Кіріспе
Бағытталған сигнал беру немесе қабылдау үшін сенсорлық массивтерде қолданылатын сигналды өңдеу техникасы. Сәуле пішіндеу немесе кеңістіктік сүзгілеу – бағытталған сигнал беру немесе қабылдау үшін сенсорлық массивтерде қолданылатын сигналды өңдеу техникасы. Бұл антенна массиві элементтерін осылай біріктіру арқылы жүзеге асырылады: белгілі бір бұрыштардағы сигналдар күшейе түседі (конструктивті интерференция), ал қалғандары әлсірейді (деструктивті интерференция). Сәуле пішіндеуді сигналды кеңістікте таңдау үшін тарату және қабылдау кезінде қолдануға болады. Барлық бағыттағы тарату/қабылдаумен салыстырғандағы жақсарту массивтің бағыттылығы деп аталады. Сәуле пішіндеу радио толқындарымен де, дыбыс толқындарымен де қолданылуы мүмкін. Ол радар, сонар, сейсмология, сымсыз байланыс, радиоастрономия, акустика және биомедицина салаларында кеңінен қолданылады. Адаптивті сәуле пішіндеу сенсорлық массивтің шығысындағы қажетті сигналды анықтау және бағалау үшін оптималды (мысалы, ең кіші квадраттар әдісімен) кеңістіктік сүзгілеу және кедергілерді жою мақсатында қолданылады.
Beamforming or spatial filtering is a signal processing technique used in sensor arrays for directional signal transmission or reception. This is achieved by combining elements in an antenna array in such a way that signals at particular angles experience constructive interference while others experience destructive interference. Beamforming can be used at both the transmitting and receiving ends in order to achieve spatial selectivity. The improvement compared with omnidirectional reception/transmission is known as the directivity of the array. Beamforming can be used for radio or sound waves. It has found numerous applications in radar, sonar, seismology, wireless communications, radio astronomy, acoustics and biomedicine. Adaptive beamforming is used to detect and estimate the signal of interest at the output of a sensor array by means of optimal (e. g. least squares) spatial filtering and interference rejection.
Сонарлық сәуле қалыптастыру талаптары
Сонарлық сәуле қалыптастыру электромагниттік сәуле қалыптастыруға ұқсас техниканы пайдаланады, бірақ іске асыру егжей-тегжейлі түрде айырмашылықтарға ие. Сонар қолданыстары 1 Гц-тен 2 МГц-ге дейін өзгереді, ал массив элементтері аз да, үлкен де болуы мүмкін, немесе жүздеген, бірақ өте кішкентай болуы мүмкін. Бұл сонарлық сәуле қалыптастыруды жобалаудағы күш-жігерді "алдыңғы бөлік" (трансдьюсерлер, алдын ала күшейткіштер және цифрландырғыштар) сияқты жүйе компоненттерінің талаптары мен сәуле қалыптастыру есептеу аппараттық құралдарының талаптары арасында елеулі түрде өзгертеді. Жоғары жиілікті, фокустаулы сәулелі, көп элементті бейнелеу іздеу сонарлары және акустикалық камералар көбінесе бесінші реттік кеңістіктік өңдеуді жүзеге асырады, бұл процессорларға Aegis радарының талаптарымен тең жүктемелерді жүктейді. Көптеген сонар жүйелері, мысалы, торпедаларда, 100 элементке дейін жететін массивтерден тұрады, олар 100 градус көріс бұрышында сәулені басқаруға және белсенді және пассивті режимдерде жұмыс істеуге тиіс. Сонар массивтері 1, 2 және 3 өлшемді массивтерде белсенді және пассивті түрде қолданылады. 1 өлшемді "сызықтық" массивтер әдетте кемелердің артынан сүйретілетін көп элементті пассивті жүйелерде және бір немесе көп элементті жақтан сканерлеу сонарында кездеседі. 2 өлшемді "жазық" массивтер кеме корпусына орнатылған активті/пассивті сонарларда және кейбір жақтан сканерлеу сонарында кең таралған. 3 өлшемді шар және цилиндрлік массивтер қазіргі заманғы су асты кемелері мен кемелердегі 'сонарлық дөңгелектерде' қолданылады. Сонар радардан соның арқасында ерекшеленеді, кейбір қолданыстарда, мысалы, кең аумақты іздеуде, барлық бағыттарды бір уақытта тыңдау және кейбір жағдайларда бір мезгілде сигнал беру қажет. Осылайша, көп сәулелі жүйе қажет болады. Тар жолақты сонар қабылдағышында әрбір сәуленің фазаларын сигналды өңдеу бағдарламалық құралымен толығымен басқаруға болады, бұл қазіргі радиолокациялық жүйелерге қарағанда бір уақытта бір бағытта "тыңдау" үшін аппаратты пайдаланудан өзгеше. Сонар сонымен қатар, электромагниттік сәулеленумен салыстырғанда дыбыстың таралу жылдамдығының айтарлықтай төмендігіне байланысты маңызды мәселені шешу үшін сәуле қалыптастыруды қолданады. Жақтан қарау сонарында, сонарды тасымалдайтын жүйе немесе көлік құралының жылдамдығы сонарды қайта оралатын дыбыс "сигналының" өрісінен шығаруға жеткілікті болуы керек. Қабылдауды жақсартуға бағытталған алгоритмдерден басқа, көптеген жақтан сканерлеу сонарында бір жақты сәуле жіберумен қабылдамайтын кіріс импульстарын "ұстап алу" үшін алға және артқа сәуле бағыттау қолданылады.
Схемалар
Кәдімгі сәуле құрастырғыш жай сәуле құрастырғыш ретінде де белгілі, сондай-ақ кідіріс және жиынтық сәуле құрастырғыш деп аталады. Антенна элементтерінің барлық салмақтары бірдей мәнге ие болуы мүмкін. Сәуле құрастырғыш белгілі бір бағытқа тек әрбір антенна үшін тиісті фазаларды таңдау арқылы бағытталады. Егер шу корреляцияланбаған болса және бағытталған кедергілер болмаса, қуаты сигналын қабылдайтын антеннасы бар сәуле құрастырғыштың сигнал-шу қатынасы (мұнда шу дисперсиясы немесе шу қуаты): Нөлдік бағыттағы сәуле құрастырғыш бір немесе бірнеше кедергілер бағытында нөлдік жауап беру үшін оңтайландырылған. Жиілік доменді сәуле құрастырғыш әрбір жиілік интервалын тар жолақты сигнал ретінде қарастырады, онда сүзгілер күрделі коэффициенттер (яғни, күшейту және фазалық ығысулар) болып табылады, олар әр жиілік үшін жеке-жеке оңтайландырылады.
A null steering beamformer is optimized to have zero response in the direction of one or more interferers. A frequency domain beamformer treats each frequency bin as a narrowband signal, for which the filters are complex coefficients (that is, gains and phase shifts), separately optimized for each frequency.
Эволюцияланған сәуле құрастырғышы
Созылыс және жиынтық сәуле түзу техникасы дыбыс көздерін орналастыру үшін бірнеше микрофонды қолданады. Бұл техниканың бір кемшілігі – микрофондардың орналасуын немесе санын өзгерту сәуле түзгіштің өнімділігін сызықты емес түрде өзгертеді. Сонымен қатар, мүмкін болатын комбинациялардың көптігіне байланысты, ең жақсы конфигурацияны табу есептеу жағынан қиынға соғады. Бұл мәселені шешудің бір жолы – генетикалық алгоритмдерді пайдалану. Мұндай алгоритм әрбір бағытталған бағыт үшін ең жоғары сигнал-шу қатынасын қамтамасыз ететін микрофондық тізімнің конфигурациясын іздейді. Эксперименттер көрсеткендей, мұндай алгоритм күндердің орнына секундтар ішінде шамамен 33 миллион шешімді қамтитын шектеулі іздеу кеңістігіндегі ең жақсы конфигурацияны таба алады.
Цифрлық, аналогты және гибридті
Қабылдау (бірақ жіберу емес) үшін аналогты және цифрлық сәуле қалыптастыру арасында айырмашылық бар. Мысалы, егер 100 сенсор элементі болса, "цифрлық сәуле қалыптастыру" тәсілі 100 сигналдың әрқайсысы 100 цифрлық дерек ағынын жасау үшін аналогты-цифрлық түрлендіргіш арқылы өтеді. Содан кейін бұл дерек ағындары тиісті масштаб факторларымен немесе фазалық ығысулармен цифрлық түрде қосылып, біріктірілген сигналдар алынады. Ал "аналогты сәуле қалыптастыру" тәсілі 100 аналогты сигналды алып, аналогты әдістерді қолдану арқылы масштабтау немесе фазалық ығысу жасайды, оларды қосады, содан кейін әдетте бір шығыс дерек ағынын цифрлайды. Цифрлық сәуле қалыптастырудың артықшылығы – цифрлық дерек ағындарын (осы мысалда 100) параллель түрде көптеген мүмкін жолдармен өңдеуге және біріктіруге болады, соның нәтижесінде көптеген параллель шығыс сигналдарын алуға болады. Барлық бағыттардан келетін сигналдарды бір уақытта өлшеуге болады, ал алыс объектілерді зерттеу үшін сигналдарды ұзақ уақыт бойы интеграциялауға болады, ал жылдам қозғалатын жақын объектілерді зерттеу үшін қысқа уақыт ішінде интеграциялауға болады, және т.б. Бұл аналогты сәуле қалыптастыру үшін тиімді түрде істелмейді, себебі әр параллель сигнал комбинациясы үшін жеке схема қажет, сонымен қатар цифрлық деректерді мінсіз көшіруге болады, ал аналогты деректерді көшіру мүмкін емес. (Аналогты қуаттың шегі бар, ал күшейту шуды арттырады.) Сондықтан, егер алынған аналогты сигнал бөлініп, көптеген сигнал комбинациясы схемаларына жіберілсе, ол әрқайсысының сигнал-шу қатынасын төмендетуі мүмкін. Көп антенналы MIMO байланыс жүйелерінде, яғни үлкен MIMO жүйелерінде, цифрлық базалық диапазонды орындалатын сәуле қалыптастыру алгоритмдері өте күрделі болуы мүмкін. Сонымен қатар, егер барлық сәуле қалыптастыру базалық диапазонды орындалса, әр антеннаға жеке RF қорегі қажет. Жоғары жиіліктерде және көп антенна элементтері болғанда, бұл өте қымбатқа түсуі мүмкін және жүйедегі шығын мен күрделілікті арттырады. Осы мәселелерді шешу үшін гибридті сәуле қалыптастыру ұсынылды, онда сәуле қалыптастырудың бір бөлігі аналогты компоненттерді пайдаланып, цифрлық емес, орындалады. Цифрлық базалық диапазонның орнына аналогты компоненттерді пайдаланып орындалатын көптеген әртүрлі функциялар бар. Сәуле қалыптастыру, цифрлық немесе аналогты архитектураны пайдаланып орындалса да, жақында интеграцияланған сенсорлық және байланыс технологияларында қолданылып келеді. Мысалы, сәуле қалыптастырғыш, жетілмеген арналық ақпарат жағдайларында байланыс міндеттерін орындау үшін, сонымен қатар сахнадағы нысаналарды анықтау үшін нысананы сезуге ұсынылды.
Аудио сөйлеу үшін
Бимформинг бөлмедегі дыбыс көздерін, мысалы, коктейль кешіндегі бірнеше сөйлеушілерді анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл үшін сөйлеушілердің орналасуы алдын ала белгілі болуы керек, мысалы, массивтегі микрофондарға көздерден келу уақытын пайдалану және арақашықтықтар бойынша орналасуын анықтау арқылы. Тасымалдағыш толқын телекоммуникациясымен салыстырғанда, табиғи дыбыс әртүрлі жиіліктерді қамтиды. Бимформингті қолдану алдында жиілік жолақтарын бөлу тиімді, себебі әр түрлі жиіліктер үшін әртүрлі оптималды бимформинг сүзгілері қажет (сондай-ақ оларды жеке проблемалар ретінде қарастыруға болады, параллельде өңдеуге және кейін біріктіруге болады). Бұл жолақтарды дұрыс оқшаулау үшін арнайы, стандартты емес сүзгілер жинағы қажет. Керісінше, мысалы, стандартты жылдам Фурье түрлендіруі (FFT) жолақты сүзгілері сигналдағы барлық жиіліктердің дәл гармоникалар деп есептейді; осы гармоникалар арасындағы жиіліктер әдетте FFT-ның барлық арналарын белсендіреді (бұл сәулелік пішіндеу талдауы үшін қолайлы емес). Оның орнына, әр арна тек жергілікті жиіліктерді анықтайтын сүзгілерді жобалауға болады (алғашқы сигналды қайта құру мүмкіндігін сақтай отырып), және мұндай сүзгілер FFT негізінен айырмашылығы ортогональ емес болады.