麦克风波束成形的基本原理
波束形成器
波束形成器
波束形成器是一种优化的、可靠的电磁设备，它的主要作用是用于通信中信号的接收和发射。
它的应用涉及到航空航天、射频、电磁分析测量等多个领域。
①波束形成器的作用
波束形成器的主要作用是将信号进行接收和发射，使用它可以在电磁领域中进行信号分析。
波束形成器也能够抑制电磁干扰、噪声，进而从更低信噪比的差异中提取有意义的信息，提高信号接收和发射的效率。
②波束形成器的主要原理
波束形成器通常采用电磁磁场的叠加的矩形波形进行发射，因此其发射的方向固定，使得信号可以向指定的方向发射。
波束形成器的接收时，信号将集中到一定方向，使得信号接收率更高，同时有效地抑制外界干扰和噪声。
③波束形成器的应用
波束形成器在航空航天、射频、电磁分析测量等多个领域都有着广泛的应用，例如在航空航天行业，可以将其应用于航天器和飞艇之间的远距离信息传输，充分利用高能球体等技术可以有效地提高传输的稳定性和信号的传输距离；在射频方面可用于公基射频系统、电信2G、3G和4G系统的信号通信；在电磁分析测量行业则可以用于电弧场的测试和探测。
④波束形成器的优势
波束形成器的优势在于其良好的信号接收和发射的能力，采用多普勒频移的原理可以更好地减少接收信号存在的噪音和干扰并且提高信息传输的稳定性，从而提升信号质量，还能抑制外部干扰和噪声，从而降低错误率。
此外，波束形成器还具有灵活性强、缩小发射角度和结构紧凑等优势，使得它们在各行各业中越来越受到人们的青睐。
面向语音通信与交互的麦克风阵列波束形成方法
面向语音通信与交互的麦克风阵列波束形成方法说实话面向语音通信与交互的麦克风阵列波束形成方法这事，我一开始也是瞎摸索。
我就知道这麦克风阵列波束形成，应该是能让麦克风更好地接收想要的声音信号，就像有个无形的手，把声音从各个方向给挑选出来一样。
一开始我尝试最直接的方法，我想那简单呀，就照着前人的一些公式去计算权重什么的。
我以为只要把那些参数搞对了，波束就能很好地形成。
结果那完全不是那么一回事，就像你照着菜谱做菜，明明用料都一样，可就是做不出来那个味道。
后来我就寻思，是不是我对环境的考虑太少了。
我就开始针对不同的环境做测试，在一个小房间里面设置我的麦克风阵列。
我发现房间的反射呀，就像是调皮的小精灵，严重干扰了波束的形成。
于是我就加入了对环境回声和混响的处理。
就拿回声来说，我感觉就像是在和一个复读机打交道，你这边刚说的声音，它又给你重复回来。
我花了好长时间研究怎么抑制这种回声，参考了好多资料，最后发现自适应滤波这个方法好像有点用，就像是给那调皮的小精灵建了个笼子，把它那些不好的影响给限制住了。
我还试过改变阵列的布局呢。
一开始我就用那种很普通的线性阵列，我觉得这种应该更简单计算些。
但是发现这样做在一些非正面的声音接收上效果不好。
然后我就改成了圆形阵列，这就好比从一道直线变成了一个包围圈，有更多的灵活性。
不过圆形阵列也有它的问题，就是计算好像更复杂了点。
在算法这块，我刚开始只是用一些固定的波束形成算法。
但后来发现，语音通信和交互中有不同的需求场景。
比如说，如果只是一个人在安静的环境下说话，那一种算法可能就够了。
但要是有多个人说话，还有嘈杂的背景声音，那就得换算法了。
我试过那种基于机器学习的方法，这个可真是有点复杂。
我感觉就像进入了一个迷宫，好多概念要去弄明白。
不过一旦掌握了一些技巧，就发现它能根据输入的声音数据自动调整波束，适应性很强。
不确定的地方也有很多，像不同麦克风的性能差异到底该怎么准确地在整体算法里去考虑。
麦克风波束成形的基本原理
启拓专业手拉手会议，矩阵切换厂商-全球抗干扰专家麦克风波束成形的基本原理麦克风波束成形是一个丰富而复杂的课题。
所有MEMS麦克风都具有全向拾音响应，也就是能够均等地响应来自四面八方的声音。
多个麦克风可以配置成阵列，形成定向响应或波束场型。
经过设计，波束成形麦克风阵列可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。
本应用笔记仅讨论基本概念和阵列配置，包括宽边求和阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。
阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。
空气中声波的频率与波长的关系方向性和极坐标图方向性描述麦克风或阵列的输出电平随消声空间中声源位置的改变而变化的模式。
ADI 公司的所有MEMS麦克风都是全向麦克风，即它们对来自所有方向的声音都同样敏感，与麦克风所处的方位无关。
图2所示为全向麦克风响应的2轴极坐标图。
无论麦克风的收音孔位于x-y平面、x-z平面还是y-z平面，此图看起来都相同。
全向麦克风响应图本应用笔记中，阵列的“前方”称为轴上方向，指拾取目标音频的方向，在极坐标图上标为0°；“后方”为180°方向；“侧边”指前后方之间的空间，中心方向分别位于90°和270°。
本应用笔记中的所有极坐标图均归一化到0°响应水平。
涉及声音频率和波长的所有公式都使用以下关系式：c = f ×λ，其中c为343 m/s，即声音在20℃的空气中的传播速度。
图1显示了这些条件下声波的频率与波长的关系。
本应用笔记末尾的“设计参数计算公式”列出了本文所用阵列设计参数的计算公式。
宽边阵列宽边麦克风阵列是指一系列麦克风的排列方向与要拾取的声波方向垂直(见图3)。
图中，d是阵列中两个麦克风元件的间距。
来自阵列宽边的声音通常就是要拾取的声音。
双麦克风宽边阵列宽边阵列可以通过基本处理实现，阵列中的麦克风简单地相加。
麦克风阵列原理
麦克风阵列原理 The document was finally revised on 20211 麦克风阵列麦克风阵列，是一组位于空间不同位置的全向麦克风按一定的形状规则布置形成的阵列，是对空间传播声音信号进行空间采样的一种装置，采集到的信号包含了其空间位置信息。
根据声源和麦克风阵列之间距离的远近，可将阵列分为近场模型和远场模型。
根据麦克风阵列的拓扑结构，则可分为线性阵列、平面阵列、体阵列等。
(1) 近场模型和远场模型声波是纵波，即媒质中质点沿传播方向运动的波。
声波是一种振动波，声源发声振动后，声源四周的媒质跟着振动，声波随着媒质向四周扩散，所以是球面波。
根据声源和麦克风阵列距离的远近，可将声场模型分为两种：近场模型和远场模型。
近场模型将声波看成球面波，它考虑麦克风阵元接收信号间的幅度差；远场模型则将声波看成平面波，它忽略各阵元接收信号间的幅度差，近似认为各接收信号之间是简单的时延关系。
显然远场模型是对实际模型的简化，极大地简化了处理难度。
一般语音增强方法就是基于远场模型。
近场模型和远场模型的划分没有绝对的标准，一般认为声源离麦克风阵列中心参考点的距离远大于信号波长时为远场；反之，则为近场。
设均匀线性阵列相邻阵元之间的距离(又称阵列孔径)为d，声源最高频率语音的波长(即声源的最小波长)为λmin，如果声源到阵列中心的距离大于2d2/λmin，则为远场模型，否则为近场模型，如图1所示。
图1近场模型和远场模型(2) 麦克风阵列拓扑结构按麦克风阵列的维数，可分为一维、二维和三维麦克风阵列。
这里只讨论有一定形状规则的麦克风阵列。
一维麦克风阵列，即线性麦克风阵列，其阵元中心位于同一条直线上。
根据相邻阵元间距是否相同，又可分为均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)和嵌套线性阵列，如图2所示。
均匀线性阵列是最简单的阵列拓扑结构，其阵元之间距离相等、相位及灵敏度一直。
嵌套线性阵列则可看成几组均匀线性阵列的叠加，是一类特殊的非均匀阵。
麦克风阵列声源处理 波束成形法matlab
麦克风阵列声源处理和波束成形法在声学信号处理领域中扮演着重要的角色。
通过利用麦克风阵列的多个麦克风来获取声音信号，并且根据波束成形法对声音进行处理，可以实现对声源的定位、分离和增强，从而在语音识别、语音通信、音频录制等应用中发挥重要作用。
本文将对麦克风阵列声源处理和波束成形法进行全面的评估和探讨，以及共享对这一主题的个人观点和理解。
一、麦克风阵列声源处理1.1 麦克风阵列的原理和结构麦克风阵列是由多个麦克风组成的一种声学传感器系统，可以在空间上对声音进行采集和处理。
它通常由均匀排列的麦克风单元组成，每个麦克风单元之间的位置和间距都是预先设计好的，以便实现对声源的准确定位和分离。
麦克风阵列可以使用不同的拓扑结构，如线性阵列、圆形阵列等，以适应不同的应用需求。
1.2 麦克风阵列的声源定位和分离通过对麦克风阵列采集到的声音信号进行处理和分析，可以实现对声源的定位和分离。
常用的方法包括波束成形、自适应信号处理、时域盲源分离等。
这些方法可以根据麦克风阵列采集到的信号特点，对声源进行空间定位和分离，从而实现对复杂环境下多个声源的有效处理。
1.3 麦克风阵列声音增强和降噪在实际应用中，麦克风阵列可以用于对声音进行增强和降噪。
通过对采集到的声音信号进行处理，可以有效地提取和增强感兴趣的声音信号，同时抑制噪音和干扰声音，从而提高语音识别和通信的质量。
二、波束成形法在声源处理中的应用2.1 波束成形方法的基本原理波束成形法是一种基于阵列信号处理的方法，通过对阵列接收到的信号进行加权和叠加，可以实现对特定方向上声源的增强，从而形成一个波束。
波束成形法可以通过调整加权系数，实现对不同方向上声源的响应，从而实现对多个声源的定位和分离。
2.2 波束成形方法的实现与优化波束成形方法在实际应用中需要考虑到不同方向上声源的信号特点和空间分布，以及阵列的结构和性能参数。
对于不同的应用场景，波束成形方法需要进行优化设计，包括阵列几何结构的选择、加权系数的计算和调整等，以实现对声源的有效处理和增强。
声呐(纳)技术 ：第四章 声纳波束形成技术1
七
7
波束形成技术的应用
七
8
波束形成技术的应用
Klein Associates Inc.
七
9
波束形成技术的应用
七
10
波束形成技术的应用
Klein Associates Inc. System 5000 multiple beam sonar
七
11
波束形成技术的实现与分类
一、波束形成器可以用模拟电路实现也可以用数字电路实现。
工作频率为1.5kHz时
DI 10lg n 10lg f / f0 dB DI 10lg64 10lg1.5/1 18 10lg1.5 18 10lg15 10 19.77dB
七
25
基阵的自然指向性
将所有阵元的信号直接相加得到的输出，就形成基阵的自然指向性
七
26
任意阵的自然指向性举例
七
27
N元等间隔线阵自然指向性（即波束图）
R1 R2
因此，阵总的指向性为
R R1 R2 cos2 / 2
七
44
阵元的幅度加权
改变阵元的接收灵敏度的方法来实现加权 例，如下图所示的等间距五元阵。
1
2
2
d
1
23
d
21
第二级4元等间隔线阵的指向性 函数为
4
5 4元子阵（第二级）
R2
sin N N sin
/ 2 / 2
七
23
阵的指向性指数
改善的程度可以通过阵增益（Array Gain，AG ）来衡量，其定义为
AG 10 lg S / N 基阵 S / N 基元
如果信号以平面波入射并且是相干的，噪声是 各向同性且互不相干（对于特定的信号与噪声 的情况）。在此情形下，可将基阵增益AG简化 为比较易于处理且易于观察的量，称之为指向 性指数（Directivity Index, DI）：
波束形成基础原理总结
波束赋形算法研究包括以下几个方面:1.常规的波束赋形算法研究。
即研究如何加强感兴趣信号,提高信道处理增益,研究的是一般的波束赋形问题。
2.鲁棒性波束赋形算法研究。
研究在智能天线阵列非理想情况下,即当阵元存在位置偏差、角度估计误差、各阵元到达基带通路的不一致性、天线校准误差等情况下,如何保证智能天线波束赋形算法的有效性问题。
3.零陷算法研究。
研究在恶劣的通信环境下,即当存在强干扰情况下,如何保证对感兴趣信号增益不变,而在强干扰源方向形成零陷,从而消除干扰,达到有效地估计出感兴趣信号的目的。
阵列天线基本概念（见《基站天线波束赋形及其应用研究_白晓平》）阵列天线（又称天线阵）是由若干离散的具有不同的振幅和相位的辐射单元按一定规律排列并相互连接在一起构成的天线系统。
利用电磁波的干扰与叠加，阵列天线可以加强在所需方向的辐射信号，并减少在非期望方向的电磁波干扰，因此它具有较强的辐射方向性。
组成天线阵的辐射单元称为天线元或阵元。
相邻天线元间的距离称为阵间距。
按照天线元的排列方式，天线阵可分为直线阵，平面阵和立体阵。
阵列天线的方向性理论主要包括阵列方向性分析和阵列方向性综合。
前者是指在已知阵元排列方式、阵元数目、阵间距、阵元电流的幅度、相位分布的情况下分析得出天线阵方向性的过程；后者是指定预期的阵列方向图，通过算法寻求对应于该方向图的阵元个数、阵间距、阵元电流分布规律等。
对于无源阵，一般来说分析和综合是可逆的。
阵列天线分析方法天线的远区场特性是通常所说的天线辐射特性。
天线的近、远区场的划分比较复杂，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。
因此，在分析天线辐射特性时观察点距离应远大于天线总尺寸及三倍的工作波长。
阵列天线的辐射特性取决于阵元因素和阵列因素。
阵元因素包括阵元的激励电流幅度相位、电压驻波比、增益、方向图、极化方式，阵列因素主要包括阵元数目、阵元排列方式、阵元间距。
波束成形概念
波束成形概念波束成形（Beamforming）是一种利用多个天线通过信号处理技术来控制信号的传输方向和形状的技术。
该技术可以提高无线信号的覆盖范围和传输速率，并且大幅度减少了信道的干扰和噪声。
下面是波束成形的相关概念和应用：一、传统无线通信中的问题在传统的无线通信中，由于无线信号会受到多径传播、衰减、干扰和噪声等复杂因素的影响，导致信号的传输质量不稳定、覆盖范围有限，甚至出现盲区。
为了解决这些问题，学者们开始尝试利用波束成形技术控制无线信号的传输方向和形状。
二、波束成形的原理波束成形的原理是通过设置发射和接收天线来控制信号的传输方向和形状，并通过信号处理算法将天线之间的信号相加来达到优化信号传输的效果。
该技术不仅可提高信号传输速率，还可以提高网络的可靠性和安全性。
三、波束成形的应用领域波束成形技术可以用于多个应用领域，包括：1. 通信网络：波束成形技术可用于无线通信网络，如Wi-Fi、4G和5G 等。
通过使用波束成形，网络管理员可以控制信号发射和接收的方向，从而提高网络的覆盖范围和信号传输的速率。
2. 雷达和声纳：波束成形技术同样也可以应用于雷达和声纳系统中，用于追踪和探测目标。
通过利用多个天线来捕获信号，系统可以更准确地确认目标的位置和距离。
3. 航空航天：波束成形技术也可用于航空航天领域。
航空航天单位可以利用波束成形技术来控制无线信号的传输方向和形状，从而保证通信质量和安全性。
四、波束成形的优点和趋势波束成形技术的优点在于能够提高信号传输速率、稳定性和覆盖范围，同时减少干扰和噪声。
在未来，波束成形技术将极有可能在物联网、工业自动化、医院护理和安全监控等领域得到广泛应用，成为未来无线通信技术的重要组成部分。
双mic波束成型 算法
双mic波束成型算法
双麦克风波束成型（Dual-Microphone Beamforming）算法是一种利用多个麦克风进行语音信号采集并进行处理的技术。
该技术可以使语音信号的信噪比得到显著提高，从而增强语音信号的清晰度和可识别性。
双麦克风波束成型算法的基本思想是利用两个麦克风接收到的信号之间的时间差以及声波在空气中传播时的特性，从而消除语音信号中的噪声和回声。
算法通常包括以下步骤：
语音信号采集：利用两个麦克风分别采集语音信号。
声源定位：通过分析两个麦克风采集到的信号的时间差，确定声源在空间中的位置。
波束形成：根据声源位置和两个麦克风的位置关系，计算得到一个波束形成器，使其只接受来自声源方向的信号，从而消除噪声和回声。
信号增强：根据波束形成器的输出信号，进行信号增强，使语音信号更加清晰。
双麦克风波束成型算法通常应用于智能音箱、智能手机等场景中，可以提高语音识别和语音交互的质量。
波束形成基础原理总结
波束形成基础原理总结一、简述想象一下你在一个嘈杂的房间里，周围有各种各样的声音，但是当你调整麦克风的朝向，就能够选择性地接收特定方向的声音。
这个过程就是一种基础的波束形成，了解了波束形成的基本原理，我们就能更好地理解和应用各种声音设备，比如耳机、音响、麦克风等。
那么接下来我们就来详细了解一下波束形成的基础原理吧！1. 波束形成技术的背景与重要性波束形成技术，听起来好像是个很高大上的词汇，但其实它在我们的日常生活中有着非常重要的应用。
简单来说波束形成就是在处理声音或信号时，通过特定的技术手段，让信号源形成一束可控制的波束，使其按照一定的方向传播。
这样的技术究竟有什么背景与重要性呢？别着急我们来聊聊。
2. 波束形成技术的发展历程及现状波束形成技术从初步的探索到如今的广泛应用，经历了一段不平凡的发展历程。
说起来这项技术也真是与时俱进，紧跟着科技的步伐在前进。
记得小时候看科幻电影，里面就有通过特殊设备将声音定向传输的设定，这就是波束形成技术的雏形。
而在现实中，这项技术从最初的理论研究，逐步发展到实际应用，经历了数十年的时间。
随着科技的发展，现在的波束形成技术已经广泛应用于各个领域。
比如说现在的虚拟现实、增强现实设备中就经常用到波束形成技术，让用户在享受视听盛宴的同时，也能有方向性的声音体验。
还有在语音识别、通讯等领域，波束形成技术也是不可或缺的一环。
现在许多手机厂商都在宣传他们的手机拥有出色的波束形成技术，能够带来更清晰、更精准的通话和音频体验。
不过虽然波束形成技术发展迅速，但还有很多挑战需要我们去面对。
比如如何进一步提高波束的精度、如何降低能耗等等问题。
但无论如何，波束形成技术都在不断地进步和发展中，相信未来这项技术会带来更多的惊喜和改变。
二、波束形成基础概念你是不是常常在生活中看到或听到有关“波束形成”这个词可能感觉它很神秘、很高大上。
其实波束形成并不像我们想象的那么复杂，简单来说波束形成就是在处理声音或信号时，通过某种方式把分散的波动集中成一个方向性的波束，让它像一束光一样指向特定的方向。
麦克风阵列声源处理 波束成形法matlab
麦克风阵列声源处理波束成形法matlab文章标题：深入探讨麦克风阵列声源处理和波束成形法在Matlab中的应用摘要：本文将从基础概念出发，深入探讨麦克风阵列声源处理和波束成形法在Matlab中的应用。
我们将详细介绍麦克风阵列的工作原理和波束成形法的基本概念，以及在Matlab编程中如何实现这些技术。
通过本文的阅读，读者将对麦克风阵列声源处理和波束成形法有了更加深入的理解，并能够在Matlab中进行相关应用和实践。
1. 麦克风阵列声源处理在现代通信和声学领域，麦克风阵列声源处理技术被广泛应用。
麦克风阵列是一种由多个麦克风组成的声学传感器系统，通过对多个信号进行处理，可以实现对声源的定位、分离和增强。
在声音捕捉和信号处理中，麦克风阵列可以大大提高系统的性能和鲁棒性，因此深入理解麦克风阵列声源处理技术对于相关领域的研究和应用具有重要意义。
麦克风阵列的原理是利用多个麦克风接收同一声音源的信号，并通过对这些信号进行时延和增益的调整，使得声音源在某个方向上得到增强，而在其他方向上得到抑制。
这样就能实现对声音源的定位和分离，并且可以有效地抑制来自其他方向的干扰声音。
在Matlab中，可以利用信号处理工具箱和数据处理工具进行麦克风阵列声源处理的仿真和实验，以便更好地理解和应用这一技术。
2. 波束成形法波束成形法是一种利用相控阵或麦克风阵列进行信号处理的方法。
在波束成形法中，通过对多个传感器接收到的信号进行加权和相位调节，可以实现对特定方向上的信号增强，从而抑制其他方向上的干扰。
波束成形在雷达、通信和声学等领域都有着重要的应用，其基本原理和算法也是相关领域研究的重要内容之一。
在Matlab中，可以通过编程实现波束成形法的仿真和实验，以便更好地理解和应用这一技术。
通过对多个传感器接收到的信号进行加权和相位调节，可以实现对特定方向上的信号增强，从而抑制其他方向上的干扰。
这种定向性的信号处理方法在实际应用中能够大大提高系统的性能和可靠性，因此对波束成形法的深入理解和应用具有重要的意义。
《麦克风阵列近场波束形成典型方法的比较研究》范文
《麦克风阵列近场波束形成典型方法的比较研究》篇一一、引言随着音频处理技术的不断发展，麦克风阵列技术已成为音频信号处理领域的一个重要方向。
近场波束形成是麦克风阵列技术中的一项关键技术，它可以通过对多个麦克风的信号进行加权求和，从而形成指向性波束，提高目标声音的信噪比。
本文将对麦克风阵列近场波束形成典型方法进行比较研究，为相关领域的研究和应用提供参考。
二、麦克风阵列近场波束形成的基本原理麦克风阵列近场波束形成是通过多个麦克风的信号进行加权求和，从而形成指向性波束。
其基本原理包括信号的采集、预处理、波束形成和后处理等步骤。
在近场条件下，由于声波的传播距离较短，麦克风阵列中各麦克风接收到的信号具有明显的相位差和幅度差异，因此需要根据实际场景和需求进行加权处理。
三、典型近场波束形成方法1. 延迟求和法延迟求和法是一种简单的近场波束形成方法。
该方法通过估计声源到达各麦克风的传播时间延迟，对各麦克风的信号进行时间对齐后求和，从而形成指向性波束。
该方法具有计算复杂度低、实时性好的优点，但波束指向性较差，容易受到环境噪声的影响。
2. 最小均方误差法最小均方误差法是一种基于统计优化的近场波束形成方法。
该方法通过最小化期望信号与实际输出信号之间的均方误差，求解最优的加权系数。
该方法具有较高的指向性和抗干扰能力，但计算复杂度较高，实时性相对较差。
3. 基于频域的波束形成方法基于频域的波束形成方法是将信号从时域转换到频域进行处理的方法。
该方法通过估计声源的频率和到达角度信息，对各麦克风的频域信号进行加权求和。
该方法具有较高的指向性和抗干扰能力，同时可以有效地抑制空间混响和噪声。
但需要注意的是，在处理过程中需要考虑到频率分辨率和混响时间等因素的影响。
四、典型方法的比较分析针对上述三种典型的近场波束形成方法，本文从计算复杂度、指向性、抗干扰能力、实时性等方面进行比较分析。
延迟求和法计算复杂度低、实时性好，但指向性较差；最小均方误差法具有较高的指向性和抗干扰能力，但计算复杂度较高；基于频域的波束形成方法在指向性和抗干扰能力方面具有较好的性能，但需要考虑频率分辨率和混响时间等因素的影响。
5g通信中的波束成形原理
5g通信中的波束成形原理5G通信中的波束成形原理随着5G通信技术的迅猛发展，波束成形技术作为其重要组成部分，受到了广泛关注。
波束成形是指通过调整天线的辐射方向和功率分布，将信号集中在特定的方向上，以提高信号传输的效率和可靠性。
本文将详细介绍5G通信中的波束成形原理，并探讨其在实际应用中的指导意义。
首先，要理解波束成形的原理，就需要了解MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术。
MIMO技术利用多天线发射和接收信号，通过多径传播和空间多样性来提高通信系统的性能。
在5G中，MIMO技术得到了广泛应用，多个天线可以同时发送和接收信号，增加了信号的容量和可靠性。
其次，波束成形通过对天线阵列中的每个单元进行相位和功率的控制来实现。
每个天线单元会发射或接收一个相位和放大后的信号，通过合理的调整，这些信号在特定的方向上会发生干涉，形成一个强大的波束，从而实现信号的聚集。
波束成形的关键在于相位控制。
通过调整每个天线单元的相位，可以使得信号在特定方向上具有相位的远场干涉，从而增强信号能量的密度，并使得信号在所需的方向上进行聚焦。
相位控制的准确性和精度直接影响到波束成形效果的好坏。
因此，在实际应用中，需要借助先进的信号处理算法和精确的控制手段来提高波束成形的性能。
波束成形在5G通信中具有重要的指导意义。
首先，波束成形可以大大提高信号的传输效率和可靠性，通过将信号集中在特定的方向上，可以减少信号的衰减和干扰。
这对于提供更高的传输速率和更广阔的覆盖范围至关重要。
其次，波束成形使得通信系统具备了适应多用户和多信道的能力。
通过调整波束的形状和方向，可以将信号分发给多个用户，并实现多用户之间的隔离。
同时，波束成形还能够根据通信环境的变化对信号进行自适应调整，以提供更好的通信质量和信号覆盖。
最后，波束成形还可以提升通信系统的能源效率。
通过将信号聚焦在目标方向上，可以减少其他方向上的能量传输，从而降低了能量消耗。
声学波束成形技术的原理
声学波束成形技术的原理【中英文实用版】Title: Principles of Acoustic Beamforming TechnologyTitle: 声学波束成形技术的原理In the field of sound manipulation, acoustic beamforming is a technique that has gained significant attention due to its ability to control and direct sound waves.This technology allows for the concentration of sound energy into a narrow beam, much like a laser beam of light.在声波操控领域，声学波束成形技术因其能够控制和引导声波而受到了广泛关注。
这项技术能使声能集中到一个狭窄的波束中，就像激光光束一样。
The basic principle of acoustic beamforming involves the use of multiple microphones arranged in an array to capture sound.These microphones work together to analyze the sound wavefront and then adjust the phase and amplitude of the sound waves to create a focused beam.声学波束成形的基本原理涉及使用多个麦克风组成的阵列来捕获声音。
这些麦克风协同工作，分析声波波前，然后调整声波的相位和振幅，以产生一个聚焦的波束。
By controlling the relative delay of the sound waves reaching each microphone in the array, the technology can steer the beam in different directions.This steering capability is particularly useful in applications such as noise reduction and targeted sound transmission, where it isnecessary to control the direction of the sound wave.通过控制声波到达阵列中每个麦克风的相对延迟，这项技术可以控制波束朝不同的方向偏转。
干货解析5G背后的核心技术：波束成形
干货解析5G背后的核心技术：波束成形雷锋网按：虚拟现实、无人机、自动驾驶，在这些炫酷的热门技术背后，都能看到 5G 移动通信系统的身影。
今年春季，3GPP 组织将5G 部分空口标准化工作由研究阶段转入工作阶段。
这意味着，经过多年的热切期盼，传说中的 5G 这次真的要来了!5G 基站可以支持大规模天线阵列，可配置的天线数量甚至可以达到 1024 根。
要充分发挥这些大规模天线阵列的潜力，5G 的波束成形技术 (Beamforming) 绝对必不可少! 今天我们就带大家一起，靠近这双助力 5G 通信腾飞的翅膀。
波束成形技术原理在空间传播过程中，无线信号的质量会出现衰减。
这种被称之为“路损”(path-loss) 的衰减现象会对通信系统产生巨大的影响。
特别是对于毫米波段的 5G 通信系统，高达几十 dB 的信号衰减可能会导致系统无法正常工作。
在这种情况下，波束成形技术就可以大显身手，有效对抗路损。
研究人员在很久之前就已发现：多天线通信可以提高无线信号的传输质量。
无线信号在空间传播如同船在水中行驶，路损就相当于水对船产生的阻力；天线以一定功率发送无线信号，如同船桨克服水阻推动船前行。
5G 系统采用 beamforming 技术传统基站的天线数目少，无线信号传输质量就有限。
这一点与独排或双桨的行船方式类似，由于桨少、人少、力量小而导致行船速度缓慢。
5G 基站则采用了大规模天线阵列，果断将独排和双桨升级到龙舟，桨多人多，力量爆棚! 波束成形技术通过调节各天线的相位使信号进行有效叠加，产生更强的信号增益来克服路损，从而为5G 无线信号的传输质量提供了强有力的保障。
如同龙首的鼓点引导龙舟众多桨片密切配合，使得龙舟竞速，船行如箭，是不是猴塞雷?!Beamforming 技术产生指向性波束有趣的是，波束成形技术会对无线信号的能量产生聚焦，形成一个指向性波束 (Beam)。
通常波束越窄，信号增益越大。
但副作用是，一旦波束的指向偏离用户，用户反而接收不到高质量的无线信号，可谓是差之毫厘，谬以千里! 因此，如何将波束快速对准用户便成为5G 标准中波束管理 (Beam Management) 技术的主要内容5G 的波束管理技术结合刚刚出炉的5G 标准在研究阶段的成果，以及移动通信的下行过程 (Downlink，即基站到用户的无线传输) ，我们来看一下波束管理的基本技术原理。
波束成形语音增强原理
波束成形语音增强原理咱今儿就来说说这波束成形语音增强原理，这事儿啊，听起来挺玄乎，其实琢磨透了，也挺有意思。
就好比咱在一个热闹的菜市场里头，那是啥声音都有啊，吆喝声、讨价还价声、车子的铃铛声，乱成一锅粥。
你要是想跟对面的老王头说句话，那声音得扯着嗓子喊，可还不一定能让他听清楚。
这时候啊，波束成形这玩意儿就好比给咱的声音安了个“导航”。
想象一下啊，有那么一个小小的设备，它就像一个聪明的小脑袋瓜儿，长着好多只“耳朵”。
这些“耳朵”啊，其实就是麦克风，它们分散在不同的地方，就跟站岗放哨的小兵似的，时刻准备着接收周围的声音信号。
当咱一开口说话，这些“耳朵”就开始忙活起来了。
有个声音信号就像一个调皮的小娃娃，从咱嘴里头跑出来，四面八方地乱窜。
这些“耳朵”就把接收到的这个小娃娃的各种“身影”都记下来。
然后啊，这个聪明的小脑袋瓜儿就开始分析啦，它得搞清楚这个小娃娃到底是从哪个方向跑过来的。
就好比你在人群里头找一个熟人，得先确定他是从哪个方向过来的一样。
找到了方向之后呢，这波束成形就开始发挥它的神奇魔力啦。
它就像一个聚光灯，把咱的声音信号给集中起来，朝着老王头那个方向使劲儿照过去。
这样一来，老王头就能清楚地听到咱说话啦，就跟咱俩单独在一个安静的小屋里头聊天似的。
我跟你说啊，这里头还有个挺好玩的事儿。
就好比这波束成形啊，它还能识别出那些个干扰声音。
比如说旁边有个大妈在大声地喊着卖菜的价钱，这个干扰声音就像一个捣乱的小坏蛋。
波束成形就会想办法把这个小坏蛋给“赶走”，或者让它的影响变得小一点儿。
我有一次啊，跟几个朋友在一个挺吵的环境里头聊天，就用了这个带波束成形技术的设备。
嘿，你还别说，效果那叫一个好啊！以前咱得扯着嗓子喊，喊得嗓子都快哑了，对方还不一定能听清楚。
这次啊，咱就跟平常说话似的，声音不大，可对方听得那叫一个清楚。
大家都觉得挺神奇的，还开玩笑说这玩意儿就像给咱的声音施了魔法一样。
其实啊，这波束成形语音增强原理在好多地方都有用处呢。
麦克风波束成形的基本原理
启拓专业手拉手会议，矩阵切换厂商-全球抗干扰专家麦克风波束成形的基本原理麦克风波束成形是一个丰富而复杂的课题。
所有MEMS麦克风都具有全向拾音响应，也就是能够均等地响应来自四面八方的声音。
多个麦克风可以配置成阵列，形成定向响应或波束场型。
经过设计，波束成形麦克风阵列可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。
本应用笔记仅讨论基本概念和阵列配置，包括宽边求和阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。
阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。
空气中声波的频率与波长的关系方向性和极坐标图方向性描述麦克风或阵列的输出电平随消声空间中声源位置的改变而变化的模式。
ADI 公司的所有MEMS麦克风都是全向麦克风，即它们对来自所有方向的声音都同样敏感，与麦克风所处的方位无关。
图2所示为全向麦克风响应的2轴极坐标图。
无论麦克风的收音孔位于x-y平面、x-z平面还是y-z平面，此图看起来都相同。
全向麦克风响应图本应用笔记中，阵列的“前方”称为轴上方向，指拾取目标音频的方向，在极坐标图上标为0°；“后方”为180°方向；“侧边”指前后方之间的空间，中心方向分别位于90°和270°。
本应用笔记中的所有极坐标图均归一化到0°响应水平。
涉及声音频率和波长的所有公式都使用以下关系式：c = f ×λ，其中c为343 m/s，即声音在20℃的空气中的传播速度。
图1显示了这些条件下声波的频率与波长的关系。
本应用笔记末尾的“设计参数计算公式”列出了本文所用阵列设计参数的计算公式。
宽边阵列宽边麦克风阵列是指一系列麦克风的排列方向与要拾取的声波方向垂直(见图3)。
图中，d是阵列中两个麦克风元件的间距。
来自阵列宽边的声音通常就是要拾取的声音。
双麦克风宽边阵列宽边阵列可以通过基本处理实现，阵列中的麦克风简单地相加。
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启拓专业手拉手会议，矩阵切换厂商-全球抗干扰专家麦克风波束成形的基本原理麦克风波束成形是一个丰富而复杂的课题。
所有MEMS麦克风都具有全向拾音响应，也就是能够均等地响应来自四面八方的声音。
多个麦克风可以配置成阵列，形成定向响应或波束场型。
经过设计，波束成形麦克风阵列可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。
本应用笔记仅讨论基本概念和阵列配置，包括宽边求和阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。
阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。
空气中声波的频率与波长的关系方向性和极坐标图方向性描述麦克风或阵列的输出电平随消声空间中声源位置的改变而变化的模式。
ADI 公司的所有MEMS麦克风都是全向麦克风，即它们对来自所有方向的声音都同样敏感，与麦克风所处的方位无关。
图2所示为全向麦克风响应的2轴极坐标图。
无论麦克风的收音孔位于x-y平面、x-z平面还是y-z平面，此图看起来都相同。
全向麦克风响应图本应用笔记中，阵列的“前方”称为轴上方向，指拾取目标音频的方向，在极坐标图上标为0°；“后方”为180°方向；“侧边”指前后方之间的空间，中心方向分别位于90°和270°。
本应用笔记中的所有极坐标图均归一化到0°响应水平。
涉及声音频率和波长的所有公式都使用以下关系式：c = f ×λ，其中c为343 m/s，即声音在20℃的空气中的传播速度。
图1显示了这些条件下声波的频率与波长的关系。
本应用笔记末尾的“设计参数计算公式”列出了本文所用阵列设计参数的计算公式。
宽边阵列宽边麦克风阵列是指一系列麦克风的排列方向与要拾取的声波方向垂直(见图3)。
图中，d是阵列中两个麦克风元件的间距。
来自阵列宽边的声音通常就是要拾取的声音。
双麦克风宽边阵列宽边阵列可以通过基本处理实现，阵列中的麦克风简单地相加。
此类阵列的缺点是它只能衰减来自阵列侧边的声音。
后方响应始终与前方响应一致，因为阵列具有轴对称性，无法区分从前方与从后方到达麦克风的声压波。
宽边阵列适用于阵列背面或上下方没有很多声音的应用，例如壁挂式电视。
在双麦克风宽边阵列中，响应的最小值出现在90°和270°。
这些点的信号衰减在很大程度上取决于频率。
当入射频率的半波长接近麦克风的间距时，响应接近完全抵消。
对于两个间距75 mm的麦克风组成的阵列，理论上，当频率约为2.3 kHz (343 m/s ÷(0.075 m ×2)≈2.3 kHz)时，响应完全抵消。
高于理想衰减的频率时，频率将混叠，极坐标响应开始在其它角度显示零点。
此时，侧边衰减再次开始降低。
例如，图4中的3 kHz信号(淡蓝色线)发生混叠。
间距75mm的双麦克风宽边阵列的响应频率响应宽边波束成形器具有平坦的轴上频率响应，因为它只是将接收同一信号的两个麦克风的信号相加。
图5显示了间距75 mm的双麦克风宽边波束成形器的归一化响应。
在轴外，该图清楚地显示了响应的零点。
不同入射角时宽边波束成形器的归一化频率响应具有更多元件的宽边阵列也可以构建具有两个以上元件的宽边阵列，只需将额外的麦克风与原来的两个麦克风对齐，如图6所示。
宽边阵列中的麦克风数量越多，对来自阵列侧边的声音的衰减就越强。
图7显示了间距75 mm的三麦克风宽边阵列的响应。
该阵列中，来自侧边的声音衰减6 dB，而在双麦克风宽边阵列中，声音只衰减3 dB。
然而，发生混叠(立体交叉型)的频率现在更低，因为所有麦克风之间的总距离已从75 mm增加到150 mm。
三麦克风宽边阵列间距75mm的三麦克风宽边阵列的响应缩小宽边阵列中的麦克风间距可以提高混叠频率，但会降低低频时的衰减。
设计宽边阵列时，必须权衡考虑这两个因素。
对多麦克风宽边阵列中的各麦克风应用不同的加权系数，可以进一步减少混叠。
此外，通过延迟各麦克风的输出，可以将宽边阵列的主响应角调整到前方以外的角度。
系数和延迟的计算以及相应的极坐标图形超出了本应用笔记的范围。
端射阵列在端射阵列中，多个麦克风的排列方向与声音传播的目标方向一致。
如果阵列中前方麦克风(声音在轴上传播最先达到的麦克风)的信号与后方麦克风的反转延迟信号相加，则这种配置称为“差分阵列”。
图8显示了一个双麦克风端射差分阵列，麦克风间距为d，后方麦克风的信号在到达减法(或反转求和)模块之前延迟n个采样周期。
这可以用来创建心型、高心型或超心型拾音模式，其中来自阵列后方的声音被大大衰减。
双麦克风端射阵列当麦克风间距和时间延迟均选择得当时，针对混叠频率以下的频率，延迟求和波束成形器的响应是心型图案(见图9)。
心型图案不会衰减阵列前方的信号；理论上，它会完全消除以180°入射到阵列的声音。
一阶(双麦克风)延迟求和波束成形器的侧边信号衰减6dB。
双麦克风端射心型波束成形器的响应假设声音是可近似为平面波的远场传播，那么在端射阵列中，不同麦克风拾取的声音仅有到达时间上的差别。
为了创建心型拾取模式，应当延迟来自后方麦克风的信号，延迟时间等于声波在两个麦克风元件之间传输所需的时间。
这为设计端射波束成形器的系统设计工程师提供了两个自由度：麦克风的间距和应用于处理器的延迟时间。
在许多音频应用中，延迟时间的选择取决于采样速率(fS)。
如果DSP的延迟时间由单一样本的周期决定，则当fS= 48 kHz时，最短延迟为21μs。
20°C时，声音在空气中的传播速度为343 m/s；因此声波在21μs内大约行进7 mm。
利用不同滤波器，如延迟同步滤波器、全通滤波器和FFT滤波器组等，可以实现小数采样延迟，但此类处理超出了本文的范围。
与宽边阵列一样，麦克风的间距决定目标方向响应的第一个零点。
麦克风之间距离越近，零点频率越高(因而带宽更宽)。
距离越远，则阵列的物理长度越长，可能会与工业设计限制相抵触。
再次假设fS= 48 kHz，取3样本延迟时间，则声音时间延迟约为63μs。
这是声音行进约21 mm所需的时间，该距离即为实现心型图案所需的麦克风元件间距。
8.2 kHz声波的半波长为21 mm，因此这就是零点频率。
图10显示了图9所示相同端射配置的响应，此外还显示了10kHz时的响应。
除了后方的零点以外，大约±52°处还有两个零点。
双麦克风端射波束成形器的频率混叠为实现良好性能的波束成形阵列，具有电气延迟的麦克风之间的距离匹配至关重要。
图11显示了在保持延迟时间不变的同时改变麦克风之间物理距离的影响。
本例同样使用3样本延迟时间，对应于大约21 mm的距离，以便实现心型响应图案(fS = 48 kHz)。
当麦克风之间的距离小于21 mm时，后方零点并不突出，响应为准心型图案。
当物理距离大于21 mm时，响应为高心型图案，两个后方零点相对于180°点等距分开。
在需要抑制的不是正后方，而是稍微散开方向的应用中，这可能正合适，而且侧边抑制也强于心型响应的侧边抑制。
改变端射波束成形器麦克风距离的影响频率响应差分阵列波束成形器的频率响应不是平坦的，在零点频率范围内，它具有高通滤波器响应特征。
一阶波束成形器(两个麦克风元件)的响应以6 dB/倍频程的速率随频率而提高，在混叠频率以上归于平坦。
在零点频率，阵列理论上没有输出，因为延迟信号恰好与前方麦克风的信号抵消。
图12显示了不同入射角时双麦克风差分阵列波束成形器的频率幅度响应。
图中，0 dB点是单个全向麦克风输出电平。
该波束成形器使用21 mm间距和3样本延迟时间，因此轴上零点出现在大约8.2 kHz时。
在轴上，响应以6 dB/倍频程的速率提高，直到入射信号的四分之一波长与麦克风间距相同时。
过了这一点后，响应降低到零点，然后再次在3/4波长点时提高到最大值。
除了阵列元件间距与入射信号半波长相同时的轴上零点以外，在半波长的各倍数处也存在零点。
不同入射角时端射波束成形器的频率响应注意，入射角为90°的信号响应比入射角为0°的信号响应低6 dB，在轴上零点频率时具有最大输出电平。
差分波束成形算法的输出通常会应用一个均衡(EQ)滤波器，以使响应平坦。
零点频率应适当选择，不应干扰目标频率，但又不能太高，以至于造成低频信号被过分衰减。
在使用单样本延迟时间(fS= 48 kHz)和7 mm麦克风间距的端射差分阵列中，零点频率约为24.5 kHz。
如果麦克风间距为84 mm，并且使用6样本延迟时间，则混叠频率为4.2 kHz。
设计通常要求零点频率位于以上两者之间，这样既不至于太低，导致零点频率干扰语音的带宽，又不至于太高，导致低频响应被高度衰减。
基于这样要求，麦克风间距的选择一般要与两个到四个样本的延迟时间匹配。
同样，以上均假设fS= 48 kHz。
所有这些计算均与采样速率成线性比例关系。
高阶端射阵列通过增加更多的麦克风并使它们与最初的两个对齐，可以构成高阶差分阵列波束成形器。
这将能更好地抑制来自后方和侧边的声音，但是，构建波束成形器的物理距离当然也更长。
图13显示了一个二阶(三麦克风)端射波束成形器的例子。
在阵列后方的零点相同的情况下，二阶端射波束成形器可以实现12 dB的侧边衰减，如图14所示。
图中，蓝色线是一阶(双麦克风)波束成形器的响应，红色线是二阶波束成形器的响应。
二阶差分波束成形阵列一阶与二阶端射波束成形器的比较对于更高阶端射波束成形器，可以运用同样的思路，不过阵列尺寸显然会增大。
麦克风匹配为实现良好性能的麦克风波束成形器，阵列中不同元件的灵敏度和频率响应必须精密匹配。
如果不同元件的这两个参数有差异，就无法实现阵列的期望响应，零点可能不那么突出，阵列的方向性可能不是很恰当。
ADI公司MEMS麦克风的灵敏度和频率响应均精密匹配，非常适合用于波束成形阵列。
阵列处理对系统噪声的影响对信噪比(SNR)的影响取决于阵列配置和处理，阵列拓扑结构不同，可能会导致系统SNR 提高或降低。
必须选择SNR规格最高的麦克风，从而使总体系统性能最高。
在轴上，宽边波束成形器的输出类似于将两个相同信号简单相加以改善SNR。
在宽边求和阵列中，多个麦克风本身的噪声以指数形式相加。
因此，麦克风数量每增加一倍，噪声就会提高3 dB。
这种情况下，信号电平加倍，提高6 dB，而噪声则以非相干形式相加，总电平仅提高3 dB，因此SNR性能提高3 dB。
在轴外，此波束成形器的信号输出不是平坦的，如图5所示。
在轴外入射角，由于信号电平降低，SNR低于轴上峰值。
差分阵列对SNR的影响更复杂，在此不进行量化分析。
对于波长为麦克风间距2倍的频率(在图12所示例子中，此频率约为4.1 kHz)，双麦克风差分阵列波束成形器的轴上频率响应为6 dB。