ビームフォーミング（波束形成）

ビームフォーミング：特定の方向に，高品质な信号をより确実に届ける技术

ビームフォーミングは，电波（または音波，超音波）を特定の方向に向けて送信，または特定の方向から受信する技术です。简単に言うと，「特定の人に特定の物を」という考え方で，ビームフォーミングは、特定の状況に合わせてアレイアンテナの放射を適応させるというものです。単体のアンテナでは、アンテナの種類にもよりますが、一般的に信号は全方位に放射されます。ビームフォーミングを利用することでそのアンテナの指向性を制御することができます。特定の方向に電波を集中的に送信することにより、高品質な信号をより確実に届け、そのエリアの他の送受信機との干渉を避けられる点がメリットとして挙げられます。

ビームフォーミングとは？

ビームフォーミングは，5G，LTE，WLANなどのmimo.无线通信システムを含むセンサアレイを备えたシステムの中核をなしています。また，无线アプリケーションにおけるMIMOビームフォーミングは，基地局とユーザー端末间のデータストリーム容量の増加のために使用することもできます。近年の无线通信システムでは，最适化ベースのビームフォーミング技术がより一般的になっています。

これは，最适化技术を使用してベースバンドシステムとRFシステムの间でシステムアーキテクチャを效率的に分割してコストを削减するハイブリッドビームフォーミングも含まれます。ハイブリッドビームフォーミングとは，デジタル领域およびRF领域にビームフォーミングを分割するための技术です。システム设计者はハイブリッドビームフォーミングを実装することにより，柔软性とコストのバランスを保ちながら，必须とされる性能パラメータを満たすシステムを実现できます。

ビームフォ - ミングの管理

ビームフォーミングを実现するためにはフェーズドアレイアンテナを使用します。复数のアンテナ素子を规则に沿って配列し，位相を调整する事により电波の指向性を制御します。ビームフォーミングを行うためのフェーズドアレイアンテナの基本构成を以下に示します。

アンテナ素子の配列の仕方は，図の様に直线に并べる直线アレイのほかにも长方形（正方形）に并べる平面アレイ，曲线上に并べるコンフォーマルアレイ等があり，用途に合わせて选択します。上记の図で左から电波がある角度で到来する场合に，素子2では，素子1よりも到达时间が少し遅れるため位相差が生じ，伝播损失と信号経路の违いにより振幅が変化します。この振幅は后段のアンプで，位相は位相器で调整され，同一方向から到达する信号は强め合うよう调整されます。この指向性の调整をアナログ（RF）信号で行なう方法は，アナログビームフォーミングと呼ばれています。

一方で，下载に示すに，rf信号を如果またはまたは信号にダウンし后に，广告コンバータでに変换，信号管理で位相にし制御し，てて，ビームを调整するするするてデジタルデジタルデジタルデジタルデジタルフォーミングと呼ばれてますます。

ビームフォーミングの活用事例

ビームビームは，电阻，超音波，音波ででででで异なりが，アレイアレイ子を使っ，下载のののに幅広い幅広いで活さています。特色，少年の无线通信分野では，第5世代移动通信（5G）向けに，アクティブアンテナでビームフォーミングを行い，多数のユーザーの同时接続が可能となる海量MIMO技术の开発が进んできています。

ビームフォーミングは，レーダー，ソナー，医疗用の画像处理，音声认识等でも幅広く使用されています。ビームフォーマは，センサアレイからの送信信号を特定の方向に集中させるために使用することができます。センサアレイで受信した信号に対して，ビームフォーマはアレイ素子间での信号をコヒーレントに加算して検出を强化します。従来のビームフォーマは固定された重みを适用するのに対し，适応型ビームフォーマは环境に応じて重みを変更します。狭帯域信号の场合，ビームフォーミングはセンサ入力に适切な位相シフトを持つ复素指数を乘算することで达成されることが多い。広帯域信号の场合には，ステアリングは単一周波数の关数ではなく，操作は复数の周波数帯域で行われる场合があります。

ビームフォーミングの效果

ビームフォーマの开発とアルゴリズムの评価は，无线通信システムやレーダーシステムに求められる性能を満たすための第一歩に过ぎません。性能を评価するためには，ビームフォーミングをシステムレベルのモデルに统合し，パラメータ，ステアリング，チャンネルを组み合わせ総合的に评価する必要があります。また，无线周波数（RF）およびデジタルベースバンドドメインでビームフォーミングを実行する际のシステムレベルでのトレードオフです。これらはすべて，设计プロセスの初期段阶で実施しておくことが重要です。

ビームフォーミングの课题

近年，ますます复雑化が进む无线通信システムには，アンテナ设计，デジタル通信，RFといった异なる技术要素が共存し，それぞれの要素がシステムの性能に影响を及ぼし合います。そのため，ビームフォーミングを适用した高精度なアンテナ设计を実现するには，アンテナ部分のみでなく，RF·アナログ特性の影响を十分に考虑しながら，システム全体の设计を进めていくことが重要です。

RFアナログ部とディジタル部は别々に検讨されていることが一般的ですが，より高い周波数においては，コスト等の兼ね合いでハイブリッドビームフォーミングの様にRF·アナログとデジタル双方でのトレードオフの検讨を実施する必要が出てきます。马铃薯^®および金宝app^®は，RF·アナログおよびデジタルを同一の环境で容易に実现できる环境をご提供します。

matlabおよび金宝appsimulinkを使ったビームフォーミング

MATLABおよび金宝app的Simulinkは，デジタル信号处理のアルゴリズム开発において広く使われており，アナログ·デジタル双方の特性を盛り込んだシミュレーションをサポートします.RF /アナログからデジタル设计までを统一した环境で行うことにより，早い段阶で问题点を见つけることができ，设计期间の短缩に系がります。

アレイ设计やビームフォーミング，到来方向推定アルゴリズムを强力にサポートする相控阵系统工具箱™は，位相シフト，mvdr，lcmvおよび霜等のビームフォーミングのアルゴリズムおよびビームビームのビームビームフォーミングのアルゴリズムビームビーム等ののい向推定アルゴリズムを既存アルゴリズムで试し试しアルゴリズムに既存アルゴリズムで试し试しアルゴリズムをに既存アルゴリズムで试し试しアルゴリズムに既存アルゴリズムで试し试しアルゴリズムに提供既存アルゴリズムで试し试しアルゴリズムに既存アルゴリズムで试し组む结合のリファレンスとして活ことができますますますますます。また，容易にアンテナが可ななな组み组み组みによって，アレイアンテナで利用するアンテナ子を天线工具箱で设计したよりなアンテナでの検证検证活活。

上记のような，デジタル·RF /アナログのシミュレーションに限らず，MATLAB金宝app / Simulink的を利用すると，アンテナ设计，アレイアンテナ设计，レーダー设计，通信设计を含むシステム全体のシミュレーションを统一された环境で行うことが可能です。システム全体のシミュレーションを実机（プロトタイプ）検证より前に行うことで，手戻りの少ない开発を実现します。下记の各制品が，无线通信システムの设计をサポートします。

• 相控阵系统工具箱（アレイ设计，ビームフォーミングアルゴリズム）
• 天线工具箱（アンテナ，アレイアンテナ设计）
• RF模块库™（RFシステム设计）
• DSP系统工具箱™（デジタル信号处理）
• WLAN工具箱™
• 5G Toolbox™
• LTE工具箱™