波束成形

波束成形的工作过程是怎样的？以热点为例，基站给客户端周期性发送声信号，客户端将信道信息反馈给基站，于是基站可根据信道状态发送导向数据包给客户端。高速的数据计算处理，给出了复形的指示，客户端方向上的增益得以加强，方向图随之整型，相应方向的传输距离也有所增加。AP如果用4组发射天线4x4三组空间流，便能在多天线得到的增益基础上，获取较大的空间分集增益。

从结构和设置来分，支持802.11n标准的波束成形可分为显性波束成形和隐形波束成形两大类。显性波束成形在AP和客户端均有设置，对增加距离和链路耐用性有很大提高。隐性波束成形的好处是客户端不需要做相应的处理，在设备实现上较为简单，对增加距离和耐用性也有一定帮助。

以显性波束成形的热点为例， 无线局域网信号传输过程是这样开始的：

· 基站与客户端之间需要不断地周期性握手（发送声信号，信道矩阵反馈）

· 客户端反馈信道信息给热点

· 热点根据信道状态信息发送复形数据包给客户端，加强某客户端方向的强度

· 由此获得空间分集增益 发射阵列增益（此与发射天线数量有关）

随着WLAN的发展，基站的数量需求极大，而且基站安装的成本比较高，在这种情况下，增大覆盖范围，克服无线干扰显得尤为重要。

波束成形并不要求采用特殊的天线，也不增加其它无线子系统，就能在性能上得以提高， 而且比其它数字信号处理技术，例如空时分组码(STBC)及低密度奇偶校验码(LDPC)的引入，效益更高，可高出数倍。 在家庭和企业的环境下，均可适用。

当前，波束成形也成为了802.11 ac 技术规范的一部分。而对于Wi-Fi认证来说，它仅是一种供选项， 并不是必须的。将来是否成为Wi-Fi认证的必要构件，仍有待技术发展的态势而定。事实上，在任何Wi-Fi的设备上都是可以采用波束成形技术的，只不过，这涉及到设备得进行的相应配置。如果在两端均采取对应部署时，它才会真正获得增益最大化。当采用高阶的MIMO时， 获取的增益提高会高于低阶的MIMO。例如，4x4的系统总是比2x2的系统具有更大的性能提高空间。

早在上世纪60年代就有采用天线分集接收的阵列信号处理技术，在电子对抗、相控阵雷达、声纳等通信设备中得到了高度重视。基于数字波束形成（DBF）的自适应阵列干扰置零技术，能够提高雷达系统的抗干扰能力，是新一代军用雷达必用的关键技术。定位通信系统通过传声器阵列获取声场信息，使用波束成形和功率谱估计原理，对信号进行处理，确定信号来波方向，从而可对信源进行精确定向。只不过，由于早年半导体技术还处在微米级，所以它没有在民用通信中发挥到理想的状态。

而发展到WLAN阶段，特别是应用在个人通信中，信号传输距离和信道质量以及无线通信的抗干扰问题便成为瓶颈。支持高吞吐是WLAN技术发展历程的关键。802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化，来充分提高WLAN技术的吞吐。此时，波束成形又有了用武之地。

波束成形，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。 例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。

如果要采用波束成形技术， 前提是必须采用多天线系统。例如，多进多出（MIMO），不仅采用多接收天线，还可用多发射天线。由于采用了多组天线，从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流(spatial streams)， 是通过多条路径传输的。在接收端采用一定的算法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比。即使在接收端较远时，也能获得较好的信号质量。

MIMO可大大提高网络传输速率、覆盖范围和性能。当基于MIMO而同时传递多条独立空间流时，系统的吞吐量可成倍地提高。MIMO系统支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3,而接收天线数量为2，则支持的空间流为2。在市场上，经历了三年3×3模式的量产磨合期后，4X4模式崭露头角，立刻引起了业界重视。

波束成形技术固然能改善系统性能，增加接收距离，但同时也会增加设备成本和功耗。在多天线都处于连接的状态下，即使在严重的衰落情况下，它提供的信号增益也可获提高，但要求信号处理能力也要很强。所以，多天线带来的问题是要求数据处理速度高，控制成本，并降低功耗。因而，芯片的高集成度高性能和电源管理高效性是至关重要的。一方面要提高吞吐量，同时又要将功耗降到最低。

波束成形技术（Beam Forming，BF）可分为自适应波束成形、固定波束和切换波束成形技术。固定波束即天线的方向图是固定的，把IS-95中的三个120°扇区分割即为固定波束。切换波束是对固定波束的扩展，将每个120°的扇区再分为多个更小的分区，每个分区有一固定波束，当用户在一扇区内移动时，切换波束机制可自动将波束切换到包含最强信号的分区，但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号和干扰信号。

自适应波束成形器可依据用户信号在空间传播的不同路径，最佳地形成方向图，在不同到达方向上给予不同的天线增益，实时地形成窄波束对准用户信号，而在其他方向尽量压低旁瓣，采用指向性接收，从而提高系统的容量。由于移动站的移动性以及散射环境，基站接收到的信号的到达方向是时变的，使用自适应波束成形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开，并跟踪这些信号，调整天线阵的加权值，使天线阵的波束指向理想信号的方向。自适应波束成形的关键技术是如何较精确地获得信道参数。

在天线中，波束范围（或波束立体角）由主瓣范围（或立体角）加上副瓣范围（或立体角）所构成，（主）波束效率就是（主）波束辐射（或接收）的功率与（总）波束辐射（或接收）的总功率之比。参照反射面天线主波束效率估计的简易计算公式,对"神舟四号"(SZ-4)飞船辐射计天线的主波束效率进行了具体估算,给出了计算流程和计算结果。

参照反射面天线主波束效率估计的简易计算公式,对"神舟四号"(SZ-4)飞船辐射计天线的主波束效率进行了具体估算,给出了计算流程和计算结果.计算表明,该辐射计天线在6.6GHz,19.35GHz,23.8GHz和37GHz4个频段上的波束效率分别为89%,91.24%,92.91%和94.87%,并经过了在轨飞行验证.

多波束测深系统已经成为海洋测量的主要设备之一。为了确保多波束测量的高精度、高效率等优点，在测量过程中就必须严格消除系统内部误差和各项外部影响因素。多波束系统的参数校正就是为消除系统内部误差而引入的误差改正的基本方法。波束角偏差是多波束系统内部误差，它是由于换能器基阵基元之间的物理相位与间距误差综合导致的，对整个声纳系统的水深测量与定位精度都有着重要的影响。但在通常的参数校正中，作业人员一般只进行多波束系统换能器横向偏差、纵向偏差以及定位系统的时间延迟、罗经艏向偏差的校正，很少关注波束角偏差的校正。然而波束角偏差是影响多波束系统测量精度的主要因素之一，严重时导致勘测数据出现沿测线方向的条带状伪地形，测量实时监控窗上出现很明显的凸凹伪地形。SIMRAD公司为EM系列多波束系统配置的Calibrate多参数校准软件对波束角偏差的校正十分有效。

波束角波束角偏差产生的原因

多波束系统声基阵误差主要包括基元物理相位误差和基元之间的间隔误差。可以通过调节接收机放大电路的相位补偿来实现物理相位误差的校正，但直接测量基元间隔误差就比较困难。物理相位误差和基元间隔误差使多波束系统设计波束角与实际形成波束角之间存在一个偏差，即波束角偏差。

多波束系统的换能器接收基阵由多个并列的接收水听器基元组成。一般情况下，设换能器接收基阵是由x个基元组成，相邻之间的距离为d_i，误差为Δd_i，换能器上第i号基元相对于第0号基元中心的距离为S(d_i)。

波束角波束角偏差对测量精度的影响

在多波束声学投射平面内，当接收声波的波束角存在偏差Δθ时，根据垂直参考系下的波束角和旅行时间计算测点的水深H和横向中心距离X，可得到：

（1）波束角偏差对定位精度的影响

由式可以看出，多波束系统波束角偏差直接影响着波束形成的实际位置，对多波束系统测量定位精度的影响是最直接的。

表1为水深100 m时，不同波束角在不同波束角偏差情况下对水深点横向距离的影响；图5为水深100 m，波束角偏差为0.2°时，不同波束角测量水深点横向距离的影响。由表1和图5看出，如果多波束系统波束角偏差为0.2°，在波束角60°时，引起的波束横向距离误差为1.4 m，只这一项就占IHOS－44标准中一级精度指标的70%，而波束角60°以外的波束引起的横向偏移就更大。

（2）波束角偏差对水深数据精度的影响

由式可以看出，多波束系统波束角偏差直接影响着测量的水深数据，引起测量海底的伪地形。当波束角存在偏差时，在海底平坦海区测量时，多波束系统的监控窗口显示的测量海底地形与声速剖面存在误差时显示的测量地形相似，会出现凹或凸的伪地形，但波束角存在偏差时监控窗口显示的测量地形外侧弯曲较严重，在波束角60°以内测量的地形较平坦，变形很小；波束角60°以外测量的地形变形严重，出现向下弯或向上翘的伪地形。当波束角偏差为负值时，边缘波束测量的水深值比中心波束测量的水深值大，出现凸的伪地形；波束角偏差值为正时，边缘波束的测量的水深值比中心波束测量的水深值小，出现凹的伪地形。在水深约为42 m的平坦海区，使用波束角偏差为0.72°的多波束系统，覆盖角150°，与双频测深仪单通道测量的水深数据比较，见表2。从表中看出，多波束中心波束测量的水深值与双频测深仪测量的水深值相差不大，而与波束角75°附近的波束测量水深值差都大于2 m，边缘波束测量的水深误差都大于IHOS－44规定的1%水深的精度标准。可见波束角偏差对边缘波束影响是很大的，而对中心波束附近的波束影响较小。

波束角借用横向参数校准软件对波束角偏差进行校正

波束角偏差可以借用换能器横向参数校准软件进行校正。但由于声速剖面数据误差、换能器横向偏差及波束角偏差都会引起测量的海底地形发生凹或凸的伪地形，所以在进行波束角偏差校正前，首先进行横向偏差校正。当换能器横向偏差校正好后，在一定水深的平坦海区(水深按照多波束系统测深要求选择)，选择在南北、东西方向上布两条互相垂直的测线，线长不少于2 km，见图6。首先在两条测线交叉点附近用声速仪测量海水的声速剖面数据，并把测量的数据输入到系统工作站，然后匀速沿布设的两条垂直测线测量至少两次。图7为测量的两条垂直测线的立体图，从凹形伪地形看出该多波束系统存在较大的波束角偏差。

测量结束后，进入系统数据处理工作站，打开Calibrate参数校正软件，在垂直的两条测线上选择两条具有一定宽度的校正线，见图6。在横向偏差校正窗将1号校正线放在图6中①②③的位置来比较两条测线的水深数据。图4中蓝色且水平的数据是1号校正线的数据(即测线1中心波束附近的数据，受波束角偏差影响较小)；红色且呈凹形形状的数据是测线2在①②③处的几个波束的数据，该数据受波束角偏差影响较大。由于受波束角偏差影响，两组数据没有重合在一起。这时可以调整校正窗口左侧的滑动条，使两组数据的中心波束数据重合在一起，见图9，这时滑动条上面显示的角度就是波束角偏差值。

重复上面的工作，再将1号校正线放在⑦⑧⑨，2号校正线放在①④⑦、③⑥⑨处，分别得到一个偏差值，取四个偏差值的平均数，就得到波束角的偏差值，把波束角偏差值输入系统工作站，在实际测量中就可实时进行数据的改正。为了印证波束角偏差校正的效果，可以在十字测线上再重新测两个来回，再按上面操作的步骤检查，如果校正线上的数据与边缘波束上的数据重合的比较好，说明偏差得到了校正，否则需要再重新校正。

波束角研究结论

波束角偏差是影响多波束系统测量精度的主要因素之一，它不但影响测量水深数据的精度，还会影响水深点的定位精度，特别是对波束角60°以外的边缘波束影响很大，严重时会导致测量的海底地形呈现凸或凹的伪地形。因此在多波束系统测量作业前，在进行传统参数校正项目的基础上，最好进行波束角偏差的校正。波束角偏差校正方法很多，借用SIMRAD公司为EM系列多波束系统配置的Calibrate多参数校准软件对波束角偏差进行校正，效果十分有效，大大提高了测量数据的精度。 2100433B

超声测距传感器价格低廉，性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，且使用方便，故在倒车雷达等领域得到了广泛应用。倒车雷达所采用的超声传感器一般采用大波束角设计，旨在扩大探测范围，但同时也产生了干扰信号，增加了虚警概率。随着超声测距传感器波束角的减小，超声波的定向传播能力增强，系统探测准确度和抗干扰能力也随之大大提高。因此，研制小波束角超声测距仪具有深远的现实意义和应用价值。

波束角总体设计

笔者研制的小波束角超声测距仪由超声传感器，发射/接收电路、单片机处理电路及PC构成，系统总体结构如图2所示。超声传感器用来实现电能与声能的相互转换；发射电路用于产生一定频率的交变电压作为传感器工作电源，驱动传感器向外发射超声信号；接收电路部分对回波信号进行放大、滤波，单片机处理电路则用于产生选通信号并对回波信号进行处理，测量结果在PCIV界面中实时显示。本系统的核心是小波束角超声传感器的研制。

波束角功能单元设计

超声传感器一般采用波束宽度良

超声测距的指向性与超声传感器的谐振频率及传感器的辐射面积有直接关系。对于单一的超声传感器，波束宽度良

对于多元线阵传感器，如图3所示。N个阵元均匀线阵的波束宽度

其中：N为阵元数，d为阵元之间的间距。

由上式知，当传感器谐振频率一定时，采用多元线阵的组合形式可得到较小的波束宽度。文献提出传感器辐射面积越小，换能器的谐振频率就越高。文献指出换能器阵列指向性的形成是由于其各部分发射的声波在自由场

远场区中干涉叠加的结果。综合考虑制造工艺及实际应用等因素。小波束角超声测距仪采用的传感器阵列为3阵元线阵，阵元采用小尺寸设计，相邻阵元间距d=0.03 m。

为检验设计效果。采用如下步骤对超声传感器谐振频率进行实际测试：连线方式如图4所示，电位器初始值为1千欧，调节信号发生器频率，至信号幅值出现最小值时，该频率即接近于传感器的工作频率。随后断开传感器接线端，将电位器的阻值调到0(短路)，记录信号幅值。重新将传感器接到测试电路中，调节电位器阻值至信号幅值为开路时的一半。取出电位器．测量电位器阻值。传感器的谐振阻抗值即为信号发生器内阻与电位器阻值之和。测得3元线性阵的谐振频为82.7 kHz，谐振阻抗为443 Ω。经计算可知

波束角研究结论

小波束角超声测距仪的研制，很好地改善了超声波测距的指向性，而且提高了抗干扰能力。此装置在实际测距中也满足了自动倒车系统的性能指标。且该系统结构紧凑，易于安装，抗干扰性强。具有重要的应用前景。