Introducción al beamforming

Beamforming es una técnica que se utiliza para mejorar la relación señal-ruido de las señales recibidas, eliminar fuentes de interferencia no deseadas y enfocar señales transmitidas a ubicaciones específicas. Beamforming es fundamental para los sistemas con arrays de sensores, incluidos los sistemas de comunicaciones inalámbricas MIMO tales como 5G, LTE y WLAN. En aplicaciones inalámbricas, también se puede utilizar beamforming MIMO para aumentar la capacidad de flujo de datos entre una estación base y los elementos del usuario. Las técnicas de beamforming basadas en optimización son cada vez más populares en los sistemas de comunicaciones inalámbricas modernos. Estas técnicas incluyen hybrid beamforming, donde se utiliza la optimización para dividir de manera eficiente las arquitecturas de sistemas entre sistemas de banda base y sistemas de RF con objeto de reducir el coste.

Aplicaciones de beamforming

Beamforming también se utiliza ampliamente en aplicaciones de radar, sonar, imágenes médicas y audio. Los beamformers se pueden utilizar para enfocar señales transmitidas desde un array de sensores en una dirección específica. Para señales recibidas en un array de sensores, los beamformers mejoran la detección sumando las señales de manera coherente a través de los elementos de los arrays. Los beamformers convencionales tienen pesos fijos, mientras que los beamformers adaptativos tienen pesos que responden al entorno. Para señales de banda estrecha, el beamforming a menudo se puede lograr multiplicando la entrada del sensor con un exponencial complejo y el desplazamiento de fase apropiado. Puede utilizar MATLAB^® para modelar beamforming de banda estrecha con el ejemplo Beamformers convencionales y adaptativos. En el caso de las señales de banda ancha, el direccionamiento ya no es una función de una sola frecuencia, y es posible que la operación deba realizarse en varias bandas de frecuencia. Puede modelar beamforming de banda ancha en MATLAB con el ejemplo Visualización del rendimiento de un beamformer de banda ancha.

Rendimiento de beamforming

El desarrollo de beamformers y la evaluación de posibles algoritmos son tan solo el primer paso para alcanzar el rendimiento requerido de un sistema de comunicaciones inalámbricas o radar. Para evaluar el rendimiento, el beamformer se debe integrar en un modelo en el nivel de sistema y se debe evaluar a través de una serie de combinaciones de parámetros, steering y canales. Otro desafío implica tradeoffs en el nivel de sistema entre realizar beamforming en el dominio de radiofrecuencia (RF) y/o en el dominio de banda base digital. Es preferible realizar todas estas actividades en las primeras etapas del proceso de diseño. Puede utilizar MATLAB y Simulink^® para evaluar los efectos de RF en el rendimiento de un beamformer con el ejemplo Hybrid beamforming para MIMO masivo con distorsiones de RF.

Beamforming con MATLAB y Simulink

MATLAB^® y Simulink^® proporcionan un conjunto completo de herramientas y algoritmos de modelado y simulación necesarios para diseñar, probar e integrar beamformers, así como realizar análisis completos en el nivel de sistema. Después de diseñar el beamformer, puede desplegarlo en código C o HDL en su sistema final mediante MATLAB Coder™, Simulink Coder™ y HDL Coder™.

Para obtener más información sobre beamforming, consulte Phased Array System Toolbox™ y Communications Toolbox™.