beamformingantennas(波束形成天线)
波束形成与智能天线资料分析课件
REPORTING
波束形成与智能天线的相似之处
目标一致性
波束形成和智能天线都旨在提高 无线通信系统的性能，包括改善 信号干扰比、增强信号覆盖范围
和增加系统容量。
适应性调整
波束形成和智能天线都可以根据环 境和用户需求进行动态调整，以优 化通信质量。
空间选择性
波束形成和智能天线都利用空间选 择性来增强特定方向上的信号，从 而提高通信效率。
智能天线技术的优缺点
提高信号抗干扰能力
通过形成具有特定方向性的波束，智能天线能够降低来自非目标方向的干扰， 提高信号质量。
增强覆盖范围
通过集中信号能量，智能天线能够扩大信号覆盖范围，提高通信系统的覆盖能 力。
智能天线技术的优缺点
• 频谱资源优化：智能天线能够根据业务需求动态 调整波束方向，实现频谱资源的优化配置，提高 频谱利用率。
处理机制。
波束形成与智能天线的选择建议
根据应用场景
在需要高定向性和高信号增益的应用场景下，如无线局域网（WLAN）和卫星通信，波束形成可能更适合。在需要广 泛覆盖和多用户支持的应用场景下，如移动通信网络，智能天线可能更具优势。
根据系统资源
如果系统资源有限，如计算能力和功耗，波束形成可能更合适，因为其实现相对简单。如果系统资源充足，智能天线 可以提供更高的性能。
波束形成与智能天线 资料分析课件
REPORTING
• 波束形成与智能天线概述 • 波束形成技术 • 智能天线技术 • 波束形成与智能天线的比较分析 • 波束形成与智能天线的发展趋势
目录
PART 01
波束形成与智能天线概述
REPORTING
波束形成与智能天线的定义
一文看懂波束赋形 毫米波
一文看懂波束赋形毫米波波束赋形（Beamforming）是一种利用波束形成技术来提高无线通信性能的方法，特别在毫米波通信中具有重要的应用。
本文将对波束赋形和毫米波通信进行简要介绍，并重点解释波束赋形的原理、优势和应用。
波束赋形是一种通过利用多个发射/接收天线来形成指向特定方向的波束的技术。
在传统的无线通信系统中，通信信号在各个方向上均匀辐射，造成信号受到干扰且易受到衰减。
而波束赋形可以将信号能量集中在某个方向上，提高通信信号的强度，减少功率损耗和干扰。
这样可以提高信噪比，提高通信质量和可靠性。
波束赋形的实现需要借助天线阵列。
天线阵列由若干个天线组成，并按照一定的几何结构排列。
每个天线都可以独立发射和接收信号，通过改变天线的相位和幅度，可以控制信号的波束方向。
一般来说，天线阵列的天线数目越多，波束赋形的精度越高，能够获得更好的通信性能。
在毫米波通信中，波束赋形具有重要的应用。
毫米波通信采用的是比传统的GHz频段更高的频率，具有更大的频带宽度和更高的传输速率。
然而，毫米波信号的传输距离较短且易受到障碍物和大气吸收的影响，导致传输质量和距离有限。
波束赋形可以通过集中能量来克服这些问题，提高信号的传输效果。
波束赋形的原理主要通过两个步骤实现：波束训练和波束跟踪。
波束训练是指通过发送不同的训练信号、观测接收信号的响应来估计通信信道。
通过得到的通信信道信息，可以计算出合适的波束权重，从而形成特定方向的波束。
波束跟踪是指在通信过程中，根据当前通信信道的状态及时调整波束权重。
这样可以适应信道的变化，保持波束的指向性。
波束赋形相比传统的广播式通信具有许多优势。
首先，波束赋形可以提高系统的信号强度，扩大通信的覆盖范围和传输距离。
其次，波束赋形可以减少干扰源，提供更稳定的通信信号。
再次，波束赋形可以改善通信质量，提高传输速率和可靠性。
最后，波束赋形可以降低功率消耗，节省能源。
波束赋形在许多领域具有广泛的应用。
在移动通信中，波束赋形可以提高无线网络的覆盖率和容量。
测绘技术中的波束形成原理解析
测绘技术中的波束形成原理解析波束形成（Beamforming）是一种广泛应用于测绘技术中的关键原理，它具有重要的地理信息获取功能。
本文将分析波束形成的原理及其在测绘技术中的应用，并讨论其相关技术的发展和潜在的应用前景。
一、波束形成原理简介波束形成是一种通过改变天线阵列中天线的相位和振幅来控制信号主瓣（main lobe）方向的技术。
简单来说，波束形成可以使天线的感知范围聚焦在一个特定的区域，从而提高信号的准确性和分辨率。
波束形成技术的基础是多个天线的组合，这些天线通过相位控制和加权信号进行波束的形成。
相位控制决定了天线阵列中每个天线的发射和接收间的时间差，而加权信号则决定了每个天线对信号的贡献程度。
通过合理的相位控制和加权信号的配比，波束形成可以实现从多个方向接收和发射信号。
二、波束形成在测绘技术中的应用1. 雷达测绘波束形成在雷达测绘中具有广泛应用，特别是合成孔径雷达（SAR）技术。
通过合理的波束形成，SAR可以实现很高的分辨率，从而提供精确的地理信息。
此外，波束形成还可以抑制杂波和干扰信号，提高雷达信号的质量。
2. 海底测绘在海底测绘中，波束形成被用于侧扫声呐和多波束测深仪等设备。
这些设备通过控制声波的发射和接收角度，实现对海底地形的高精度测绘。
波束形成可以减少多次测量和数据处理的复杂性，提高测绘的效率和准确性。
3. 卫星遥感卫星遥感技术在大规模地理信息获取中具有重要作用。
通过波束形成技术，遥感卫星可以将接收到的微弱信号进行聚焦，从而提高信号的强度和分辨率。
波束形成还可以根据需要对特定区域进行高精度的遥感测量，为地理信息的提取和分析提供支持。
三、波束形成技术的发展及应用前景随着科学技术的进步和测绘需求的不断增长，波束形成技术得到了不断改进和拓展。
在传统的波束形成技术基础上，出现了多个改进和扩展版本，如自适应波束形成、非线性波束形成等。
这些新技术不仅进一步提高了测绘的精度和效率，还扩大了波束形成的应用领域。
波束形成算法原理
波束形成算法原理波束形成（Beamforming）是一种通过合理设计信号传输过程中的波束来达到增强接收信号或抑制干扰的技术。
在无线通信系统中，波束形成可以提高系统的容量、覆盖面积和抗干扰能力。
本文将介绍波束形成算法的原理和相关参考内容。
波束形成算法的原理如下：1. 传输信号：首先，发送端根据波束形成算法生成一组复振幅和相位的权值。
这些权值可以根据不同的算法计算，如最大比合并（Maximum Ratio Combining，MRC）、分集最小均方差（Minimum Mean Square Error，MMSE）和零交叉零自相关函数（Zero-Crossing Zero-Autocorrelation，ZZC）。
然后，通过适当的信号加工方法，将这些权值应用到各个天线上的信号上，形成波束。
2. 传输过程：在传输过程中，波束会呈现出不同的形状，如定向波束、扇形波束和全向波束。
这些形状的选择取决于特定的场景和需求。
波束的形成可以通过调整天线的振子阵列或调整天线的振子单元来实现。
3. 接收信号：接收端的天线会检测到波束形成后的信号，并利用相应的算法对这些信号进行处理。
常见的算法包括最大比合并（Maximum Ratio Combining，MRC）、分集最小均方误差（Minimum Mean Square Error，MMSE）和零交叉零自相关函数（Zero-Crossing Zero-Autocorrelation，ZZC）。
这些算法主要用于合并波束形成的信号，并提高接收端的信号质量和抗干扰能力。
波束形成算法的设计和实现涉及到多个方面的知识，包括信号处理、天线设计、无线通信系统的基本原理等。
以下是一些相关参考内容：1. 《无线通信中的波束形成技术》（作者：李维佳，出版时间：2019年）：这本书详细介绍了波束形成技术在无线通信系统中的应用。
书中提供了波束形成算法的设计方法和实现技巧，并以实际案例展示了波束形成技术的实际效果。
一种小规模超宽带相控阵天线设计
一种小规模超宽带相控阵天线设计柏艳英【摘要】目前基于阵元间强耦合效应已设计出超宽带相控阵天线,但是其规模较大.针对规模小或者在扫描方向上规模小,如何增强阵元间耦合而实现超宽带相控阵天线的问题,采用平衡对踵Vivaldi天线(BAVA)作为天线单元,优化天线单元辐射金属的形状,并采用镜像法布阵天线单元设计出一个小规模4×16的斜极化超宽带相控阵天线.仿真和试验结果表明,采用的方法可以增强小规模超宽带相控阵天线的阵元间耦合效应,实现频率0.8f0~2.0f0(f0为工作频率)驻波比小于2,法向增益达17.34~23.0 dBi,在±45°范围内实现无栅瓣扫描.该小规模超宽带相控阵天线已在实际工程中应用.%At present,a lot of ultra-wideband(UWB) phased arrays have been designed based on the strong mutual coupling between the array elements.But the UWB phased arrays are large.For a small scale or a small scale array in the scanning direction,the problem of how to achieve the ultra-wideband perform-ances by enhancing the mutual coupling between the array elements is necessary to be developed.In this paper,Balanced Antipodal Vivaldi Antennas (BAVAs) are adopted. By optimizing the radiation metal shape and arranging the direction of the antenna elements with mirroring technique,a small 4×16 oblique polarization UWB phased array is designed.The simulation and experiment results show that this method can enhance the mutual coupling between the small UWB array elements. The array has a good voltage standing-wave ratio(VSWR) less than 2.0 in the frequency 0.8f0~2.0f0(f0is the operation frequency), norm gain 17.34 ~23.0 dBi,and large scanning angle beyond 45° without gratinglobes. The designed small scale UWB phased array antenna has been applied in engineering.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2018(058)002【总页数】5页(P214-218)【关键词】超宽带相控阵天线;平衡对踵Vivaldi天线(BAVA);阵元耦合;镜像技术;大角度扫描【作者】柏艳英【作者单位】中国西南电子技术研究所,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN822.81 引言超宽带相控阵天线是天线综合技术发展的一个重要方向，有利于满足成本、尺寸、重量、性能要求，减少传感器综合的天线总数，实现天线资源的高度综合和高效共享。
beamforming 波束赋形
西安电子科技大学
宽带、传输速率高
60GHz特点
60GHz无线通信网络具有带宽大、允许的最大发射功率高等固有特性， 可以满足高速无线数据通信(>1Gbps)的需求。
由于60GHz频谱在大多数国家有大段的频率可供使用，802.11ad 每条 信道的带宽可达到2.16GHz， 这将是802.11n 信道的50倍。
60GHz无线信号的吸收作用，使得相邻空间多组60GHz无线网络 之间不会相互干扰，同时相邻空间的60GHz无线网络的安全性能也 得到提高。
60GHz无线信号的能量具有高度的方向性，99．9％的波束集中在 4．7度范围内，此无线频率适合点对点的无线通信对高方向性天线的 要求。在此频段上固定天线尺寸，天线辐射能量集中于很窄的波束宽 度内，因此不同的60GHz无线信号之间的干扰很弱。
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波束赋形的执行区间
一些疑问
西安电子科技大学
波束赋形是一种用于两个通信站点达到必要的方向天线链路 传输的机制。波束赋形训练序列是在波束赋形训练帧中的双向 的序列，用于扇区扫描和提供必要的使站点决定选择的适合传 输和接受的方向的信号。波束赋形训练成功完成后，波束赋形 就建立了。
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扇区级扫描SLS
• ISS • RSS • SSW
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波束优化BRP
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波束跟踪BeamTracking 用于在数据传输过程中根据信道状态进行动态波束调整
发起站点和回应站点都可以通过设置交换帧中的参数来发送要求波束跟踪的请求。
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波束跟踪BeamTracking
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一些疑问
directional multi-gigabit (DMG) antenna: A DMG antenna is a phased array, a single element antenna, or a set of switched beam antennas covered by a quasi-omni antenna pattern.
天线阵列技术在通信中的应用
天线阵列技术在通信中的应用天线阵列技术（Antenna Array Technology）是一种将多个天线元件组合在一起形成的系统，通过对天线的空间结构和相位进行优化设计和控制，以改善通信系统的性能和增加通信容量。
该技术已广泛应用于无线通信系统，包括移动通信、卫星通信和雷达等领域。
本文将探讨天线阵列技术在通信中的应用，并对其优势和挑战进行分析。
一、天线阵列技术的基本原理天线阵列技术是基于阵列信号处理理论和天线阵列理论，通过将多个天线元件进行合理的空间排布和相位控制，实现对信号的增益、方向性和抗干扰性能的优化，以提高通信系统的性能和效率。
天线阵列技术主要有两种工作方式：波束形成（Beamforming）和多天线分集（MIMO）。
波束形成利用空间滤波技术对接收到的信号进行加权和相位调整，使得系统可以实现对特定方向的信号进行增益，从而提高接收信号的质量和抗干扰性能。
而多天线分集则是通过将多个天线接收到的信号进行合理的组合和处理，以提高信号的可靠性和通信容量。
二、天线阵列技术在移动通信中的应用天线阵列技术在移动通信中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 波束形成技术天线阵列技术可以通过波束形成技术实现对特定方向信号的增益，从而改善通信系统的覆盖范围和抗干扰性能。
通过合理控制天线阵列的相位和权重，可以使得信号在目标方向上的增益最大化，而在其他方向上的干扰信号则最小化。
这使得系统可以实现对目标用户的信号增益，提高通信质量。
2. 多天线分集技术天线阵列技术通过多天线分集技术可以提高信号的可靠性和通信容量。
多天线分集技术利用多个天线接收到的独立信号进行合理的组合和处理，以抑制多径衰落和干扰信号，提高通信质量和覆盖范围。
此外，多天线分集技术还可以实现多用户之间的空分复用，提高通信系统的容量。
三、天线阵列技术在卫星通信中的应用天线阵列技术在卫星通信中也有着重要的应用，主要表现在以下几个方面：1. 电波束控制技术卫星通信系统需要覆盖广阔的地理范围，而天线阵列技术可以通过电波束控制技术实现对信号的灵活指向，使得信号主要集中在用户所在区域，减少信号的传播损耗和干扰，提高通信质量。
雷达信号处理中的波束成形技术
雷达信号处理中的波束成形技术雷达（Radar）是一种使用电磁波探测目标的技术。
雷达可以通过探测的反射信号来确定目标的位置、速度以及其它的特征。
为了获取可靠的雷达反射信号并且削弱干扰信号，波束成形技术在雷达的信号处理中是非常重要的。
波束成形技术（Beamforming）是使用多个微弱信号源来合成更强的信号的一种技术。
在雷达中，固定多个天线元件，可以形成一个虚拟的天线阵列。
从每个天线元件接收到的反射信号被送入一个复杂的算法中，根据目标的位置和方向在虚拟的天线阵列中形成一束较强的电磁波。
由于不同的目标反射信号不同，因此波束成形技术需要正确地合成信号以便在最佳情况下进行目标探测。
在雷达信号处理中，波束成形技术通常被分为两类：波束定向和波束形成。
波束定向波束定向（Beam Pointing）是一种将雷达的信号聚焦在特定方向上的技术。
这种技术通常使用于跟踪运动目标的雷达系统中。
由于目标的移动，雷达系统需要调整波束的方向以便在最佳情况下接收目标的反射信号。
波束定向通常使用机械或电子方式来实现。
机械波束定向使用旋转天线的方式来调整波束的方向。
当天线旋转时，天线会扫描一定的角度范围内的目标，但这种方式的波束成形速度相对慢。
电子波束定向则使用相位延迟器来调整不同天线的接收信号相位，这样即可精确地调整波束的方向。
电子波束定向可以实现快速响应但是价格较高。
波束形成波束形成（Beam Forming）是一种将多个反射信号合成成一个较强信号的技术。
这种技术通常被使用在静止目标的雷达系统中，它可以形成一个具有良好方向性的波束。
波束形成通常使用基于信号处理的方式来计算出波束的权重和相位。
最终，所有反射信号的成分都被合成成一个方向性很强的波束。
由于信号处理的速度较快，因此波束形成相对于波束定向实现得更加快速。
研究表明，波束成形技术在雷达信号处理中非常重要。
利用波束成形技术可以精确地探测目标，削弱干扰信号，并且提高雷达系统的灵敏度。
第四章 波束形成(Beamforming)
1 x1 (t ) αZ (t ) jφ x (t ) αZ (t )e jφ 2 = αZ (t ) e = Z (t ) = M M M j ( M 1)φ j ( M 1)φ e xM (t ) αZ (t )e = αZ (t )a (θ ) (4.1.6)
a (θ i ) = [1, e
j
2π
λ
d sin(θ i )
,L, e
j
2π
λ
d ( M 1) sin(θ i )
]T
S ( k ) = [ s1 ( k ), s2 ( k ),L, s p ( k )]T
n(k ) = [n1 (k ), n2 (k ),L , nM (k )]T
阵列信号的二阶统计量,阵列协方差矩阵(均值为零)
[
]
(4.1.1)
基带信号Z(t)是接收信号的复包络, 通过对S(t) 解调得到. 阵元接收信号时,各阵元对同一信号有时间延迟.
Sτ ( t ) = S ( t τ ) = Re Z ( t τ ) e
延迟信号的复包络为:
[
j 2 π f cτ
e
j 2πf c t
]
(4.1.2)
Z τ ( t ) = Z ( t τ ) e j 2πf cτ
H = E{[s1(k)a(θ1) +L+ sp (k)a(θp )][s1H (k)aH (θ1) +L+ sp (k)aH (θp )]} H
s1(k) +L+ sp (k) s1(k) +L+ sp (k) M M = E{s } j ( M1)p j ( M1) p s1(k)e j(M1)1 +L+ sp (k)e s1(k)e j(M1)1 +L+ sp (k)e x1(k) H = E{ M [x1(k),L, xp (k)] } xp (k)
5G(NR)与波束赋形(Beamforming)
5G(NR)与波束赋形(BeamfOrming)#5G#波束斌形波束赋形技术在4G(1TE)网络中已被广泛应用,其主要用于提高网络小区性能。
波束斌形对于5G(NR)蜂窝通信中更加重要,它可以帮助在更高频率范围(如厘米波和毫米波中)部署5G网络;因为在这些频率范围内要实现完整的小区覆盖，必须补偿高频信号的高路径损耗。
5G(NR)网络中动态波束控制也非常重要;终端设备(UE)由于移动,其他物体(如汽车甚至人体)都会阻挡无线电波的传播影响信号传输。
下面这些例子都会影响无线通信：•固定无线接入场景中,家庭客户端设备(CPE)连接到室外5G基站(BS)。
在这种场景下波束扫描可确定使用的最佳波束。
•道路上行驶的车辆连接网络时,波束(BF)也需要动态变换(或切换)。
波束赋形对波束赋形(Beamforming)支持是5G(NR)无线网络一项基本能力,这将影响物理层和更高层资源分配和使用；这是由于无线网络基于两个基本物理资源:同步(SS/PBCH)块和信道状态信息参考信号(CSI-RS)O波束赋形(BF)基本原理是在天线阵列中使用大量天线(振子)；每个天线都可以通过移相器和衰减器进行控制；天线(振子)长度通常是无线信号波长的一半，通过调整每个天线相位以控制波束发射方向。
优化后在上行(U1)中发送相同的方向上发送(下行)波束，这意味着天线及其控制逻辑必须能够测量信号的“到达角”。
如果信号来自天线前方某一方向,则所有元件将同时接收到信号的相位前沿。
如果角度为45度,天线将接收到信号的相位前随时间扩展。
通过测量到达相位前沿与天线之间的时间延迟,可以计算到达角。
为在同一方向发送信号，发送信号相位前沿应该以相同的时间扩展发送。
相移可以在数字域或模拟域中完成。
Λ∕2antennaAttenuatorPhaseshifter二一和老朗一起宇5G5G(NR)网络中波束赋形(BF)不仅在水平方向，而且在垂直方向上能够引导波束,这也被称为3DMIMO o为了能够做到这一点天线需要放在一个正方形中,既均匀方阵(UIIifOrmSquareA1Tay-USA)中。
波束形成和doa估计的关系
波束形成和doa估计的关系
波束形成（Beamforming）和方向（DOA）估计是无线通信和信
号处理中密切相关的概念。
波束形成是一种通过调整天线阵列中各
个天线的权重来实现对特定方向上信号增强或抑制的技术。
而方向
估计则是指在接收到信号后，通过信号处理技术来估计信号的传输
方向。
这两者之间存在着密切的关系。
首先，波束形成技术可以利用DOA估计来确定需要形成的波束
方向。
通过对接收到的信号进行处理，可以估计出信号的传输方向，然后根据估计的方向来调整天线阵列中各个天线的权重，使得天线
阵列在该方向上增强信号的接收，从而提高信号的接收质量。
因此，波束形成的性能很大程度上依赖于对传输方向的准确估计，而这正
是DOA估计所要解决的核心问题之一。
另外，波束形成和DOA估计也可以相互促进，相互优化。
在实
际应用中，波束形成系统通常会结合DOA估计算法，通过不断地对
接收到的信号进行估计和处理，来优化波束形成的效果。
同时，DOA
估计的准确性也会受到波束形成技术的影响，因为波束形成会影响
到信号的传输和接收，进而影响到DOA估计的准确性。
总的来说，波束形成和DOA估计是相辅相成的，它们之间相互依赖、相互影响。
在实际系统中，需要综合考虑波束形成技术和DOA估计算法的特点和性能，来设计和优化无线通信系统，以实现更好的信号接收和处理效果。
数字波束形成DBF
数字波束形成D B F 集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]摘要随着高速、超高速信号采集、传输及处理技术的发展,数字阵列雷达已成为当代雷达技术发展的一个重要趋势。
数字波束形成(DBF)技术采用先进的数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理,能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力,是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。
并且是无线通信智能天线中的核心技术。
本文介绍了数字波束形成技术的原理，对波束形成的信号模型进行了详细的推导，并且用matlab仿真了三种计算准则下的数字波束形成算法，理论分析和仿真结果表明以上三种算法都可以实现波束形成，并对三种算法进行了比较。
同时研究了窄带信号的自适应波束形成的经典算法。
研究并仿真了基于最小均方误差准则的LMS算法、RLS算法和MVDR 自适应算法，并且做了一些比较。
关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差ABSTRACTWith the development of high-speed, ultra high-speed signal acquisition, transmission and processing technology, digital array radar has became an important trend in the development of modern radar technology. Digital beamforming (DBF) technology uses advanced digital signal processing technology to process the signal received by antenna array. It can improve the anti-jamming ability of radar system greatly and it is one of the key technology。
无线通信网络中的波束成形技术
无线通信网络中的波束成形技术在日常生活中，我们随处可见的通信设备，如手机、电视、无线路由器等，都依赖于无线通信技术。
而无线通信技术的核心之一就是波束成形技术。
本文将深入探讨无线通信网络中的波束成形技术。
一、波束成形技术的基本概念波束成形技术（Beamforming）是指控制天线发射功率和相位，在不改变载波频率的情况下，快速调整天线辐射方向和强度，以达到波束聚焦的目的。
波束聚焦后，信号强度大大增加，信噪比也随之提高。
从而可以使通信距离增加，减少信号干扰和功率损耗，提高通信速率和网络容量。
波束成形技术基于微波通信理论和数字信号处理技术，主要有数字波束成形技术和模拟波束成形技术两种形式。
其中数字波束成形技术适用于数字信号处理复杂、系统稳定的无线通信网络；而模拟波束成形技术则适用于信号处理简单、系统设计简化的网络。
二、波束成形技术的工作原理波束成形技术的实现基于所用天线阵列的相位控制技术，天线阵列可构成不同的波束。
波束形成的过程大致可以分为以下三个步骤：1. 方向估计在波束成形的过程中，需要先根据移动目标或者用户设备位置来推算其在信号空间中的方向。
方向估计一般采用的方法有最大似然估计（ML）和最小均方误差（MSE）估计等。
2. 波束形成在天线阵列中，每个天线根据所接受的信号情况调整其输出信号的相位和幅度，形成一个具有指向性的冲击波，从而形成波束。
波束的指向主要由相位调控，波束宽度由幅度调控。
3. 波束跟踪波束跟踪主要是指在移动场景下，通过控制阵列天线中每个天线的相位和幅度的变化，以保证波束聚焦在目标上。
波束跟踪需要对目标的移动速度和移动方向进行实时估计，并对波束参数进行调整。
三、应用场景波束成形技术在通讯领域应用较为广泛。
在低频率通信系统中，波束成形主要应用于雷达和无线电方向查找设备；而在高频率通信系统中，波束成形主要应用于无线电通信网络中。
其中，模拟波束成形技术应用非常广泛，如模拟波束成形的无线电接收器、基站、天线、电视、测向仪等。
数字波束形成-DBF
最小均方误差
SNR
Signal to Noise Ratio
信噪比
MVDR
Minimum Variance Distortionless Response
最小方差无畸变法
RLS
Recursive Least square
递归最小二乘
第1章绪论
1.1
信号是信息的载体与表现形式,信息蕴含在信号的某些特征之中。信号处理的目的就是提取、恢复和最大限度的利用包含在信号特征中的信息。信号处理技术早期的研究主要集中在一维信号处理中,并在一维信号处理与分析中取得了很多重要成果。随着信号处理技术的发展,人们将传感器布置在空间的不同位置而组成传感器阵列,用传感器阵列对空间信号进行接收和釆样,将信号处理技术从时域扩展到空域,开辟了空域阵列信号处理这一技术领域[9]。
关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差
ABSTRACT
With the development of high-speed, ultra high-speed signal acquisition, transmissionand processing technology, digital array radar has became an important trend in thedevelopment of modern radar technology. Digital beamforming (DBF) technology usesadvanced digital signalprocessingtechnology to process the signal received by antenna array.It can improve the anti-jamming ability of radar systemgreatlyanditis one of the keytechnology。Itis the core of the smart antenna technology in wireless communicationtoo。
MIMO系统天线单元及阵列设计与研究
谢谢观看
噪声抑制：在MIMO系统中，噪声是一个重要影响因素。噪声抑制的目的是降 低系统对噪声的敏感性，提高通信的可靠性。常见的噪声抑制技术包括空间滤波、 空时编码、多用户调度等。这些技术通过优化噪声抑制策略，可以提高系统的信 噪比和误码率性能。
研究现状
MIMO系统天线单元及阵列设计的相关研究在学术界和工业界都得到了广泛的。 研究者们针对不同的应用场景，提出了各种天线单元和阵列设计的新方案。例如， 针对毫米波MIMO系统，研究者们提出了基于极化敏感阵列的天线单元和阵列设计 方法；针对大规模MIMO系统，研究者们提出了基于大规模分布式天线的阵列设计 方法。
放置位置：天线的放置位置对于MIMO系统的性能至关重要。在发送端和接收 端，天线的放置应尽量保证空间的均匀分布，以实现各天线之间的独立性。此外， 还需考虑天线之间的距离，以保证信号的衰减不至于过大。
数量选择：MIMO系统天线数量的选择需根据实际情况进行权衡。增加天线数 量可以提高系统的并行传输能力和容量，但同时也会增加系统的复杂性和成本。 因此，在选择天线数量时，需要综合考虑多种因素。
目前，MIMO稀疏阵列SAR天线的设计主要分为基于优化算法的设计和基于人 工智能的设计两种方法。基于优化算法的设计方法主要通过优化天线的位置和大 小，以实现最优的稀疏阵列。而基于人工智能的设计方法则通过利用机器学习和 深度学习等人工智能技术，自动地设计出最优的稀疏阵列。
这两种方法各有优缺点，基于优化算法的设计方法运算速度较快，但可能陷 入局部最优解；而基于人工智能的设计方法则可以更好地挖掘数据中的隐含信息， 但需要大量的训练数据和计算资源。
阵列设计
阵列设计是MIMO系统的重要组成部分，其原理主要包括天线阵列的构建、信 号处理算法、噪声抑制等。
常规波束形成法英文
常规波束形成法英文Conventional Beamforming Techniques.Beamforming is a signal processing technique widely used in radar, sonar, wireless communications, and other fields to enhance the signal-to-noise ratio by combining signals from multiple antennas or sensors. Among various beamforming techniques, conventional beamforming is one of the most basic and commonly employed methods.The principle behind conventional beamforming is relatively straightforward. Consider a linear array of antennas, where each antenna receives a signal from a particular direction. The received signals from all the antennas are then combined, weighted appropriately, to form a beam in a desired direction. This beam is effectively a strengthened version of the original signal, with noise and interference suppressed.The weighting coefficients used in conventionalbeamforming are typically determined based on the geometry of the antenna array and the desired beam direction. For a uniform linear array (ULA), the weights are usually proportional to the phase shift introduced by the wavefront as it travels from one antenna to the next. This phaseshift depends on the wavelength of the signal and the spacing between antennas. By adjusting the phase shift, the beam can be steered to scan different directions.The performance of conventional beamforming is limited by several factors. One such factor is the beamwidth, which determines the angular resolution of the system. A narrower beamwidth implies higher angular resolution but alsoresults in a lower signal-to-noise ratio (SNR) due to the reduced amount of signal energy collected. On the other hand, a wider beamwidth provides better SNR but at the cost of reduced angular resolution.Another limitation of conventional beamforming is its inability to handle multiple simultaneous sources effectively. When multiple sources are present, the beamformed output may contain contributions from allsources, leading to interference and degradation in performance. To address this issue, more advanced beamforming techniques such as adaptive beamforming or spatial filtering are employed.Despite its limitations, conventional beamforming remains a popular choice in many applications due to its simplicity and computational efficiency. It is often usedas a building block for more complex beamforming algorithms, providing a robust foundation for signal processing tasks.In conclusion, conventional beamforming is a fundamental signal processing technique that enables directional signal enhancement through the combination of signals from multiple antennas or sensors. While it has its limitations, it remains a widely used method due to its simplicity, efficiency, and adaptability to various applications. With the continuous evolution of signal processing technology, conventional beamforming continuesto play a crucial role in radar, sonar, wireless communications, and other fields.。
基于波束成形天线的分簇时间同步算法
2016年第12淛 y信息疼甲文章编号=1009 -2552 (2016) 12 -0001 -05 DOI：10. 13274/ki.hdzj.2016. 12. 001基于波束成形天线的分簇时间同步算法詹浩，丁良辉，杨锋，钱良(上海交通大学电子工程系，上海200240)摘要：波束成形天线相比较定向天线具有波束集中，抗干扰能力强等特点，配备波束成形天线的节点间通信复杂，造成网络同步困难。
文中提出一种分簇网络时间算法解决基于波束成形天线网络同步问题，算法分为选举，分簇，同步三个阶段，选举阶段选举网络根节点，分簇阶段工作于定向天线且网络时间异步场景下，利用网络根节点作为分簇的初始节点完成网络分簇，同步阶段利用簇间同步与簇内迭代完成全网节点同步。
仿真分析了算法的开销并能够促使网络时间收敛。
关键词：波束成形；时间同步；网络分簇中图分类号：T N927+.4 文献标识码：AClustered-based time synchronization algorithm usingbeamforming antennasZHAN Hao, DING Liang-hui，YANG Feng，QIAN Liang(Department of Electronic Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China) Abstract:Comparing with omnidirectional antennas，beamlorming antennas own beam focusing andstrong anti-jamming capability.However，the node using beamlorming antennas have d i f f i c u l t i e s in time synchronization.The paper proposes a cluster-based time synchronization protocol t o address the synchronization in wireless networks using beamforming antennas.The algorithm can be divided into three phases：election，clustering and synchronization.In election stage，nodes elect the node owing the most neighbors as the root.In the clustering stage，the protocol，working on directional and asynchronous scene，take the root as the f i r s t node t o divide the network into clusters.And in synchronization stage，the network u t i l i z e s the clusters t o synchronize.The cost in the algorithm i s analyzed in the simulation and the protocol can promote the convergence o f the network time.Key words：beamlorming；time synchronization；clustering network0引言无线Ad H o c网络是一种无线自组织多跳网络, 具有多跳通信，自组织,动态性等特点。
Antenna技术在通信中的作用
Antenna技术在通信中的作用随着科技的不断发展，无线通信已经成为我们日常生活中必不可少的一部分。
从手机、平板电脑、电视，到无人机、车联网等各种终端设备，都需要使用无线网络进行数据传输。
而在无线通信中，天线技术（Antenna Technology）则是至关重要的一环。
本文将深入探讨Antenna技术在通信中的作用和应用。
Antenna技术的基本原理首先，让我们来了解一下Antenna技术的基本原理。
简单来说，Antenna就是一种将电磁波转换成电信号（或者将电信号转换成电磁波）的装置。
所有的无线通信都是通过这种方式实现的。
天线是根据特定的频率和功率来设计的。
Antenna技术的主要作用Antenna技术在无线通信中的主要作用就是传输和接收信号。
通常情况下，无线信号分为电磁波和电信号。
电磁波是以无线电波的形式进行传输的，而电信号则是在不同的物理层中进行传输的。
天线的主要作用就是将电磁波转换成电信号，或将电信号转换成电磁波。
换而言之，天线不仅可以传输信号，还可以接收信号。
Antenna技术在移动通信中的应用Antenna技术在移动通信中的应用最为广泛。
以手机为例，其天线系统通常由多个天线组成，包括主天线和辅天线。
主天线通常用于发送和接收语音和数据信号，而辅天线则主要用于网络搜索和定位。
Antenna技术在5G通信中的应用随着5G通信技术的发展，Antenna技术也得到了更加广泛和深入的应用。
在5G通信中，采用了新的天线技术，如大规模MIMO （Massive MIMO）和波束形成（Beamforming），实现了更高的信号传输速度和可靠性。
大规模MIMO可以通过同时使用多个天线，将传输信号与反射信号进行合并，提高信号质量。
而波束形成则可以根据用户的位置和需求，将信号定向传输，从而减少信号干扰和衰减。
Antenna技术在智能家居中的应用除了移动通信，Antenna技术也在智能家居中得到了广泛应用。
大规模天线的概念和原理
大规模天线的概念和原理大规模天线是指具有大量单元天线的系统，它们通过合作与协作来提高无线通信性能。
与传统的天线不同，大规模天线利用多个单元天线的阵列来实现波束形成和空间自适应处理，从而显著提高通信容量和系统性能。
本文将从概念，原理和应用领域三个方面来详细解析大规模天线。
概念：大规模天线，也称为“巨大MIMO（massive MIMO）”或“超多输入多输出”，是一种近年来兴起的无线通信技术。
它采用了大量的天线（通常在几十到几百根之间），并且能够在相同频带上同时对多个用户进行干扰限制通信，从而显著提高通信速率和可靠性。
原理：大规模天线的核心原理是空间多重信道效应，即当多个单元天线分布在不同位置上时，它们可以利用多径传播和信号衰减来达到传输多个数据流的目的。
在传统MIMO系统中，由于天线数量相对较少，其多径传播效应较弱，无法显著提高通信容量。
而大规模天线利用了具有很多天线的阵列，从而使其信号传输具有了更复杂的空间特性。
具体来说，大规模天线利用波束形成（beamforming）技术来将无线信号聚焦到用户位置，从而提高信号强度和传输速率。
通过对各个天线的相位和幅度进行调整，使得从天线阵列发射的信号能够形成一个主瓣，将信号能量集中在用户所在的方向。
同时，通过空间自适应处理，大规模天线能够降低多路径衰落对信号的影响，减少干扰，提高信号质量和传输容量。
应用领域：大规模天线技术在无线通信领域具有广泛的应用前景。
首先，大规模天线可以满足高容量和高速率的通信需求。
随着无线移动终端用户数量的增长和对高速宽带的需求，大规模天线可以大幅提高网络容量，实现更高的用户连接数和更快的数据传输速率。
其次，大规模天线也可以改善无线网络的覆盖范围和信号质量。
通过波束形成和空间自适应处理，大规模天线能够将信号能量更集中地发送到需要的区域，从而提供更广阔的覆盖范围和更稳定的信号质量。
此外，大规模天线还可以降低系统功耗和减少干扰。
由于大规模天线能够精确控制信号的方向性和传输功率，它可以减少不必要的干扰，提高系统能量效率。
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Neuronal spike discrimination; fetal heart monitoring; tissue hyperthermia; hearing aids
Source: B.D.Van Veen and K.M. Buckley, University of Michigan, “Beamforming: A Versatile approach to spatial filtering”,1988
t
1.2104
t
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Phased array spike sorting system
0.042 Ey3Hale Waihona Puke ( t )0.187 0
0.056 Ey2n ( t )
0.205 0
0.139 Ey1n ( t )
Phased array RADAR
Phased array spike sorting
56
11
Neuronal spikes
recorded by electrode array
12 3
4
5
67
89 1 11 11
0 12 34
0.148 Rn( 15 t )
0.534 0
0.139 Rn( 13 t )
Beamforming Antennas for Wireless Communications
Yikun Huang, Ph.D. ECE/CCB
Yikun@ November 24 2003
Outline
Introduction
Beamforming and its applications Beamforming antennas vs. omnidirectional antennas
Beamforming antennas for WLAN
Infrastructure mode An indoor WLAN design Ad hoc mode Ad hoc WLAN for rural area
Conclusion
Applications of beamforming technology
0.544 0
Sorted
t
1.2104
Spike of
individual
t
neurons. 1.2104
t
1.2104
Center for Computational Biology, MSU
top view(horizontal)
Patterns, beamwidth & Gain
Half-power beam width
78 °
side lobes Main lobe
φ1/ 2 nulls
Half-power beam width
Half-power beam width
θ1/ 2
side view(vertical)
Isotropic dipole
half-wave dipole
beamformer
Beamformers vs. omnidirectional antennas
1) Beamformers have much higher Gain than omnidirectional antennas: Increase coverage and reduce number of antennas!
Gain: GN N 2 G1
90
6
6
120
60
4 150
2
Field(6 0 )
Phased Array Antennas
Direction of arrival (DOA) estimation Beamforming Basic configurations: fixed array and adaptive array smart antenna systems:switched array and adaptive array
Field(2 0 )
180
0
Field(1 0 )
30 0 9.96110 7
210
330
240
300
270
Beamformers vs. omnidirectional antennas
2) Beamformers can reject interference while omnidirectional antennas can’t: Improve SNR and system capacity!
Vector Antennas
DOA and polarization super CART 3-loop and 2-loop vector antenna array Direction of arrival (DOA) estimation Vector antenna vs. phased array antenna
0.534 0
0.183 Rn( 11 t )
0.539 0
0.147 Rn( 9 t )
0.534 0
0.147 Rn( 7 t )
0.534 0
0.183 Rn( 5 t )
0.539 0
0.139 Rn( 3 t )
0.534 0
0.14 Rn( 1 t )
0.534 0
Smart antenna systems; Directional transmission and reception; sector broadcast in satellite communications Ultrasonic; optical; tomographic
Earth crust mapping; oil exploration
Applications RADAR SONAR
Communications
Imaging Geophysical Exploration Astrophysical Exploration
Biomedical
Description
Phased array RADAR; air traffic control; synthetic aperture RADAR Source location and classification