Co to jest formowanie wiązki hybrydowe?

Beamforming to ważna metoda nadawania, która polega na wykorzystaniu układów antenowych w systemie bezprzewodowym do przekazywania energii elektromagnetycznej w określonym kierunku. Coraz więcej systemów bezprzewodowych rozszerza swoje możliwości obsługi wielu użytkowników (lub celów) dzięki beamformingowi i MIMO. Jest to już stosowane w radarach, WiFi oraz w nowszych systemach komunikacyjnych o wysokiej przepustowości (5G). Dla projektanta systemów ważne jest zrozumienie wymagań dotyczących układu anten w tych systemach, które są związane z metodami beamformingu używanymi w systemach RF.

Jeśli chodzi o beamforming, może pojawić się pewne zamieszanie co do różnicy od MIMO, a czasami mówi się, że te dwa pojęcia nie są ze sobą związane. Jest to prawdą tylko w specjalnym przypadku, ale ogólnie rzecz biorąc, wieloużytkownikowe MIMO (MU-MIMO) wymaga beamformingu do kierowania zmodulowanego sygnału do wielu celów.

W tym artykule przyjrzymy się implementacji beamformingu w zaawansowanej metodzie łączącej techniki analogowe i cyfrowe, znanej jako hybrydowy beamforming. Ta metoda łączy techniki cyfrowe i analogowe, aby tworzyć wiele wiązek i tym samym docierać do wielu użytkowników z różnymi intensywnościami. W przypadku systemu obrazowania RF lub systemu radarowego, hybrydowy beamforming w technice MIMO pozwala również na śledzenie wielu celów z regulowaną rozdzielczością.

Przegląd Hybrydowego Beamformingu

Zanim przyjrzymy się metodologii projektowania systemów dla hybrydowego kształtowania wiązki, myślę, że ważne jest krótkie omówienie metod analogowych i cyfrowych kształtowania wiązki. Kształtowanie wiązki to technika inżynierska, która pozwala na kierowanie rozkładu emisji z anteny tak, aby energia elektromagnetyczna była kierowana wzdłuż określonej ścieżki lub kąta.

Podstawową strukturą potrzebną do realizacji kształtowania wiązki jest tablica anten, czyli regularnie rozmieszczona grupa anten w dwóch wymiarach. Kontrolując względne fazy i amplitudy sygnałów wysyłanych do tablicy fazowej, można kontrolować kierunek emitowanej wiązki. Liczbę możliwych do wyemitowania wiązek można dalej podwoić, wykorzystując polaryzację, lub emitując promieniowanie elektromagnetyczne tylko w jednym kierunku z każdego emitera w tablicy.

Analogowe Kształtowanie Wiązki

Analogowe kształtowanie wiązki działa poprzez wysyłanie sygnału do wielu anten w tablicy anten. Sygnały wysyłane do każdej anteny są opóźniane o określony przedział czasowy, co nakłada różnicę faz na emisję emitowaną z każdej anteny w tablicy. Te tablice anten są lepiej znane jako tablice fazowe, i to zastosowanie różnicy faz historycznie było dominującą metodą kształtowania wiązki w systemach RF.

W tej metodzie wprowadzamy pojedynczy sygnał (możliwie zmodulowany) do tablicy anten; ten sygnał jest przesuwany fazowo przez nadajnik-odbiornik zanim dotrze do każdej anteny. Odległość między antenami będzie określać kierunek wiązki i intensywność płatów bocznych. Idealny wzrost wzmocnienia będzie logarytmem (N), gdzie N to liczba anten w tablicy. Ostatecznie, rozkład intensywności wzdłuż jednego wymiaru (pokazany poniżej) jest przypadkiem dyfrakcji z wielu emiterów.

Te tablice można skanować, dostosowując fazy. Dla tablicy 2D można zaprojektować pole widzenia tak, aby maksymalny kąt skanowania w pionie zależał od następujących czynników:

• Długość fali emisji (w próżni)
• Rozmiar elementu promieniującego (pionowy rozmiar w powyższym przykładzie)
• Odległość między elementami promieniującymi (pionowa odległość w powyższym przykładzie)

Ta sama idea ma zastosowanie w kierunku poziomym. Teraz miałbyś dwie ortogonalne kierunki skanowania, które mogą mieć różne rozdzielczości w zależności od rozmiaru, liczby i gęstości elementów anteny promieniującej. Przyjrzę się temu głębiej w nadchodzącym artykule, ponieważ jest to ważny temat w kilku ważnych obszarach projektowania RF.

Formowanie wiązki cyfrowe

Cyfrowe formowanie wiązki podejmuje zupełnie inne podejście i jest znacznie mniej intuicyjne. W cyfrowym formowaniu wiązki, wiele zmodulowanych sygnałów jest wysyłanych do układu anten, a fazy i amplitudy sygnałów wysyłanych do układu są łączone, aby wytworzyć pożądany wzór wiązki. Najprostszy przypadek wykorzystuje pojedynczy strumień danych wejściowych (takich jak punkty konstelacji QAM) wysyłany do wielu anten, a amplitudy są łączone, aby wytworzyć pożądany wzór emisji.

Cyfrowe formowanie wiązki jest tak naprawdę specjalnym przypadkiem bardziej zaawansowanego typu nadawania, zwanego prekodowaniem. Wzór wiązki może być zdefiniowany jako suma iloczynów fali nośnej i funkcji rozkładu przestrzennego (Y). Relacja między emitowanym sygnałem z każdego elementu (y) a sygnałem wejściowym do każdego elementu (x) jest zdefiniowana w macierzy prekodowania, jak pokazano poniżej:

Kluczem tutaj jest określenie macierzy prekodowania zdefiniowanej powyżej. Obejmuje to pracę wsteczną od pożądanego wzoru emisji (zestaw funkcji y) i rozwiązanie układu równań dla N elementów promieniujących. Może to być wykonane w oprogramowaniu lub w kontrolerze systemu (FPGA). Emisja może następnie produkować wiele wiązek z tego samego układu w różnych kierunkach i/lub w różnych oknach czasowych.

Problem z okienkowaniem czasowym (w zasadzie multipleksacja czasowa) nie jest odpowiedni dla czegoś takiego jak 5G z MU-MIMO, gdzie używa się ortogonalnej multipleksacji częstotliwościowej (OFDM) do umożliwienia nadawania niezależnie modulowanych ortogonalnych podnośnych. Ponadto, stosuje się kształtowanie wiązki (beamforming) do umożliwienia multipleksacji przestrzennej w obrębie tablicy, co jest kluczowe dla dotarcia do wielu użytkowników.

Hybrydowe kształtowanie wiązki (Cyfrowe + Analogowe)

Teraz myślę, że możemy przyjrzeć się bliżej hybrydowemu kształtowaniu wiązki. W hybrydowym kształtowaniu wiązki łączymy kształtowanie wiązki cyfrowe z analogowym, używając podtablic. Najpierw, pomyślmy jak to działa z zestawem strumieni danych wejściowych (x).

1. Zestaw strumieni danych wejściowych jest najpierw prekodowany, jak w kształtowaniu wiązki cyfrowym.
2. Zamiast bezpośrednio wyprowadzać strumień do całej tablicy, prekodowane strumienie są wysyłane do indywidualnych kształtujących wiązkę analogowo, czyli podtablic.
3. Strumień wysłany do każdej podtablicy jest następnie przesuwany fazowo, aby wytworzyć wiązkę tylko z tej podtablicy, która jest kierowana do użytkownika końcowego.

To odpowiada opisowi przedstawionemu na poniższym schemacie blokowym.

Na podstawie powyższego obrazu mam nadzieję, że jest jasne, co dzieje się przy każdej antenie. Anteny używają prekodowania, aby zdefiniować superpozycję między wieloma wiązkami dla kilku strumieni danych w celu osiągnięcia multipleksowania przestrzennego. Dopóki wszystkie elementy w macierzy prekodowania są niezerowe i złożone, wtedy wszystkie sygnały są wysyłane do wszystkich anten, ale z mieszanką kombinacji amplitudy/fazy dla każdego strumienia wejściowego. Rezultatem jest pożądane formowanie wiązki dla każdego strumienia danych wejściowych.

To w ten sposób można osiągnąć wyższą przepustowość z systemem RF, który musi nadawać do wielu celów; można nadawać na wielu ortogonalnych nośnych w tym samym oknie czasowym, jednocześnie używając formowania wiązki do wymuszenia multipleksowania przestrzennego. Z czymś takim jak wykrywanie mmWave, można następnie nadawać wiele wiązek i śledzić wiele celów, lub po prostu zbudować niezwykle gęstą chmurę punktów bez komplikacji optycznego systemu jak lidar..

Gdzie umieszcza się wszystko na PCB?

W pewnym momencie anteny w układzie będą musiały zostać umieszczone na PCB i połączone z kontrolerem/systemem nadawczo-odbiorczym.

W kwestii struktury układu PCB, można by pomyśleć, że konieczne jest oddzielenie każdej analogowej podtablicy w innym regionie PCB. Nie jest to jednak konieczne, ale robienie tego w ten sposób może ułatwić umieszczanie i trasowanie. Wynika to z faktu, że jednostka sterująca formowaniem wiązki analogowej musi ustawić określoną fazę tylko między antenami w podtablicy, a nie między wszystkimi antenami wszędzie. Trudno jest również zlokalizować wszystkie nadajniki-odbiorciki i kontrolery cyfrowe razem; rozmieszczenie ich w różnych podtablicach jest znacznie łatwiejsze.

Aby zobaczyć, o co mi chodzi, spójrz na poniższy obraz z systemem wyłącznie analogowym. Oscylator systemowy jest potrzebny do synchronizacji wszystkich elementów nadajnik-odbiorca w systemie, a każdy nadajnik-odbiorca może następnie zastosować wymaganą fazę w swojej sekcji tablicy. Problem pojawia się w potrzebie zastosowania strojenia długości we wszystkich elementach nadajnik-odbiorca.

Ostatecznie wymaga to nadmiernej liczby warstw z kontrolowaną impedancją, aby dotrzeć do każdego nadajnika-odbiorcy, jednocześnie utrzymując fazę czasową w całym systemie. W miarę skalowania tablicy, może być konieczne umieszczenie układów sterujących na odwrocie, co będzie wymagało doprowadzenia linii zasilających do anten za pomocą przelotek.

W podejściu hybrydowym do formowania wiązki, główny kontroler systemu synchronizuje wiele elementów ADC/DAC + PA za pomocą szybkiego interfejsu cyfrowego i wbudowanego zegara (takiego jak JESD204C). Oznacza to, że będziesz miał zmniejszoną zależność od synchronizacji oscylatora RF w całym systemie, ponieważ będzie to wymagane tylko w podtablicach.

Oprócz tych punktów dotyczących rozmieszczenia i trasowania, upewnij się, że stosujesz niektóre ze standardowych najlepszych praktyk projektowania PCB RF, dotyczących projektowania stosu warstw, projektowania linii transmisyjnych i projektowania przelotek. Kwestia projektowania przelotek jest bardzo ważna, ponieważ umieszczenie wszystkich anten może zajmować mnóstwo miejsca, więc nadajniki-odbiorniki mogą musieć być umieszczone na tylnej stronie płytki z cyfrowym trasowaniem na warstwach wewnętrznych.

• Poznaj podstawy projektowania stosu warstw PCB RF
• Dowiedz się więcej o projektowaniu linii transmisyjnych wysokiej częstotliwości
• Dowiedz się więcej o projektowaniu łańcucha sygnałowego dla systemów RF

Podsumowanie

Formowanie wiązki analogowej może szybko stać się nieskalowalne, gdy jest stosowane w dużych tablicach. W mniejszych systemach MIMO, możliwie z wieloma nadajnikami-odbiornikami, synchronizacja na poziomie systemu, która musi być egzekwowana w formowaniu wiązki analogowej, może być bardzo trudna. Problem polega na potrzebie rozciągnięcia głównego oscylatora systemu na elementy nadajnika-odbiornika, tak aby emisja z tablicy była zsynchronizowana wszędzie.

Możesz myśleć "hej, nie projektuję sprzętu do stacji bazowych 5G, więc po co mam to wiedzieć?" Te techniki związane z kształtowaniem wiązki wykraczają poza 5G i są używane w innych ważnych obszarach zastosowań:

• Radary z fazowanymi układami anten
• Nowe systemy czujników mmWave, specjalnie w ADAS
• Obrazowanie ultradźwiękowe
• Standardy IEEE 802.11 (specjalnie WiFi 5 i późniejsze)
• Sonar

Projekty z fazowanymi układami anten opierają się na czymś więcej niż tylko antenach. Musisz zrozumieć, gdzie umieścić i jak prowadzić sygnały, aby zapewnić, że fazy i amplitudy z emiterów mają wartości, które zamierzasz na całej tablicy. W przypadku zastosowań elektromagnetycznych, anteny z fazowanymi układami można łatwo umieścić w układzie PCB jako wielokąty, ale bądź świadomy wyzwań związanych z umieszczaniem i prowadzeniem sygnałów, opisanych powyżej.

Kiedy potrzebujesz umieścić anteny, prowadzić linie zasilające i zaprojektować swój system dla hybrydowego kształtowania wiązki, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer®. Kiedy skończysz projekt, i chcesz wysłać pliki do producenta, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie twoich projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.