Hybrid Beamforming là gì?

Beamforming là một phương pháp phát sóng quan trọng, sử dụng mảng ăng-ten trong hệ thống không dây để truyền năng lượng điện từ theo một hướng cụ thể. Nhiều hệ thống không dây đang mở rộng khả năng xử lý nhiều người dùng (hoặc mục tiêu) với beamforming và MIMO. Phương pháp này đã được sử dụng trong radar, WiFi và trong các hệ thống truyền thông băng thông cao mới hơn (5G). Đối với nhà thiết kế hệ thống, việc hiểu rõ yêu cầu bố trí cho các mảng ăng-ten trong những hệ thống này, liên quan đến các phương pháp beamforming được sử dụng trong hệ thống RF, là rất quan trọng.

Khi nói đến beamforming, có thể có một số nhầm lẫn về sự khác biệt so với MIMO, và đôi khi hai khái niệm này được nói là không liên quan đến nhau. Điều này chỉ đúng trong một trường hợp đặc biệt, nhưng nói chung, MIMO đa người dùng (MU-MIMO) yêu cầu beamforming để hướng tín hiệu điều chế đến nhiều mục tiêu.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét việc triển khai beamforming bằng một phương pháp tiên tiến kết hợp kỹ thuật số và tương tự, được biết đến là beamforming lai. Phương pháp này kết hợp cả kỹ thuật số và tương tự để tạo ra nhiều chùm tia và do đó tiếp cận nhiều người dùng với cường độ khác nhau. Trong trường hợp của một hệ thống hình ảnh RF hoặc hệ thống radar, beamforming lai trong kỹ thuật MIMO cũng cho phép theo dõi nhiều mục tiêu với độ phân giải có thể điều chỉnh.

Tổng quan về Beamforming Lai

Trước khi xem xét phương pháp thiết kế hệ thống cho beamforming lai, tôi nghĩ rằng việc tổng quan ngắn gọn về các phương pháp beamforming analog và số là quan trọng. Beamforming là một kỹ thuật để kỹ thuật phân phối phát xạ từ một ăng-ten sao cho năng lượng điện từ được hướng dọc theo một lộ trình hoặc góc cụ thể.

Cấu trúc chính cần thiết để thực hiện beamforming là một mảng ăng-ten, hoặc một nhóm ăng-ten được sắp xếp đều đặn theo hai chiều. Bằng cách kiểm soát các pha và biên độ tương đối của các tín hiệu gửi đến mảng pha, bạn có thể kiểm soát hướng của tia phát ra. Số lượng tia có thể phát ra có thể được nhân đôi bằng cách khai thác cực hóa, hoặc chỉ phát ra bức xạ điện từ theo một hướng từ mỗi bộ phát trong mảng.

Beamforming Analog

Beamforming analog hoạt động bằng cách gửi tín hiệu đến nhiều ăng-ten trong một mảng ăng-ten. Các tín hiệu gửi đến mỗi ăng-ten được trì hoãn bởi một khung thời gian cụ thể, áp dụng một sự chênh lệch pha cho bức xạ phát ra từ mỗi ăng-ten trong mảng. Những mảng ăng-ten này được biết đến nhiều hơn với tên gọi là mảng pha, và việc áp dụng sự chênh lệch pha này đã từng là phương pháp chủ đạo cho beamforming trong các hệ thống RF.

Trong phương pháp này, chúng ta đưa vào một tín hiệu đơn (có thể đã được điều chế) vào mảng ăng-ten; tín hiệu này được dịch chuyển pha bởi bộ thu phát trước khi đến mỗi ăng-ten. Khoảng cách giữa các ăng-ten sẽ xác định hướng chùm và cường độ của sidelobes. Sự tăng cường độ lý tưởng sẽ là log(N), nơi N là số lượng ăng-ten trong mảng. Cuối cùng, sự phân bố cường độ theo một chiều (được hiển thị bên dưới) là trường hợp của sự giao thoa từ nhiều nguồn phát.

Các mảng này có thể được quét bằng cách điều chỉnh các pha. Đối với mảng 2D, bạn có thể thiết kế trường nhìn sao cho góc quét tối đa theo hướng dọc phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Bước sóng phát ra (trong không gian tự do)
• Kích thước của phần tử phát (kích thước dọc trong ví dụ trên)
• Khoảng cách giữa các phần tử phát (khoảng cách dọc trong ví dụ trên)

Ý tưởng tương tự áp dụng theo hướng ngang. Bây giờ bạn sẽ có hai hướng quét vuông góc với nhau, và chúng có thể có độ phân giải khác nhau tùy thuộc vào kích thước, số lượng và mật độ của các phần tử ăng-ten phát. Tôi sẽ xem xét sâu hơn về vấn đề này trong một bài viết sắp tới vì đây là một chủ đề quan trọng trong một số lĩnh vực quan trọng của thiết kế RF.

Định hình Chùm Số

Digital beamforming áp dụng một cách tiếp cận khác và ít trực quan hơn nhiều. Trong digital beamforming, nhiều tín hiệu được điều chế được gửi đến mảng ăng-ten, và các pha và biên độ của các tín hiệu gửi đến mảng được kết hợp để tạo ra mẫu chùm tia mong muốn. Trường hợp cơ bản nhất sử dụng một dòng dữ liệu đầu vào duy nhất (như các điểm hình cầu QAM) được gửi đến nhiều ăng-ten, và các biên độ được kết hợp để tạo ra mẫu phát xạ mong muốn.

Digital beamforming thực sự là một trường hợp đặc biệt của một loại phát sóng tiên tiến hơn được gọi là precoding. Mẫu chùm có thể được định nghĩa là tổng của các sản phẩm của một sóng mang và một hàm phân bố không gian (Y). Mối quan hệ giữa tín hiệu phát ra từ mỗi phần tử (y) và tín hiệu đầu vào cho mỗi phần tử (x) được định nghĩa trong ma trận precoding như dưới đây:

Điều quan trọng ở đây là xác định ma trận precoding được định nghĩa ở trên. Điều này liên quan đến việc làm việc ngược lại từ mẫu phát xạ mong muốn (tập hợp các hàm y) và giải một hệ phương trình cho N phần tử phát sóng. Điều này có thể được thực hiện trong phần mềm hoặc trong một bộ điều khiển hệ thống (FPGA). Sau đó, phát xạ có thể tạo ra nhiều chùm từ cùng một mảng theo các hướng khác nhau và/hoặc trong các khung thời gian khác nhau.

Vấn đề về cửa sổ thời gian (cơ bản là ghép kênh chia thời gian) không phù hợp với cái gì đó như 5G với MU-MIMO, nơi mà ghép kênh chia tần số trực giao (OFDM) được sử dụng để cho phép phát sóng các sóng con trực giao được điều chế độc lập. Ngoài ra, hình thành chùm tia được sử dụng để kích hoạt ghép kênh không gian trong mảng, điều này là cần thiết để tiếp cận nhiều người dùng.

Hình thành chùm tia lai (Kỹ thuật số + Tương tự)

Bây giờ tôi nghĩ chúng ta có thể xem xét kỹ hơn về hình thành chùm tia lai. Trong hình thành chùm tia lai, chúng ta kết hợp hình thành chùm tia kỹ thuật số với hình thành chùm tia tương tự bằng cách sử dụng các mảng con. Đầu tiên, hãy suy nghĩ về cách thức hoạt động này với một tập hợp dữ liệu đầu vào (x).

1. Tập hợp dữ liệu đầu vào đầu tiên được mã hóa trước như trong hình thành chùm tia kỹ thuật số.
2. Thay vì xuất trực tiếp dòng dữ liệu ra toàn bộ mảng, các dòng dữ liệu đã được mã hóa trước được gửi đến các bộ hình thành chùm tia tương tự riêng lẻ, hoặc các mảng con.
3. Dòng dữ liệu gửi đến mỗi mảng con sau đó được dịch chuyển pha để tạo ra một chùm tia chỉ từ mảng con đó, hướng về người dùng cuối.

Điều này tuân theo mô tả được trình bày trong sơ đồ khối dưới đây.

Từ hình ảnh trên, tôi hy vọng rằng bạn có thể hiểu rõ điều gì đang xảy ra tại mỗi ăng-ten. Các ăng-ten đang sử dụng kỹ thuật mã hóa trước để xác định sự chồng chéo giữa nhiều chùm sóng cho nhiều luồng dữ liệu nhằm đạt được kỹ thuật ghép kênh không gian. Miễn là tất cả các phần tử trong ma trận mã hóa trước đều khác không và phức tạp, thì tất cả tín hiệu đều được gửi đến tất cả các ăng-ten, nhưng với các tổ hợp biên độ/phân đoạn khác nhau cho mỗi luồng đầu vào. Kết quả là việc hình thành chùm sóng mong muốn cho mỗi luồng dữ liệu đầu vào.

Đây là cách bạn có thể đạt được thông lượng cao hơn với một hệ thống RF cần phải phát sóng đến nhiều mục tiêu; bạn có thể phát sóng tại nhiều sóng mang trực giao trong cùng một khung thời gian trong khi sử dụng hình thành chùm sóng để thực thi ghép kênh không gian. Với cái gì đó như cảm biến mmWave, bạn có thể sau đó phát sóng nhiều chùm sóng và theo dõi nhiều mục tiêu, hoặc bạn có thể đơn giản xây dựng một đám mây điểm cực kỳ dày đặc mà không gặp phức tạp của một hệ thống quang học như lidar.

Vị trí của Mọi Thứ trên PCB là ở đâu?

Ở một số điểm, các ăng-ten trong mảng sẽ cần được đặt trên một PCB và kết nối với bộ điều khiển hệ thống/bộ thu phát.

Về cấu trúc trong bố cục PCB, bạn có thể nghĩ rằng bạn phải tách mỗi mảng con tương tự ra một khu vực khác nhau của PCB. Tuy nhiên, điều đó không nhất thiết phải là trường hợp, nhưng làm như vậy có thể làm cho việc đặt và định tuyến trở nên dễ dàng hơn. Điều này là bởi vì bộ điều khiển hình thành chùm tia tương tự phải thiết lập một pha cố định giữa chỉ những ăng-ten trong mảng con, thay vì giữa tất cả các ăng-ten ở mọi nơi. Việc đặt tất cả các bộ thu phát và bộ điều khiển số cùng một chỗ cũng khó khăn; việc chia chúng ra thành các mảng con khác nhau dễ dàng hơn nhiều.

Để hiểu ý tôi, hãy xem hình dưới đây với một hệ thống hoàn toàn tương tự. Một bộ dao động hệ thống là cần thiết để đồng bộ hóa tất cả các phần tử thu phát trong hệ thống, và mỗi bộ thu phát sau đó có thể áp dụng pha cần thiết trên phần riêng của mảng. Vấn đề xuất hiện khi cần phải áp dụng việc điều chỉnh chiều dài trên tất cả các phần tử thu phát.

Cuối cùng, điều này đòi hỏi số lượng lớp quá mức với trở kháng được kiểm soát để đạt được mỗi bộ thu phát trong khi duy trì pha thời gian trên toàn hệ thống. Khi mảng mở rộng, bạn có thể cần phải đặt các chip điều khiển ở mặt sau, điều này sẽ yêu cầu các đường dẫn phải được đưa vào ăng-ten với vias.

Với cách tiếp cận tạo chùm hỗn hợp, bộ điều khiển hệ thống chính đang đồng bộ hóa qua nhiều phần tử ADC/DAC + PA với giao diện số nhanh và một bộ đồng hồ nhúng (như JESD204C). Điều này có nghĩa là bạn sẽ giảm sự phụ thuộc vào việc đồng bộ hóa một dao động RF trên toàn bộ hệ thống của mình vì điều này chỉ cần thiết trong các mảng con.

Ngoài những điểm đặt và định tuyến này, hãy chắc chắn tuân theo một số phương pháp hay nhất thiết kế PCB RF tiêu chuẩn cho thiết kế xếp chồng, thiết kế đường truyền và thiết kế via. Điểm về thiết kế via rất quan trọng bởi vì việc đặt tất cả các ăng-ten có thể chiếm một lượng không gian lớn, vì vậy bộ thu phát có thể cần được đặt ở mặt sau của bảng mạch với định tuyến số trên các lớp nội bộ.

• Học cơ bản về thiết kế xếp chồng PCB RF hỗn hợp
• Tìm hiểu thêm về thiết kế đường truyền tần số cao
• Tìm hiểu thêm về thiết kế chuỗi tín hiệu cho hệ thống RF

Suy nghĩ cuối cùng

Tạo chùm tương tự có thể nhanh chóng trở nên không thể mở rộng khi áp dụng trên các mảng lớn. Đối với các hệ thống MIMO có kích thước nhỏ hơn, có thể với nhiều bộ thu phát, việc đồng bộ hóa ở cấp độ hệ thống cần được thực thi trong tạo chùm tương tự có thể rất khó khăn. Vấn đề là cần phải mở rộng dao động chính của hệ thống qua các phần tử bộ thu phát sao cho phát xạ từ mảng được đồng bộ hóa mọi nơi.

Bạn có thể đang nghĩ "này, tôi không thiết kế thiết bị trạm gốc 5G, vậy tôi cần biết điều này làm gì?" Những kỹ thuật với beamforming vượt ra ngoài 5G và được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác:

• Radar mảng pha
• Hệ thống cảm biến mmWave mới, cụ thể là trong ADAS
• Hình ảnh siêu âm
• Tiêu chuẩn IEEE 802.11 (cụ thể là WiFi 5 và sau này)
• Sonar

Thiết kế mảng pha dựa trên nhiều hơn chỉ là ăng-ten. Bạn sẽ phải hiểu cách đặt và định tuyến tín hiệu để đảm bảo các pha và biên độ từ các bộ phát có giá trị bạn mong muốn trên toàn bộ mảng. Đối với các ứng dụng điện từ, ăng-ten mảng pha có thể dễ dàng được đặt trong bố cục PCB dưới dạng đa giác, nhưng hãy lưu ý về các thách thức đặt và định tuyến được nêu ở trên.

Khi bạn cần đặt ăng-ten, định tuyến đường dẫn và thiết kế hệ thống của mình cho beamforming lai, sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.