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工业无线

曾益科技提供波束成形解决方案

  2020年12月16日  

文章来源:恩艾NI知道 微信公众号

什么是波束成形?

  由于无线电波是肉眼不可见的,我们以光源为例。单个灯泡的光源是发散的,会向四周照射,而手电筒的光源是具有方向性的,可以照亮指定的位置。同样,无线电波也可以实现如同手电筒一样的指定方向的波束,定向地传输无线信号。

图1 光源和波束

如何实现波束成形?

  使用由多个天线阵元组成的阵列同时发送无线电波,使无线电波汇聚成一束波束。通过特定的方式调整每个天线阵元的幅值和相位,就可有实现波束方向的调整。

图2 天线阵元和波束

波束成形方式

  模拟波束成形
  模拟波束成形只有一路数字通道,使用功分器将一路数字通道分成多路,每一路通过模拟移相器连接到独立的天线。通过调整每一路模拟移相器的相位,实现波束成形。由于相位调整是通过数字通道后端的模拟移相器实现的,所以称这种方式为模拟波束成形。

  数字波束成形
  数字波束成形具有多路数字通道,通过调整每一路数字通道的相位,实现波束成形。每个天线单元均连接到独立的数字通道,与模拟波束成形不同,数字波束成形可以产生多个波束。由于相位调整是通过数字通道直接实现的,所以称这种方式为数字波束成形。

  混合波束成形
  混合波束成形是模拟波束成形和数字波束成形的结合,既有多路数字通道,又有多路模拟移相器。

  模拟波束成形具有高性价比,可以实现Massive MIMO系统;数字波束成形具有高灵活性,可以产生多个不同信息的波束。模拟波束成形和混合波束成形通常用于数字通道成本较高的场景,如毫米波频段;在Sub 6G频段,模拟波束成形、数字波束成形和混合波束成形均有广泛应用。

图3 三种波束成形方式

波束成形的应用

  5G基站、下一代WiFi,智能无线充电、车联网、智能驾驶、使用MIMO天线的5G手机等等,这些应用均依赖于波束成形。

图4 波束成形的应用

  例如,车联网需要车辆之间相互感知并建立实时通信,在通信中分享车辆的传感器信息,其中的关键技术就是建立低延迟高稳定的实时通信,并且车辆之间的通信互不干扰,波束成形便是实现这一关键技术的有效途径。

图5 波束成形在车联网中的应用

  两辆车相对移动的过程中,通过波束成形,实时调整波束的角度,实现两辆车的通信波束实时对准(即波束追踪)。目前,业界提出了多种波束追踪算法,如何去验证这些算法?是摆在用户面前的难题。

波束成形解决方案

  曾益科技提供的波束成形解决方案为用户提供了灵活的硬件和软件,可以帮助用户快速的验证算法,进行算法的反复迭代和优化,使产品可以早日面向市场,在激烈的市场竞争中获得先机。

  波束成形解决方案包含数字/模拟通道、数字/模拟天线、上位机/FPGA软件,用户可以根据自己的实际需求,灵活的选择通道、天线、软件,实现模拟、数字、混合波束成形。

图6 64阵元模拟相控阵天线

  曾益科技提供上位机/FPGA软件用于修改波束的角度,包括水平角度和垂直角度。用户可以在上位机验证波束成形算法的逻辑,在FPGA验证波束成形算法的实时性,最终通过FPGA实现波束的高速实时切换。

图7 模拟相控阵天线的上位机软件

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