大白话之波束成形

波束成形技术介绍

1. 什么是波束？

“波束”我们可能觉得有点抽象，但是“光束”相信大家一定都很熟悉。当一束光的方向都相同时，就成了光束，类似手电筒发出的光。反之，如果光向四面八方辐射（如电灯泡发出的光），则不能形成光束。和光束一样，当所有波的传播方向都一致时，即形成了波束。
波束成形在很多信号处理领域都有应用，比如：雷达通过波束的反射时间来计算波束方向物体的距离，并通过扫描波束方向来探测整个空间中所有目标的位置。如果雷达不使用波束而使用全方向辐射的电磁波，则雷达将无法确定空间物体的具体位置。另一个例子是卫星通讯，也即我们生活中常见的“锅盖天线”。卫星通讯使用波束的目的是为了补偿信道的衰减。卫星和地面接收天线的距离非常远，信道衰减非常大，于是卫星信号到达地面时能量已经非常小，甚至比热噪声还要低。因此，我们需要想方设法收取卫星发出的每一点信号能量。当卫星的信号向空间全方向辐射时，绝大多数能量并没有被地面天线接收到，而是被浪费了。为了避免这种浪费，我们在接收和发射卫星信号时，都会使用波束。这样，发射的电磁波信号都集中在一个方向上，只要接收天线能对准这个方向，就可以接收到每一点信号。

2.无线通讯领域中的波束成形

如何实现波束成型光束很简单实现，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。这是因为可见光近似沿直线传播，衍射能力很弱。然而，在无线通讯系统中，信号以衍射能力很强的电磁波的形式存在。由于无线通讯使用的电磁波衍射能力很强，所以无法使用生成光束的方法来实现波束成型，而必须使用其他方法。无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气，并在接收端由天线接收。因此，电磁波的辐射方向由天线的特性决定。天线的方向特性可以由辐射方向图（即天线发射的信号在空间不同方向的幅度）来描述。普通的天线的辐射方向图方向性很弱（即每个方向的辐射强度都差不多，类似电灯泡），而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线（即瞄准一个方向辐射，类似手电筒）。然而，此类天线往往体积较大，很难安装到移动终端上（想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是什么样子）。另外，波束成型需要可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。传统使用单一天线形成波束的方法需要机械转动天线才能改变波束的方向，而这在手机上显然不可能。因此，实用的波束成型方案使用的是智能天线阵列

智能天线阵列原理并不复杂，主要涉及的知识范围是高中物理教的波的干涉。当由两个波源产生的两列波互相干涉时，有的方向两列波互相增强，而有的方向两列波正好抵消。
在波束成型中，我们有许多个波源（即天线阵列），通过仔细控制波源发射／接收的波之间的相对相位和幅度我们可以做到电磁波辐射／接收增益都集中在一个方向上（即接收机／发射机所在的位置），而在其他地方电磁波辐射／接收增益都很小（即减少了对其他接收机的干扰／减小了被其他发射机干扰的机会）。我们以接收天线阵列为例。对于沿我们想要方向传播的电磁波，波前到达天线阵列中每个天线的时间（相位）均有所不同。对于每一个天线，我们都加入一个特定的相位延迟用来补偿波前到达天线相位的区别，因此在经过该相位延迟后，我们就把每个天线收到的信号在相位上对齐了，从而不同天线接收到的有用信号在经过加和后会幅度变得很大。另一方面，当沿其它方向传播的干扰信号到达天线阵列时，每个天线对应的延迟与信号到达天线的时间差并不符合，因此在加和后幅度并不会变大。这样，天线阵列就可以通过多个普通天线配合特定的延迟来等效实现具有方向性的天线。根据天线的互易性原理，相同的架构也可以用在发射天线阵列里去等效一个高方向性的天线。此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现，可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。
波束成形很形象的一个作用就是灯泡和手电筒的类比，如果我们希望将信息传输给另一端或者用户，那么我们肯定希望是手电筒而不是灯泡，因为灯泡的辐射范围太广了，而且容易被噪声所干扰，而手电筒的抗干扰能力比较强。

3.麦克风阵列波束成形

人类和动物是靠自身的听觉系统听见或感知到声音的产生、传播和消失。但凡事也有例外。伟大的作曲家贝多芬就曾经长期饱受听力失聪的困扰，在他26岁那年因病而失聪，之后他借助助听器并且用眼创作交响乐作品，在脑中想象他的作品交响合奏效果，创作出了许多令人惊叹的世界名曲。今天，随着现代科学技术包括声学、计算机图形计算和显示技术的发展，人们（尤其是技术和设计工程师们）借助这些技术可以看见声音，这便是广义上的波束成形技术。在声学领域波束成形主要用于声源的定位和成像。主要实现方法是通过一个麦克风阵列去测量信号，然后通过计算导向向量来实现方向的定位。
本质上而言，波束成形是一门仿生技术。其基本原理和过程与动物的听觉系统、神经系统和大脑的工作一致。动物的听觉系统接收到外界声压信号，通过神经系统传输至大脑，迅速反射在大脑皮层中，从而获得重现和定位。我们听见远处有声音传过来，通过神经传输，在大脑中意识到有声音和强度存在，接着我们或许会稍微侧转一下头，改变两个耳朵的位置，便可进一步在脑中确定声源更具体、更准确的方位。如上图所示，用计算机（包括声学分析计算软件）、声听器阵列，可完成同样的工作，即辨别声源位置和强度。通过声听器测得的声压数据（事实上是一系列的电信号数据），记录并由计算机分析和重现于电脑显示屏。声压数据处理、分析和视觉重现技术就是所谓狭义上的波束成形。下图为汽车内部噪声源及其强度的计算机图形显示。