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ハイブリッド ビームフォーミング ハイブリッド・ビームフォーミングとは何ですか？ ビームフォーミングは、特定の方向に電磁エネルギーを送信するために無線システムでアンテナアレイを使用する重要な放送方法です。より多くの無線システムが、ビームフォーミングとMIMOを使用して複数のユーザー（またはターゲット）を処理する能力を拡大しています。これは既にレーダー、WiFi、および新しい高帯域幅通信システム（5G）で使用されています。システム設計者にとって、これらのシステムのアンテナアレイのレイアウト要件を理解することが重要です。これらは、RFシステムで使用されるビームフォーミング方法に関連しています。 ビームフォーミングに関しては、MIMOとの区別について混乱が生じることがあり、二つは互いに関連していないと述べられることがあります。これは特別な場合にのみ真実ですが、一般的には多ユーザーMIMO（ MU-MIMO）は、複数のターゲットに変調信号を指向するためにビームフォーミングを必要とします。 この記事では、アナログとデジタルの技術を組み合わせた進んだ方法であるハイブリッドビームフォーミングの実装について見ていきます。この方法は、デジタル技術とアナログ技術の両方を組み合わせて複数のビームを作成し、さまざまな強度で複数のユーザーに到達することができます。RFイメージングシステムやレーダーシステムの場合、MIMO技術でのハイブリッドビームフォーミングは、調整可能な解像度で複数のターゲットを追跡することも可能にします。 ハイブリッドビームフォーミング概要 ハイブリッドビームフォーミングのシステム設計方法論を見る前に、アナログおよびデジタルビームフォーミング方法の簡単な概要が重要だと思います。ビームフォーミングは、アンテナからの放射分布を工学的に制御し、電磁エネルギーを特定の経路や角度に沿って指向させる技術です。 ビームフォーミングを実行するために必要な主要な構造は、二次元において規則的に配置されたアンテナ群、つまりアンテナアレイです。 位相アレイに送信される信号の相対的な位相と振幅を制御することで、放射されるビームの方向を制御できます。さらに、偏波を利用するか、アレイ内の各エミッターから一方向にのみ電磁放射を放出することで、放出可能なビームの数を倍増させることができます。 アナログビームフォーミング アナログビームフォーミングは、アンテナアレイ内の複数のアンテナに信号を送信することで動作します。各アンテナに送信される信号は、特定の時間窓によって遅延され、アレイ内の各アンテナから放出される放射に位相差を適用します。これらのアンテナアレイは、位相アレイとしてよりよく知られており、この位相差の適用は、RFシステムにおけるビームフォーミングのための歴史的に支配的な方法でした。 この方法では、単一の信号（場合によっては変調された）をアンテナアレイに入力します。この信号は、各アンテナに到達する前にトランシーバーによって位相がシフトされます。アンテナ間の間隔は、ビームの方向とサイドローブの強度を決定します。理想的なゲインの増加はlog(N)となります。ここで、Nはアレイ内のアンテナの数です。最後に、一次元に沿った強度分布（下記に示す）は、複数の発信器からの回折のケースです。 これらのアレイは、位相を調整することでスキャンすることができます。2Dアレイの場合、最大スキャン角度を垂直方向に設計できます。これは以下の要因に依存します： 放射波長（自由空間内） 放射要素のサイズ（上記の例では垂直サイズ） 放射要素間の距離（上記の例では垂直距離） 同じ考え方が水平方向にも適用されます。これで、2つの直交するスキャン方向があり、これらは放射アンテナ要素のサイズ、数、密度に応じて異なる解像度を持つことができます。RF設計のいくつかの重要な領域で重要なトピックであるため、このトピックについては次の記事でより深く見ていきます。 デジタルビームフォーミング デジタルビームフォーミングは異なるアプローチを取り、直感的ではありません。デジタルビームフォーミングでは、複数の変調信号がアンテナアレイに送信され、アレイに送信された信号の位相と振幅が組み合わされて、望ましいビームパターンを生成します。最も基本的なケースでは、単一の入力データストリーム（例えばQAM星座点）が複数のアンテナに送信され、振幅が組み合わされて望ましい放射パターンを生成します。 デジタルビームフォーミングは、実際にはプリコーディングと呼ばれるより高度なタイプの放送の特別なケースです。ビームパターンは、キャリア波と空間分布関数（Y）の積の和として定義できます。各要素から放出される信号（y）と各要素への入力信号（x）との関係は、以下に示すようにプリコーディング行列で定義されます： ここでの鍵は、上記で定義されたプリコーディング行列を決定することです。これには、望ましい放射パターン（y関数のセット）から逆算して、N放射要素の方程式のシステムを解くことが含まれます。これはソフトウェアまたはシステムコントローラー（
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