылады банктер. Керісінше, мысалы, стандарт жылдам Фурье түрлендіруі (FFT) диапазонды сүзгілер сигналда болатын жалғыз жиіліктерді дәл деп санайды гармоника; осы гармоникалардың арасында орналасқан жиіліктер әдетте барлық FFT арналарын белсендіреді (бұл сәулелік талдауда қажет емес). Оның орнына сүзгілер мүмкін[дәйексөз қажет ] әр арнада тек жергілікті жиіліктер анықталатындай етіп жасалынуы керек (бастапқы сигналды қалпына келтіре алу үшін рекомбинация қасиетін сақтай отырып) және олар әдетте FFT негізіне қарағанда ортогоналды емес.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Ван Вин, Б.Д .; Бакли, К.М. (1988). «Beamforming: кеңістіктік сүзгілеудің жан-жақты тәсілі» (PDF). IEEE ASSP журналы. 5 (2): 4. Бибкод:1988IASSP ... 5 .... 4V. дои:10.1109/53.665. S2CID  22880273. Архивтелген түпнұсқа (PDF) 2008-11-22.
  2. ^ Лаши, Дугагжин; Кеви, Квентин; Лемейр, қаңтар (қараша 2018). «Генетикалық алгоритмдердің көмегімен кешіктіру және қосынды сәулеленуге микрофон массивтерін оңтайландыру». Бұлтты есептеу технологиялары мен қосымшалары бойынша 2018 жылғы 4-ші Халықаралық конференция (Cloudtech). Брюссель, Бельгия: IEEE: 1–5. дои:10.1109 / CloudTech.2018.8713331. ISBN  978-1-7281-1637-2.
  3. ^ Гейер, Эрик. «Сәулелендіру туралы, сізге қажет Wi-Fi жылдамдығы». PC World. IDG Consumer & SMB. Алынған 19 қазан 2015.
  4. ^ Барлық жерде радиолокацияны қалыптастыратын сандық сәуленің жүйелік аспектілері, Меррилл Скольник, 2002, [1]
  5. ^ Фио, Зар Чи; Taparugssanagorn, Attaphongse (2016). «Біртекті және біркелкі емес сызықтық массивтермен массивтік MIMO жүйесі үшін гибридті аналогтық-сандық төмендету байланысы». 2016 Электротехника / электроника, компьютер, телекоммуникация және ақпараттық технологиялар бойынша 13-ші халықаралық конференция (ECTI-CON). 1-6 бет. дои:10.1109 / ECTICon.2016.7561395. ISBN  978-1-4673-9749-0. S2CID  18179878.
  6. ^ Зоу, Янин; Рейв, Вольфганг; Феттвейс, Герхард (2016). «Толқынды байланыста икемді гибридті сәулелендіруді жобалауға арналған аналогтық сәулелендіру». Желілер мен коммуникация бойынша 2016 Еуропалық конференция (EuCNC). 94–99 бет. arXiv:1705.04943. дои:10.1109 / EuCNC.2016.7561012. ISBN  978-1-5090-2893-1. S2CID  16543120.
  7. ^ Раджашекар, Ракшит; Hanzo, Lajos (2016). «Ақырғы алфавиті бар мм-толқындық MIMO жүйелеріндегі гибридті сәулелену» (PDF). Байланыс бойынша IEEE транзакциялары. 64 (8): 3337–3349. дои:10.1109 / TCOMM.2016.2580671. S2CID  31658730.

Жалпы

Сыртқы сілтемелер