什么是波束成形?

由于無線電波是肉眼不可見的，我們以光源為例。單個燈泡的光源是發(fā)散的，會向四周照射，而手電筒的光源是具有方向性的，可以照亮指定的位置。同樣，無線電波也可以實現(xiàn)如同手電筒一樣的指定方向的波束，定向地傳輸無線信號。

圖1 光源和波束

如何實現(xiàn)波束成形?

使用由多個天線陣元組成的陣列同時發(fā)送無線電波，使無線電波匯聚成一束波束。通過特定的方式調(diào)整每個天線陣元的幅值和相位，就可有實現(xiàn)波束方向的調(diào)整。

圖2 天線陣元和波束

波束成形方式

模擬波束成形

模擬波束成形只有一路數(shù)字通道，使用功分器將一路數(shù)字通道分成多路，每一路通過模擬移相器連接到獨立的天線。通過調(diào)整每一路模擬移相器的相位，實現(xiàn)波束成形。由于相位調(diào)整是通過數(shù)字通道后端的模擬移相器實現(xiàn)的，所以稱這種方式為模擬波束成形。

數(shù)字波束成形

數(shù)字波束成形具有多路數(shù)字通道，通過調(diào)整每一路數(shù)字通道的相位，實現(xiàn)波束成形。每個天線單元均連接到獨立的數(shù)字通道，與模擬波束成形不同，數(shù)字波束成形可以產(chǎn)生多個波束。由于相位調(diào)整是通過數(shù)字通道直接實現(xiàn)的，所以稱這種方式為數(shù)字波束成形。

混合波束成形

混合波束成形是模擬波束成形和數(shù)字波束成形的結(jié)合，既有多路數(shù)字通道，又有多路模擬移相器。

模擬波束成形具有高性價比，可以實現(xiàn)Massive MIMO系統(tǒng)；數(shù)字波束成形具有高靈活性，可以產(chǎn)生多個不同信息的波束。模擬波束成形和混合波束成形通常用于數(shù)字通道成本較高的場景，如毫米波頻段；在Sub 6G頻段，模擬波束成形、數(shù)字波束成形和混合波束成形均有廣泛應用。

圖3 三種波束成形方式

波束成形的應用

5G基站、下一代WiFi，智能無線充電、車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、使用MIMO天線的5G手機等等，這些應用均依賴于波束成形。

圖4 波束成形的應用

例如，車聯(lián)網(wǎng)需要車輛之間相互感知并建立實時通信，在通信中分享車輛的傳感器信息，其中的關(guān)鍵技術(shù)就是建立低延遲高穩(wěn)定的實時通信，并且車輛之間的通信互不干擾，波束成形便是實現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)的有效途徑。

圖5 波束成形在車聯(lián)網(wǎng)中的應用

兩輛車相對移動的過程中，通過波束成形，實時調(diào)整波束的角度，實現(xiàn)兩輛車的通信波束實時對準（即波束追蹤）。目前，業(yè)界提出了多種波束追蹤算法，如何去驗證這些算法？是擺在用戶面前的難題。

波束成形解決方案

曾益科技提供的波束成形解決方案為用戶提供了靈活的硬件和軟件，可以幫助用戶快速的驗證算法，進行算法的反復迭代和優(yōu)化，使產(chǎn)品可以早日面向市場，在激烈的市場競爭中獲得先機。

波束成形解決方案包含數(shù)字/模擬通道、數(shù)字/模擬天線、上位機/FPGA軟件，用戶可以根據(jù)自己的實際需求，靈活的選擇通道、天線、軟件，實現(xiàn)模擬、數(shù)字、混合波束成形。

圖6 64陣元模擬相控陣天線

曾益科技提供上位機/FPGA軟件用于修改波束的角度，包括水平角度和垂直角度。用戶可以在上位機驗證波束成形算法的邏輯，在FPGA驗證波束成形算法的實時性，最終通過FPGA實現(xiàn)波束的高速實時切換。

圖7 模擬相控陣天線的上位機軟件

關(guān)于曾益科技

曾益科技成立于2015年，是一家專業(yè)從事測試測量儀器研發(fā)服務，為用戶提供定制和半定制測試儀器系統(tǒng)的國家高新技術(shù)企業(yè)。曾益科技采用先進的測試測量產(chǎn)品和技術(shù)，結(jié)合自身在數(shù)字信號處理和射頻領(lǐng)域的專業(yè)優(yōu)勢，向客戶提供高質(zhì)量的設(shè)計、研發(fā)服務。

曾益科技是NI的金牌系統(tǒng)聯(lián)盟商。