La formación de haces o filtrado espacial es una técnica de procesamiento de señales que se utiliza en conjuntos de sensores para la transmisión o recepción de señales direccionales. [1] Esto se logra combinando elementos en un conjunto de antenas de tal manera que las señales en ángulos particulares experimenten interferencia constructiva mientras que otras experimenten interferencia destructiva. La formación de haces se puede utilizar tanto en el extremo de transmisión como en el de recepción para lograr selectividad espacial. La mejora en comparación con la recepción/transmisión omnidireccional se conoce como directividad del conjunto.
La formación de haces se puede utilizar para ondas de radio o de sonido . Tiene numerosas aplicaciones en radares , sonares , sismología , comunicaciones inalámbricas, radioastronomía , acústica y biomedicina . La formación de haces adaptativa se utiliza para detectar y estimar la señal de interés en la salida de un conjunto de sensores mediante un filtrado espacial óptimo (por ejemplo, mínimos cuadrados) y rechazo de interferencias.
Para cambiar la direccionalidad del conjunto durante la transmisión, un conformador de haz controla la fase y la amplitud relativa de la señal en cada transmisor, con el fin de crear un patrón de interferencia constructiva y destructiva en el frente de onda. Durante la recepción, la información de los diferentes sensores se combina de forma que se observe preferentemente el patrón de radiación esperado.
Por ejemplo, en el sonar , para enviar un pulso agudo de sonido submarino hacia un barco en la distancia, simplemente transmitir simultáneamente ese pulso agudo desde cada proyector del sonar en una matriz falla porque el barco primero escuchará el pulso del altavoz que esté más cerca del barco, luego los pulsos de los altavoces que estén más lejos del barco. La técnica de formación de haz implica enviar el pulso desde cada proyector en momentos ligeramente diferentes (el proyector más cercano al barco último), de modo que cada pulso llegue al barco exactamente al mismo tiempo, produciendo el efecto de un solo pulso fuerte desde un solo proyector potente. La misma técnica se puede llevar a cabo en el aire utilizando altavoces , o en radar / radio utilizando antenas .
En el sonar pasivo, y en la recepción en el sonar activo, la técnica de formación de haces implica combinar señales retardadas de cada hidrófono en momentos ligeramente diferentes (el hidrófono más cercano al objetivo se combinará después del retraso más largo), de modo que cada señal llegue a la salida exactamente al mismo tiempo, formando una señal fuerte, como si la señal viniera de un solo hidrófono muy sensible. La formación de haces de recepción también se puede utilizar con micrófonos o antenas de radar.
En los sistemas de banda estrecha, el retardo temporal es equivalente a un "desplazamiento de fase", por lo que en este caso el conjunto de antenas, cada una desplazada en una cantidad ligeramente diferente, se denomina conjunto en fase . Un sistema de banda estrecha, típico de los radares , es aquel en el que el ancho de banda es solo una pequeña fracción de la frecuencia central. Con los sistemas de banda ancha , esta aproximación ya no se cumple, lo que es típico en los sonares.
En el conformador de haz de recepción, la señal de cada antena puede ser amplificada por un "peso" diferente. Se pueden utilizar diferentes patrones de ponderación (por ejemplo, Dolph-Chebyshev ) para lograr los patrones de sensibilidad deseados. Se produce un lóbulo principal junto con nulos y lóbulos laterales. Además de controlar el ancho del lóbulo principal ( ancho del haz ) y los niveles del lóbulo lateral, se puede controlar la posición de un nulo. Esto es útil para ignorar el ruido o los bloqueadores en una dirección particular, mientras se escuchan eventos en otras direcciones. Se puede obtener un resultado similar en la transmisión.
Para conocer todos los conceptos matemáticos sobre cómo dirigir haces usando cambios de amplitud y fase, consulte la sección matemática en matriz en fase .
Las técnicas de formación de haces se pueden dividir en dos categorías generales:
Los conformadores de haz convencionales, como la matriz Butler , utilizan un conjunto fijo de ponderaciones y retardos de tiempo (o fases) para combinar las señales de los sensores en la matriz, utilizando principalmente solo información sobre la ubicación de los sensores en el espacio y las direcciones de onda de interés. Por el contrario, las técnicas de conformación de haz adaptativas (por ejemplo, MUSIC , SAMV ) generalmente combinan esta información con propiedades de las señales realmente recibidas por la matriz, típicamente para mejorar el rechazo de señales no deseadas de otras direcciones. Este proceso puede llevarse a cabo en el dominio del tiempo o de la frecuencia.
Como indica el nombre, un conformador de haz adaptativo es capaz de adaptar automáticamente su respuesta a diferentes situaciones. Se deben establecer algunos criterios para permitir que se lleve a cabo la adaptación, como minimizar la salida total de ruido. Debido a la variación del ruido con la frecuencia, en sistemas de banda ancha puede ser conveniente llevar a cabo el proceso en el dominio de la frecuencia .
La formación de haces puede requerir un gran esfuerzo computacional. El sonar phased array tiene una velocidad de datos lo suficientemente baja como para que pueda procesarse en tiempo real en software , que es lo suficientemente flexible como para transmitir o recibir en varias direcciones a la vez. En cambio, el radar phased array tiene una velocidad de datos tan alta que normalmente requiere un procesamiento de hardware dedicado, que está cableado para transmitir o recibir en una sola dirección a la vez. Sin embargo, los nuevos arrays de puertas programables en campo son lo suficientemente rápidos como para manejar datos de radar en tiempo real y pueden reprogramarse rápidamente como el software, difuminando la distinción entre hardware y software.
La formación de haces por sonar utiliza una técnica similar a la formación de haces electromagnéticos, pero varía considerablemente en los detalles de implementación. Las aplicaciones de sonar varían desde 1 Hz hasta 2 MHz, y los elementos de la matriz pueden ser pocos y grandes, o pueden contarse por cientos pero muy pequeños. Esto cambiará significativamente los esfuerzos de diseño de formación de haces por sonar entre las demandas de componentes del sistema como la "parte frontal" (transductores, preamplificadores y digitalizadores) y el hardware computacional del formador de haces real aguas abajo. Los sonares de búsqueda de imágenes de elementos múltiples, haz enfocado y de alta frecuencia y las cámaras acústicas a menudo implementan un procesamiento espacial de quinto orden que impone tensiones equivalentes a las demandas del radar Aegis sobre los procesadores.
Muchos sistemas de sonar, como los de los torpedos, están formados por conjuntos de hasta 100 elementos que deben dirigir el haz en un campo de visión de 100 grados y funcionar tanto en modo activo como pasivo.
Los conjuntos de sonares se utilizan tanto de forma activa como pasiva en conjuntos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales.
El sonar se diferencia del radar en que, en algunas aplicaciones, como la búsqueda en áreas amplias, a menudo es necesario escuchar todas las direcciones y, en otras, transmitirlas simultáneamente. Por lo tanto, se necesita un sistema multihaz. En un receptor de sonar de banda estrecha, las fases de cada haz se pueden manipular completamente mediante software de procesamiento de señales, a diferencia de los sistemas de radar actuales que utilizan hardware para "escuchar" en una sola dirección a la vez.
El sonar también utiliza la formación de haces para compensar el importante problema de la velocidad de propagación más lenta del sonido en comparación con la de la radiación electromagnética. En los sonares de barrido lateral, la velocidad del sistema de remolque o del vehículo que transporta el sonar se mueve a una velocidad suficiente para mover el sonar fuera del campo del "ping" del sonido de retorno. Además de los algoritmos de enfoque destinados a mejorar la recepción, muchos sonares de barrido lateral también emplean la dirección del haz para mirar hacia adelante y hacia atrás y "captar" los pulsos entrantes que se habrían perdido con un solo haz de barrido lateral.
La técnica de formación de haces por retardo y suma utiliza múltiples micrófonos para localizar fuentes de sonido. Una desventaja de esta técnica es que los ajustes de la posición o del número de micrófonos cambian el rendimiento del formador de haces de forma no lineal. Además, debido al número de combinaciones posibles, es computacionalmente difícil encontrar la mejor configuración. Una de las técnicas para resolver este problema es el uso de algoritmos genéticos . Dicho algoritmo busca la configuración de matriz de micrófonos que proporcione la mayor relación señal-ruido para cada orientación dirigida. Los experimentos mostraron que dicho algoritmo podría encontrar la mejor configuración de un espacio de búsqueda restringido que comprende ~33 millones de soluciones en cuestión de segundos en lugar de días. [2]
Las técnicas de formación de haces utilizadas en los estándares de telefonía celular han avanzado a través de las generaciones para hacer uso de sistemas más complejos para lograr celdas de mayor densidad, con mayor rendimiento.
Un número cada vez mayor de dispositivos Wi-Fi 802.11ac para consumidores con capacidad MIMO pueden soportar la formación de haces para aumentar las velocidades de comunicación de datos. [3]
Para recibir (pero no transmitir [ cita requerida ] ), existe una distinción entre la formación de haces analógica y digital. Por ejemplo, si hay 100 elementos de sensor, el enfoque de "formación de haces digital" implica que cada una de las 100 señales pasa a través de un convertidor analógico a digital para crear 100 flujos de datos digitales. Luego, estos flujos de datos se suman digitalmente, con factores de escala o cambios de fase apropiados, para obtener las señales compuestas. Por el contrario, el enfoque de "formación de haces analógica" implica tomar las 100 señales analógicas, escalarlas o cambiarlas de fase utilizando métodos analógicos, sumarlas y luego, por lo general, digitalizar el flujo de datos de salida único .
La formación de haces digitales tiene la ventaja de que los flujos de datos digitales (100 en este ejemplo) se pueden manipular y combinar de muchas maneras posibles en paralelo, para obtener muchas señales de salida diferentes en paralelo. Las señales de cada dirección se pueden medir simultáneamente, y las señales se pueden integrar durante un tiempo más largo cuando se estudian objetos lejanos e integrar simultáneamente durante un tiempo más corto para estudiar objetos cercanos que se mueven rápidamente, y así sucesivamente. [4] Esto no se puede hacer de manera tan efectiva para la formación de haces analógica, no solo porque cada combinación de señales paralelas requiere su propio circuito, sino más fundamentalmente porque los datos digitales se pueden copiar perfectamente, pero los datos analógicos no. (Solo hay una cierta cantidad de potencia analógica disponible, y la amplificación agrega ruido). Por lo tanto, si la señal analógica recibida se divide y se envía a una gran cantidad de circuitos de combinación de señales diferentes, puede reducir la relación señal-ruido de cada uno.
En los sistemas de comunicación MIMO con un gran número de antenas, los denominados sistemas MIMO masivos, los algoritmos de formación de haces ejecutados en la banda base digital pueden llegar a ser muy complejos. Además, si toda la formación de haces se realiza en la banda base, cada antena necesita su propia alimentación de RF . A altas frecuencias y con un gran número de elementos de antena, esto puede resultar muy costoso y aumentar la pérdida y la complejidad del sistema. Para solucionar estos problemas, se ha sugerido la formación de haces híbrida, en la que parte de la formación de haces se realiza utilizando componentes analógicos y no digitales.
Hay muchas funciones diferentes posibles que se pueden realizar utilizando componentes analógicos en lugar de en la banda base digital. [5] [6] [7]
La formación de haces, ya sea de forma digital o mediante arquitectura analógica, se ha aplicado recientemente en la tecnología de comunicación y detección integrada. Por ejemplo, se sugirió un formador de haces, en situaciones de información imperfecta del estado del canal, para realizar tareas de comunicación, mientras que al mismo tiempo se realiza la detección de objetivos para detectar objetivos en la escena. [8]
La formación de haces se puede utilizar para intentar extraer fuentes de sonido en una sala, como múltiples altavoces en el problema de la fiesta de cócteles . Esto requiere que las ubicaciones de los altavoces se conozcan de antemano, por ejemplo, utilizando el tiempo de llegada de las fuentes a los micrófonos en la matriz e infiriendo las ubicaciones a partir de las distancias.
En comparación con las telecomunicaciones por ondas portadoras , el audio natural contiene una variedad de frecuencias. Es ventajoso separar las bandas de frecuencia antes de la formación del haz porque las diferentes frecuencias tienen diferentes filtros de forma de haz óptimos (y, por lo tanto, se pueden tratar como problemas separados, en paralelo, y luego recombinarse después). Aislar adecuadamente estas bandas implica bancos de filtros no estándar especializados . En contraste, por ejemplo, los filtros de banda de transformada rápida de Fourier (FFT) estándar suponen implícitamente que las únicas frecuencias presentes en la señal son armónicos exactos ; las frecuencias que se encuentran entre estos armónicos normalmente activarán todos los canales de FFT (que no es lo que se desea en un análisis de forma de haz). En cambio, se pueden diseñar filtros en los que solo se detecten frecuencias locales por cada canal (mientras se conserva la propiedad de recombinación para poder reconstruir la señal original), y estos son típicamente no ortogonales a diferencia de la base FFT.
