Che cos’è il beamforming?

Il beamforming è una tecnica utilizzata per migliorare il rapporto segnale-rumore dei segnali ricevuti, eliminare sorgenti di interferenza indesiderate e focalizzare i segnali trasmessi in aree specifiche. Il beamforming è fondamentale nei sistemi con array di sensori, inclusi i sistemi di comunicazione wireless MIMO come 5G, LTE e WLAN. È possibile utilizzare il beamforming MIMO nelle applicazioni wireless anche per aumentare la capacità del flusso di dati tra una stazione base e gli elementi utente. Le tecniche di beamforming basate sull’ottimizzazione sono sempre più diffuse nei moderni sistemi di comunicazione wireless. Queste tecniche includono il beamforming ibrido, in cui l’ottimizzazione viene utilizzata per partizionare in modo efficiente le architetture di sistema tra i sistemi in banda base e RF per ridurre i costi.

Applicazioni di Beamforming

Il beamforming è ampiamente utilizzato anche in applicazioni radar, sonar, di imaging medico e audio. È possibile utilizzare i beamformer per focalizzare i segnali trasmessi da un array di sensori in una direzione specifica. Nel caso di segnali ricevuti in un array di sensori, i beamformer migliorano il rilevamento sommando in modo coerente i segnali tra gli elementi degli array. I beamformer convenzionali hanno pesi fissi, mentre i pesi dei beamformer adattivi dipendono dall’ambiente. Per i segnali a banda stretta, spesso è possibile ottenere il beamforming moltiplicando gli input dei sensori per un esponenziale complesso con lo sfasamento appropriato. È possibile utilizzare MATLAB^® per modellare il beamforming a banda stretta con l’esempio dei Beamformer convenzionali e adattivi. Nel caso di segnali a banda larga, l’orientamento non è più una funzione di una singola frequenza e potrebbe essere necessario eseguire l’operazione in più bande di frequenza. È possibile modellare il beamforming a banda larga in MATLAB con l’esempio Visualizzazione delle prestazioni del beamformer a banda larga.

Prestazioni del beamforming

Lo sviluppo di un beamformer e la valutazione delle alternative di algoritmi è solo il primo passo verso il raggiungimento delle prestazioni richieste da un sistema di comunicazione wireless o radar. Per valutare le prestazioni, il beamformer deve essere integrato in un modello a livello di sistema e valutato in base a un insieme di combinazioni di parametri, direzionamenti e canali. Un’altra sfida riguarda i tradeoff a livello di sistema tra l’esecuzione del beamforming nel dominio della radiofrequenza (RF) e/o della baseband digitale. È consigliabile svolgere tutte queste attività nelle prime fasi del processo di progettazione. Con MATLAB e Simulink^® è possibile valutare l’impatto degli effetti delle radiofrequenze sulle prestazioni del beamformer con l’esempio Beamforming ibrido massive MIMO con disturbi della RF.

Beamforming con MATLAB e Simulink

MATLAB^® e Simulink^® forniscono una serie completa di strumenti e algoritmi di modellazione e simulazione necessari per progettare, testare e integrare i beamformer e per eseguire un’analisi completa a livello di sistema. Dopo aver progettato il beamformer, è possibile distribuirlo in codice C o HDL nel proprio sistema finale utilizzando MATLAB Coder™, Simulink Coder™ e HDL Coder™.

Per ulteriori informazioni sul beamforming, consultare Phased Array System Toolbox™ e Communications Toolbox™.