Was ist Hybrid-Beamforming?

Beamforming ist eine wichtige Übertragungsmethode, die den Einsatz von Antennenarrays in einem drahtlosen System zur Übertragung elektromagnetischer Energie in eine spezifische Richtung beinhaltet. Mehr drahtlose Systeme erweitern ihre Fähigkeit, mit Beamforming und MIMO mehrere Benutzer (oder Ziele) zu bedienen. Dies wird bereits in Radar, WiFi und in neueren Hochbandbreiten-Kommunikationssystemen (5G) verwendet. Für den Systemdesigner ist es wichtig, die Layoutanforderungen für die Antennenarrays in diesen Systemen zu verstehen, die mit den in RF-Systemen verwendeten Beamforming-Methoden zusammenhängen.

Wenn es um Beamforming geht, kann es einige Verwirrung darüber geben, ob es sich von MIMO unterscheidet, und die beiden werden manchmal als nicht miteinander verbunden dargestellt. Dies ist nur in einem speziellen Fall wahr, aber im Allgemeinen erfordert Multi-User MIMO (MU-MIMO) Beamforming, um ein moduliertes Signal an mehrere Ziele zu richten.

In diesem Artikel werden wir uns die Implementierung von Beamforming in einer fortgeschrittenen Methode ansehen, die analoge und digitale Techniken kombiniert, bekannt als Hybrid-Beamforming. Diese Methode kombiniert digitale und analoge Techniken, um mehrere Strahlen zu erzeugen und somit mehrere Benutzer mit unterschiedlichen Intensitäten zu erreichen. Im Fall eines RF-Bildgebungssystems oder eines Radarsystems ermöglicht Hybrid-Beamforming in einer MIMO-Technik auch das Verfolgen mehrerer Ziele mit einstellbarer Auflösung.

Überblick über Hybrid-Beamforming

Bevor wir uns mit der Systemdesignmethodik für hybrides Beamforming beschäftigen, halte ich einen kurzen Überblick über analoge und digitale Beamforming-Methoden für wichtig. Beamforming ist eine Technik, um die Emissionsverteilung von einer Antenne so zu gestalten, dass elektromagnetische Energie entlang eines spezifischen Pfades oder Winkels gerichtet wird.

Die Schlüsselstruktur, die für Beamforming benötigt wird, ist ein Antennenarray oder eine regelmäßig angeordnete Gruppe von Antennen in zwei Dimensionen. Indem man die relativen Phasen und Amplituden der Signale, die an das Phased Array gesendet werden, steuert, kann man die Richtung des ausgesendeten Strahls kontrollieren. Die Anzahl der möglichen Strahlen, die ausgesendet werden können, kann weiter verdoppelt werden, indem man die Polarisation ausnutzt oder indem man elektromagnetische Strahlung nur in eine Richtung von jedem Emitter im Array aussendet.

Analoges Beamforming

Analoges Beamforming funktioniert, indem ein Signal an mehrere Antennen in einem Antennenarray gesendet wird. Die an jede Antenne gesendeten Signale werden um ein spezifisches Zeitfenster verzögert, was eine Phasendifferenz bei der Emission bewirkt, die von jeder Antenne im Array ausgesendet wird. Diese Antennenarrays sind besser bekannt als Phased Arrays, und diese Anwendung der Phasendifferenz war historisch gesehen die dominante Methode für Beamforming in RF-Systemen.

Bei dieser Methode geben wir ein einzelnes Signal (möglicherweise moduliert) in das Antennenarray ein; dieses Signal wird von einem Transceiver phasenverschoben, bevor es jede Antenne erreicht. Der Abstand zwischen den Antennen bestimmt die Strahlrichtung und die Intensität der Seitenkeulen. Der ideale Verstärkungszuwachs wird log(N) sein, wobei N die Anzahl der Antennen im Array ist. Schließlich ist die Intensitätsverteilung entlang einer Dimension (unten gezeigt) ein Fall von Beugung durch mehrere Emitter.

Diese Arrays können durch Anpassen der Phasen gescannt werden. Für das 2D-Array können Sie das Sichtfeld so gestalten, dass der maximale Scanwinkel in vertikaler Richtung von den folgenden Faktoren abhängt:

• Die Emissionswellenlänge (im freien Raum)
• Die Größe des strahlenden Elements (vertikale Größe im obigen Beispiel)
• Der Abstand zwischen strahlenden Elementen (vertikaler Abstand im obigen Beispiel)

Die gleiche Idee gilt in horizontaler Richtung. Sie hätten jetzt zwei orthogonale Scanrichtungen, und diese können je nach Größe, Anzahl und Dichte der strahlenden Antennenelemente unterschiedliche Auflösungen haben. Ich werde dies in einem kommenden Artikel viel tiefer betrachten, da es ein wichtiges Thema in einigen wichtigen Bereichen des HF-Designs ist.

Digitale Strahlformung

Digitale Strahlformung geht einen anderen Weg und ist viel weniger intuitiv. Bei der digitalen Strahlformung werden mehrere modulierte Signale an das Antennenarray gesendet, und die Phasen und Amplituden der an das Array gesendeten Signale werden kombiniert, um das gewünschte Strahlmuster zu erzeugen. Der einfachste Fall verwendet einen einzelnen Eingabedatenstrom (wie QAM-Konstellationspunkte), der an mehrere Antennen gesendet wird, und die Amplituden werden kombiniert, um das gewünschte Emissionsmuster zu erzeugen.

Digitale Strahlformung ist eigentlich ein Spezialfall einer fortgeschritteneren Art der Übertragung, die als Vorkodierung bezeichnet wird. Das Strahlmuster kann als Summe von Produkten einer Trägerwelle und einer räumlichen Verteilungsfunktion (Y) definiert werden. Die Beziehung zwischen dem von jedem Element ausgesendeten Signal (y) und dem an jedes Element eingespeisten Signal (x) wird in einer Vorkodierungsmatrix wie unten gezeigt definiert:

Der Schlüssel hierbei ist, die oben definierte Vorkodierungsmatrix zu bestimmen. Dies beinhaltet, rückwärts vom gewünschten Emissionsmuster (der Satz von y-Funktionen) zu arbeiten und ein System von Gleichungen für die N strahlenden Elemente zu lösen. Dies kann in Software oder in einem Systemcontroller (FPGA) erfolgen. Die Emission kann dann mehrere Strahlen aus demselben Array in verschiedene Richtungen und/oder in verschiedenen Zeitfenstern erzeugen.

Das Problem der Zeitfensterung (im Wesentlichen Zeitmultiplex) ist für etwas wie 5G mit MU-MIMO nicht geeignet, wo orthogonale Frequenzmultiplex (OFDM) verwendet wird, um die Übertragung von unabhängig modulierten orthogonalen Unterträgern zu ermöglichen. Zusätzlich wird Beamforming eingesetzt, um räumliches Multiplexing innerhalb des Arrays zu ermöglichen, was für die Erreichung mehrerer Nutzer wesentlich ist.

Hybrides (Digital + Analog) Beamforming

Nun denke ich, dass wir uns näher mit dem hybriden Beamforming beschäftigen können. Beim hybriden Beamforming kombinieren wir digitales Beamforming mit analogem Beamforming unter Verwendung von Subarrays. Zuerst sollten wir darüber nachdenken, wie dies mit einem Satz von Eingabedatenströmen (x) funktioniert.

1. Der Satz von Eingabedatenströmen wird zunächst wie beim digitalen Beamforming vorkodiert.
2. Anstatt den Strom direkt an das gesamte Array auszugeben, werden die vorkodierten Ströme an einzelne analoge Beamformer oder Sub-Arrays gesendet.
3. Der an jedes Sub-Array gesendete Strom wird dann phasenverschoben, um nur von diesem Sub-Array einen Strahl zu erzeugen, der auf den Endnutzer gerichtet ist.

Dies folgt der Beschreibung, die im folgenden Blockdiagramm dargestellt ist.

Aus dem obigen Bild hoffe ich, dass klar ist, was bei jeder Antenne passiert. Die Antennen verwenden Precoding, um eine Überlagerung unter mehreren Strahlen für mehrere Datenströme zu definieren, um räumliches Multiplexing zu erreichen. Solange alle Elemente in der Precoding-Matrix nicht null und komplex sind, werden alle Signale an alle Antennen gesendet, jedoch mit gemischten Amplituden-/Phasenkombinationen für jeden Eingangsstrom. Das Ergebnis ist das gewünschte Beamforming für jeden Eingangsdatenstrom.

So können Sie einen höheren Durchsatz mit einem RF-System erzielen, das an mehrere Ziele senden muss; Sie können gleichzeitig auf mehreren orthogonalen Trägern senden, während Sie Beamforming verwenden, um räumliches Multiplexing durchzusetzen. Mit etwas wie mmWave-Sensing können Sie dann mehrere Strahlen senden und mehrere Ziele verfolgen, oder Sie können einfach eine extrem dichte Punktwolke aufbauen, ohne die Komplikationen eines optischen Systems wie Lidar.

Wo wird alles auf einer PCB platziert?

Irgendwann müssen die Antennen im Array auf einer PCB platziert und mit dem Systemcontroller/Transceivern verbunden werden.

In Bezug auf die Struktur eines PCB-Layouts könnte man denken, dass man jede analoge Teilanordnung in einen anderen Bereich der Leiterplatte trennen muss. Das ist jedoch nicht unbedingt notwendig, aber es auf diese Weise zu tun, könnte die Platzierung und Verdrahtung erheblich erleichtern. Dies liegt daran, dass die Steuereinheit des analogen Strahlformers eine bestimmte Phase nur zwischen den Antennen in der Teilanordnung und nicht zwischen allen Antennen überall einstellen muss. Es ist auch schwierig, alle Transceiver und die digitalen Steuerungen am selben Ort zu platzieren; sie in verschiedene Teilanordnungen aufzuteilen, ist viel einfacher.

Um zu verstehen, was ich meine, werfen Sie einen Blick auf das Bild unten mit einem rein analogen System. Ein Systemoszillator wird benötigt, um alle Transceiver-Elemente im System zu synchronisieren, und jeder Transceiver kann dann die erforderliche Phase über seinen eigenen Abschnitt des Arrays anwenden. Das Problem entsteht bei der Notwendigkeit, die Längenanpassung über alle Transceiver-Elemente hinweg anzuwenden.

Letztendlich erfordert dies eine übermäßige Anzahl von Schichten mit kontrollierter Impedanz, um jeden Transceiver zu erreichen und dabei die Timing-Phase im gesamten System aufrechtzuerhalten. Wenn das Array skaliert, müssen Sie möglicherweise die Steuerchips auf der Rückseite platzieren, was erfordert, dass die Speiseleitungen mit Vias zu den Antennen geführt werden.

Mit einem hybriden Beamforming-Ansatz synchronisiert der Hauptsystemcontroller über mehrere ADC/DAC + PA-Elemente mit einer schnellen digitalen Schnittstelle und einer eingebetteten Uhr (wie JESD204C). Das bedeutet, dass Sie weniger abhängig von der Synchronisierung eines RF-Oszillators über Ihr gesamtes System sein werden, da dies nur innerhalb der Subarrays erforderlich sein wird.

Abgesehen von diesen Platzierungs- und Routingpunkten, stellen Sie sicher, dass Sie einige der Standard-Best Practices für das Design von RF-PCBs bezüglich Stackup-Design, Design von Übertragungsleitungen und Via-Design befolgen. Der Punkt über das Via-Design ist sehr wichtig, denn das Platzieren aller Antennen kann enorm viel Platz beanspruchen, sodass Transceiver möglicherweise auf der Rückseite der Platine platziert werden müssen, mit digitaler Verdrahtung auf internen Lagen.

• Erfahren Sie die Grundlagen des hybriden RF-PCB-Stackup-Designs
• Erfahren Sie mehr über das Design von Hochfrequenz-Übertragungsleitungen
• Erfahren Sie mehr über das Design der Signalverarbeitungskette für RF-Systeme

Abschließende Gedanken

Analoges Beamforming kann schnell unskalierbar werden, wenn es auf große Arrays angewendet wird. Bei MIMO-Systemen mit kleinerem Fußabdruck, möglicherweise mit mehreren Transceivern, kann die systemweite Synchronisierung, die im analogen Beamforming durchgesetzt werden muss, sehr schwierig sein. Das Problem ist die Notwendigkeit, den Hauptoszillator des Systems über die Transceiver-Elemente zu spannen, so dass die Emission aus dem Array überall synchronisiert ist.

Sie denken vielleicht: „Hey, ich entwerfe keine 5G-Basisstationsausrüstung, also warum muss ich das wissen?“ Diese Techniken mit Beamforming gehen über 5G hinaus und werden in anderen wichtigen Anwendungsbereichen eingesetzt:

• Phased-Array-Radare
• Neue mmWave-Sensorsysteme, speziell in ADAS
• Ultraschallbildgebung
• IEEE 802.11 Standards (speziell WiFi 5 und später)
• Sonar

Phased-Array-Designs basieren auf mehr als nur Antennen. Sie müssen verstehen, wo Signale platziert und geführt werden müssen, um sicherzustellen, dass Phasen und Amplituden von Sendern die von Ihnen beabsichtigten Werte über das gesamte Array hinweg haben. Für elektromagnetische Anwendungen können Phased-Array-Antennen leicht als Polygone in einem PCB-Layout platziert werden, aber seien Sie sich der oben beschriebenen Platzierungs- und Routing-Herausforderungen bewusst.

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