La formación de haces o filtrado espacial es una técnica de procesamiento de señales utilizada 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 transmisor como en el receptor 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 . Ha encontrado numerosas aplicaciones en radar , sonar , 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 filtrado espacial óptimo (por ejemplo, mínimos cuadrados) y rechazo de interferencias.
Para cambiar la direccionalidad del conjunto durante la transmisión, un formador de haz controla la fase y la amplitud relativa de la señal en cada transmisor, para crear un patrón de interferencia constructiva y destructiva en el frente de onda. Al recibir, la información de diferentes sensores se combina de manera 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 de sonar en una matriz falla porque el barco primero escuchará el pulso del altavoz que resulta ser más cercano al barco, luego pulsa desde los altavoces que están más lejos del barco. La técnica de formación de haces implica enviar el pulso de cada proyector en momentos ligeramente diferentes (el proyector más cercano al barco es el último), de modo que cada pulso llegue al barco exactamente al mismo tiempo, produciendo el efecto de un único pulso fuerte procedente de un único y potente proyector. . La misma técnica se puede realizar en el aire mediante altavoces , o en radar/radio mediante antenas .
En el sonar pasivo, y en la recepción del 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 en al mismo tiempo, emitiendo una señal fuerte, como si la señal viniera de un único hidrófono muy sensible. La formación de haces de recepción también se puede utilizar con micrófonos o antenas de radar.
Con los sistemas de banda estrecha , el retardo de tiempo equivale 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 sólo una pequeña fracción de la frecuencia central. En los sistemas de banda ancha ya no se cumple esta aproximación, típica de los sonares.
En el formador de haz de recepción, la señal de cada antena puede amplificarse con un "peso" diferente. Se pueden utilizar diferentes patrones de ponderación (p. ej., 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 de los lóbulos laterales, se puede controlar la posición de un nulo. Esto es útil para ignorar ruidos o interferencias en una dirección particular, mientras escucha eventos en otras direcciones. Se puede obtener un resultado similar en la transmisión.
Para conocer las matemáticas completas sobre la dirección de haces utilizando cambios de amplitud y fase, consulte la sección matemática en matriz en fase .
Las técnicas de formación de haces se pueden dividir en términos generales en dos categorías:
Los formadores de haz convencionales, como la matriz de Butler , utilizan un conjunto fijo de ponderaciones y retrasos de tiempo (o fases) para combinar las señales de los sensores en la matriz, utilizando principalmente sólo información sobre la ubicación de los sensores en el espacio y las direcciones de las ondas. de interés. Por el contrario, las técnicas de formación de haces adaptativa (por ejemplo, MUSIC , SAMV ) generalmente combinan esta información con las propiedades de las señales realmente recibidas por la matriz, normalmente 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 su nombre indica, un formador de haz adaptativo es capaz de adaptar automáticamente su respuesta a diferentes situaciones. Es necesario establecer algún criterio para permitir que se lleve a cabo la adaptación, como minimizar la producción total de ruido. Debido a la variación del ruido con la frecuencia, en sistemas de banda ancha puede ser deseable llevar a cabo el proceso en el dominio de la frecuencia .
La formación de haces puede ser computacionalmente intensiva. El sonar en fase tiene una velocidad de datos lo suficientemente baja como para poder procesarse en tiempo real en un software , que es lo suficientemente flexible como para transmitir o recibir en varias direcciones a la vez. Por el contrario, el radar en fase tiene una velocidad de datos tan alta que generalmente requiere un procesamiento de hardware dedicado, que está cableado para transmitir o recibir en una sola dirección a la vez. Sin embargo, los conjuntos de puertas programables en campo más nuevos son lo suficientemente rápidos como para manejar datos de radar en tiempo real y pueden reprogramarse rápidamente como software, difuminando la distinción entre hardware y software.
La formación de haces de sonar utiliza una técnica similar a la formación de haces electromagnéticos, pero varía considerablemente en los detalles de implementación. Las aplicaciones de sonda varían desde 1 Hz hasta 2 MHz, y los elementos del conjunto pueden ser pocos y grandes, o centenares pero muy pequeños. Esto cambiará significativamente los esfuerzos de diseño de formación de haces de sonar entre las demandas de componentes del sistema como la "parte delantera" (transductores, preamplificadores y digitalizadores) y el hardware computacional del formador de haces real. Los sonares y cámaras acústicas de búsqueda de imágenes de elementos múltiples, de haz enfocado y de alta frecuencia a menudo implementan un procesamiento espacial de quinto orden que impone tensiones equivalentes a las demandas del radar Aegis en los procesadores.
Muchos sistemas de sonar, como los de los torpedos, están formados por conjuntos de hasta 100 elementos que deben realizar la dirección del haz en un campo de visión de 100 grados y funcionar tanto en modo activo como pasivo.
Los conjuntos de sonda se utilizan tanto de forma activa como pasiva en conjuntos de 1, 2 y 3 dimensiones.
El sonar se diferencia del radar en que en algunas aplicaciones, como la búsqueda de área amplia, a menudo es necesario escuchar todas las direcciones y, en algunas aplicaciones, transmitirlas simultáneamente. Por tanto, se necesita un sistema multihaz. En un receptor de sonar de banda estrecha, las fases de cada haz pueden manipularse completamente mediante software de procesamiento de señales, en comparación con los sistemas de radar actuales que utilizan hardware para "escuchar" en una única 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 visión 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 sonido de retorno "ping". 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 para "captar" pulsos entrantes que habrían pasado desapercibidos con un solo haz lateral.
La técnica de formación de haces de retardo y suma utiliza varios 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 haz de forma no lineal. Además, debido a la cantidad de combinaciones posibles, es computacionalmente difícil encontrar la mejor configuración. Una de las técnicas para solucionar este problema es el uso de algoritmos genéticos . Dicho algoritmo busca la configuración del conjunto de micrófonos que proporcione la relación señal-ruido más alta para cada orientación dirigida. Los experimentos demostraron 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 móvil han avanzado a lo largo de las generaciones para utilizar sistemas más complejos para lograr células de mayor densidad y mayor rendimiento.
Un número cada vez mayor de dispositivos Wi-Fi 802.11ac de consumo con capacidad MIMO pueden admitir la formación de haces para aumentar las velocidades de comunicación de datos. [3]
Para recibir (pero no transmitir [ cita necesaria ] ), existe una distinción entre formación de haces analógica y digital. Por ejemplo, si hay 100 elementos sensores, el enfoque de "formación de haz digital" implica que cada una de las 100 señales pase 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 haz analógico" implica tomar las 100 señales analógicas, escalarlas o desfasarlas utilizando métodos analógicos, sumarlas y luego, generalmente, digitalizar el flujo de datos de salida único .
La formación de haces digital 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 todas las direcciones se pueden medir simultáneamente, y las señales pueden integrarse durante más tiempo cuando se estudian objetos lejanos e integrarse simultáneamente durante un tiempo más corto para estudiar objetos cercanos que se mueven rápidamente, y así sucesivamente. [4] Esto no se puede hacer con tanta eficacia para la formación de haces analógica, no sólo porque cada combinación de señales en paralelo requiere su propio circuito, sino más fundamentalmente porque los datos digitales se pueden copiar perfectamente pero los datos analógicos no. (Hay una cantidad limitada 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 llamados sistemas MIMO masivos, los algoritmos de formación de haces ejecutados en la banda base digital pueden volverse muy complejos. Además, si toda la formación del haz se realiza en banda base, cada antena necesita su propia alimentación de RF . En altas frecuencias y con una gran cantidad de elementos de antena, esto puede resultar muy costoso y aumentar las pérdidas 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 realizada digitalmente o mediante arquitectura analógica, se ha aplicado recientemente en la tecnología de comunicación y detección integrada. Por ejemplo, se sugirió un formador de haz, en situaciones de información de estado de canal imperfecto para realizar tareas de comunicación, mientras que al mismo tiempo 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 habitación, como el problema de varios oradores en el cóctel . Esto requiere que las ubicaciones de los altavoces se conozcan de antemano, por ejemplo, utilizando el tiempo de llegada desde las fuentes a los micrófonos del conjunto 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 diferentes frecuencias tienen diferentes filtros de forma de haz óptimos (y por lo tanto pueden tratarse como problemas separados, en paralelo, y luego recombinarse). Aislar adecuadamente estas bandas implica bancos de filtros especializados no estándar . En contraste, por ejemplo, los filtros de banda estándar de transformada rápida de Fourier (FFT) 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 FFT (que no es lo que se desea en un análisis de forma de haz). En cambio, se pueden diseñar filtros [ cita necesaria ] en los que cada canal solo detecte frecuencias locales (al tiempo que se conserva la propiedad de recombinación para poder reconstruir la señal original), y estos normalmente no son ortogonales a diferencia de la base FFT.
