Cos'è la Beamforming Ibrida?

Il beamforming è un metodo di trasmissione importante che coinvolge l'uso di array di antenne in un sistema wireless per trasmettere energia elettromagnetica lungo una direzione specifica. Sempre più sistemi wireless stanno espandendo la loro capacità di gestire multipli utenti (o bersagli) con il beamforming e MIMO. Questo è già utilizzato in radar, WiFi e nei più recenti sistemi di comunicazione ad alta larghezza di banda (5G). Per il progettista di sistemi, è importante comprendere i requisiti di layout per gli array di antenne in questi sistemi, che sono correlati ai metodi di beamforming utilizzati nei sistemi RF.

Quando si parla di beamforming, può esserci una certa confusione riguardo a una distinzione da MIMO, e i due vengono talvolta descritti come non correlati tra loro. Questo è vero solo in un caso speciale, ma in generale il MIMO multi-utente (MU-MIMO) richiede il beamforming per indirizzare un segnale modulato a multipli bersagli.

In questo articolo, esamineremo l'implementazione del beamforming in un metodo avanzato che combina tecniche analogiche e digitali, noto come beamforming ibrido. Questo metodo mescola tecniche digitali e analogiche per creare multipli fasci e quindi raggiungere multipli utenti con intensità variabili. Nel caso di un sistema di imaging RF o di un sistema radar, il beamforming ibrido in una tecnica MIMO permette anche il tracciamento di multipli bersagli con risoluzione regolabile.

Panoramica sul Beamforming Ibrido

Prima di esaminare la metodologia di progettazione del sistema per il beamforming ibrido, penso che sia importante una breve panoramica dei metodi di beamforming analogico e digitale. Il beamforming è una tecnica per ingegnerizzare la distribuzione delle emissioni da un'antenna in modo tale che l'energia elettromagnetica sia diretta lungo un percorso o un angolo specifico.

La struttura chiave necessaria per eseguire il beamforming è un array di antenne, o un gruppo di antenne regolarmente spaziate in due dimensioni. Controllando le fasi relative e le ampiezze dei segnali inviati all'array di fase, è possibile controllare la direzione del fascio emesso. Il numero di fasci possibili che possono essere emessi può essere ulteriormente raddoppiato sfruttando la polarizzazione, o emettendo radiazioni elettromagnetiche solo in una direzione da ciascun emettitore nell'array.

Beamforming Analogico

Il beamforming analogico opera inviando un segnale a più antenne in un array di antenne. I segnali inviati a ciascuna antenna sono ritardati di una specifica finestra temporale, che applica una differenza di fase all'emissione emessa da ciascuna antenna nell'array. Questi array di antenne sono meglio conosciuti come array di fase, e questa applicazione della differenza di fase è storicamente stata il metodo dominante per il beamforming nei sistemi RF.

In questo metodo, inseriamo un singolo segnale (possibilmente modulato) nell'array di antenne; questo segnale viene spostato di fase da un trasmettitore-ricevitore prima di raggiungere ciascuna antenna. La distanza tra le antenne determinerà la direzione del fascio e l'intensità dei lobi laterali. L'aumento di guadagno ideale sarà log(N), dove N è il numero di antenne nell'array. Infine, la distribuzione dell'intensità lungo una dimensione (mostrata di seguito) è un caso di diffrazione da più emettitori.

Questi array possono essere scanditi regolando le fasi. Per l'array 2D, puoi progettare il campo visivo in modo tale che l'angolo di scansione massimo in direzione verticale dipenda dai seguenti fattori:

• La lunghezza d'onda di emissione (nello spazio libero)
• La dimensione dell'elemento radiante (dimensione verticale nell'esempio sopra)
• La distanza tra gli elementi radianti (distanza verticale nell'esempio sopra)

La stessa idea si applica in direzione orizzontale. Ora avresti due direzioni di scansione ortogonali, e queste possono avere risoluzioni diverse a seconda della dimensione, del numero e della densità degli elementi dell'antenna radiante. Esaminerò questo argomento più a fondo in un articolo futuro poiché è un tema importante in alcune aree cruciali della progettazione RF.

Formazione del fascio digitale

La formazione del fascio digitale adotta un approccio diverso ed è molto meno intuitivo. Nella formazione del fascio digitale, vengono inviati all'array di antenne più segnali modulati, e le fasi e le ampiezze dei segnali inviati all'array vengono combinate per produrre il modello di fascio desiderato. Il caso più basilare utilizza un singolo flusso di dati in ingresso (come i punti della costellazione QAM) inviato a più antenne, e le ampiezze vengono combinate per produrre il modello di emissione desiderato.

La formazione del fascio digitale è in realtà un caso speciale di un tipo di trasmissione più avanzato chiamato precodifica. Il modello di fascio può essere definito come una somma di prodotti di un'onda portante e una funzione di distribuzione spaziale (Y). La relazione tra il segnale emesso da ciascun elemento (y) e il segnale di ingresso a ciascun elemento (x) è definita in una matrice di precodifica come mostrato di seguito:

Il punto chiave qui è determinare la matrice di precodifica definita sopra. Questo comporta lavorare a ritroso dal modello di emissione desiderato (l'insieme delle funzioni di y) e risolvere un sistema di equazioni per gli N elementi radianti. Questo può essere fatto in software o in un controllore di sistema (FPGA). L'emissione può quindi produrre più fasci dallo stesso array in direzioni diverse e/o in finestre temporali diverse.

Il problema della finestra temporale (essenzialmente la multiplexazione a divisione di tempo) non è adatto per qualcosa come il 5G con MU-MIMO, dove viene utilizzata la multiplexazione a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) per consentire la trasmissione di sottotraccianti ortogonali modulati indipendentemente. Inoltre, il beamforming viene utilizzato per abilitare la multiplexazione spaziale all'interno dell'array, che è essenziale per raggiungere più utenti.

Beamforming Ibrido (Digitale + Analogico)

Ora penso che possiamo esaminare più da vicino il beamforming ibrido. Nel beamforming ibrido, stiamo combinando il beamforming digitale con quello analogico utilizzando sottogruppi. Prima, pensiamo a come funziona questo con un insieme di flussi di dati in ingresso (x).

1. L'insieme di flussi di dati in ingresso viene prima precodificato come nel beamforming digitale.
2. Invece di inviare direttamente il flusso all'intero array, i flussi precodificati vengono inviati a singoli beamformer analogici, o sottogruppi.
3. Il flusso inviato a ciascun sottogruppo viene poi spostato di fase per produrre un fascio solo da quel sottogruppo, che è diretto all'utente finale.

Questo segue la descrizione delineata nello schema a blocchi qui sotto.

Dall'immagine sopra, spero sia chiaro cosa accade in ogni antenna. Le antenne utilizzano il precoding per definire una sovrapposizione tra più fasci per diversi flussi di dati al fine di ottenere il multiplexing spaziale. Finché tutti gli elementi nella matrice di precoding sono non-zero e complessi, allora tutti i segnali vengono inviati a tutte le antenne, ma con combinazioni di ampiezza/fase mescolate per ogni flusso di input. Il risultato è la formazione del fascio desiderata per ogni flusso di dati in ingresso.

Questo è il modo in cui è possibile ottenere una maggiore velocità di trasmissione con un sistema RF che deve trasmettere a più bersagli; è possibile trasmettere su più portanti ortogonali nella stessa finestra temporale utilizzando la formazione del fascio per imporre il multiplexing spaziale. Con qualcosa come il sensing mmWave, è quindi possibile trasmettere più fasci e tracciare più bersagli, oppure è possibile semplicemente costruire una nuvola di punti estremamente densa senza le complicazioni di un sistema ottico come il lidar.

Dove viene posizionato tutto su un PCB?

A un certo punto, le antenne nell'array dovranno essere posizionate su un PCB e collegate al controller di sistema/tranceiver.

Per quanto riguarda la struttura in un layout di PCB, potresti pensare che sia necessario separare ogni sottogruppo analogico in una regione diversa del PCB. Questo non è necessariamente il caso, ma farlo in questo modo potrebbe rendere il posizionamento e il routing molto più semplici. Questo perché l'unità di controllo del formatore di fascio analogico deve impostare una fase definita solo tra le antenne nel sottogruppo, piuttosto che tra tutte le antenne ovunque. È anche difficile collocare tutti i trasmettitori e i controllori digitali nello stesso posto; spaziarli in diversi sottogruppi è molto più semplice.

Per capire cosa intendo, guarda l'immagine qui sotto con un sistema puramente analogico. È necessario un oscillatore di sistema per sincronizzare tutti gli elementi trasmettitori nel sistema, e ogni trasmettitore può quindi applicare la fase richiesta nella propria sezione dell'array. Il problema sorge nella necessità di applicare l'accordatura di lunghezza su tutti gli elementi trasmettitori.

Alla fine, ciò richiede un numero eccessivo di strati con impedenza controllata per raggiungere ogni trasmettitore mantenendo la fase di temporizzazione in tutto il sistema. Man mano che l'array si espande, potrebbe essere necessario posizionare i chip di controllo sul retro, il che richiederà che le linee di alimentazione siano portate alle antenne con delle vie.

Con un approccio di beamforming ibrido, il controller principale del sistema sincronizza più elementi ADC/DAC + PA con un'interfaccia digitale veloce e un orologio incorporato (come JESD204C). Questo significa che avrai una minore dipendenza dalla sincronizzazione di un oscillatore RF in tutto il tuo sistema, poiché ciò sarà necessario solo all'interno dei sottoarray.

Oltre a questi punti di posizionamento e tracciamento, assicurati di seguire alcune delle migliori pratiche standard di progettazione di PCB RF per il design dello stackup, il design delle linee di trasmissione e il design delle vie. Il punto sul design delle vie è molto importante perché posizionare tutte le antenne può occupare molto spazio, quindi i trasmettitori potrebbero dover essere posizionati sul lato posteriore del circuito con il routing digitale su strati interni.

• Impara i fondamenti del design dello stackup di PCB RF ibrido
• Scopri di più sul design delle linee di trasmissione ad alta frequenza
• Scopri di più sulla progettazione della catena di segnale per i sistemi RF

Considerazioni Finali

Il beamforming analogico può diventare rapidamente non scalabile quando applicato su grandi array. Per i sistemi MIMO di dimensioni ridotte, possibilmente con più trasmettitori, la sincronizzazione a livello di sistema che deve essere imposta nel beamforming analogico può essere molto difficile. Il problema è la necessità di estendere l'oscillatore principale del sistema attraverso gli elementi del trasmettitore in modo che l'emissione dall'array sia sincronizzata ovunque.

Potresti pensare "ehi, non progetto attrezzature per stazioni base 5G, quindi perché dovrei conoscere queste informazioni?" Queste tecniche con il beamforming vanno oltre il 5G e sono utilizzate in altre importanti aree di applicazione:

• Radar a schiera di fase
• Nuovi sistemi di rilevamento mmWave, specificamente in ADAS
• Imaging ad ultrasuoni
• Standard IEEE 802.11 (specificamente WiFi 5 e successivi)
• Sonar

I progetti a schiera di fase si basano su più di sole antenne. Dovrai capire dove posizionare e instradare i segnali per garantire che le fasi e le ampiezze degli emettitori abbiano i valori che intendi su tutta la matrice. Per le applicazioni elettromagnetiche, le antenne a schiera di fase possono essere facilmente posizionate in un layout PCB come poligoni, ma fai attenzione alle sfide di posizionamento e instradamento sopra descritte.

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