formación de haces

La formación de haces o filtrado espacial es una técnica de procesamiento de señales utilizada en conjuntos de sensores para la transmisión o recepción direccional de señales. ^{[ 1 ]} Esto se logra combinando elementos en un conjunto de antenas de tal manera que las señales en ángulos específicos experimenten interferencia constructiva , mientras que otras experimentan interferencia destructiva. La formación de haces se puede utilizar tanto en el extremo transmisor como en el receptor para lograr selectividad espacial. La mejora con respecto a la recepción/transmisión omnidireccional se conoce como directividad del conjunto.

La formación de haces se puede utilizar para ondas de radio o sonoras . Ha encontrado numerosas aplicaciones en radar , sonar , sismología , comunicaciones inalámbricas, radioastronomía , acústica y biomedicina . La formación de haces adaptativa se utiliza para detectar y estimar la señal de interés a la salida de un conjunto de sensores mediante filtrado espacial óptimo (por ejemplo, mínimos cuadrados) y rechazo de interferencias.

Para modificar la direccionalidad del conjunto durante la transmisión, un conformador de haces controla la fase y la amplitud relativa de la señal en cada transmisor, con el fin de generar un patrón de interferencia constructiva y destructiva en el frente de onda. Durante la recepción, la información de los diferentes sensores se combina de manera que se observe preferentemente el patrón de radiación esperado.

Por ejemplo, en el sonar , para enviar un pulso agudo de sonido submarino hacia un barco a distancia, simplemente transmitir ese pulso simultáneamente desde cada proyector de sonar en un conjunto falla porque el barco primero escuchará el pulso del altavoz más cercano y luego los pulsos de los altavoces más alejados. La técnica de formación de haces consiste en enviar el pulso desde cada proyector en momentos ligeramente diferentes (el proyector más cercano al barco, el último), de modo que cada pulso llegue al barco exactamente al mismo tiempo, produciendo el efecto de un único pulso fuerte desde un solo proyector potente. La misma técnica se puede realizar en el aire usando altavoces o en radar/radio usando antenas .

En el sonar pasivo, y en la recepción del sonar activo, la técnica de formación de haces consiste en combinar señales retardadas de cada hidrófono en momentos ligeramente diferentes (el hidrófono más cercano al objetivo se combinará tras el mayor retardo), de modo que todas las señales lleguen a la salida exactamente al mismo tiempo, creando una señal fuerte, como si proviniera de un único hidrófono de alta sensibilidad. La formación de haces en la recepción también puede utilizarse con micrófonos o antenas de radar.

En los sistemas de banda estrecha , el retardo temporal equivale a un "desfase", por lo que en este caso el conjunto de antenas, cada una desplazada ligeramente diferente, se denomina matriz de fase . Un sistema de banda estrecha, típico de los radares , es aquel en el que el ancho de banda es solo una pequeña fracción de la frecuencia central. En los sistemas de banda ancha, esta aproximación ya no es válida, como es habitual en los sonares.

En el conformador de haz de recepción, la señal de cada antena se puede amplificar mediante un factor de ponderación diferente. Se pueden utilizar distintos patrones de ponderación (por ejemplo, Dolph-Chebyshev ) para lograr los patrones de sensibilidad deseados. Se genera un lóbulo principal junto con nulos y lóbulos laterales. Además de controlar el ancho del lóbulo principal ( ancho del haz ) y los niveles de los lóbulos laterales, se puede controlar la posición de un nulo. Esto resulta útil para ignorar el ruido o las interferencias en una dirección determinada, mientras se escuchan eventos en otras direcciones. Se puede obtener un resultado similar en la transmisión.

Para obtener la explicación matemática completa sobre la dirección de haces mediante cambios de amplitud y fase, consulte la sección matemática en el apartado de arreglos de fase .

Las técnicas de formación de haces se pueden dividir a grandes rasgos en dos categorías:

• conformadores de haz convencionales ( de haz fijo o conmutable )
• formadores de haces adaptativos o arreglo de fases
  • Modo de maximización de la señal deseada
  • Modo de minimización o cancelación de la señal de interferencia

Los conformadores de haces convencionales, como la matriz de Butler , utilizan un conjunto fijo de ponderaciones y retardos (o desfases) para combinar las señales de los sensores del conjunto, basándose principalmente en la información sobre su ubicación espacial y las direcciones de onda de interés. En cambio, las técnicas de conformación de haces adaptativa (por ejemplo, MUSIC , SAMV ) combinan esta información con las propiedades de las señales recibidas por el conjunto, generalmente para mejorar el rechazo de señales no deseadas provenientes de otras direcciones. Este proceso puede realizarse tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia.

Como su nombre indica, un conformador de haces adaptativo es capaz de adaptar automáticamente su respuesta a diferentes situaciones. Para que la adaptación se lleve a cabo, es necesario establecer algún criterio, como minimizar la salida de ruido total. Debido a la variación del ruido con la frecuencia, en sistemas de banda ancha puede ser conveniente realizar el proceso en el dominio de la frecuencia .

La formación de haces puede requerir una gran capacidad de cálculo. El sonar de matriz en fase tiene una tasa de datos lo suficientemente baja como para procesarse en tiempo real mediante software , que además es lo suficientemente flexible como para transmitir o recibir en varias direcciones simultáneamente. En cambio, el radar de matriz en fase tiene una tasa de datos tan alta que normalmente requiere procesamiento por hardware dedicado, el cual está cableado para transmitir o recibir en una sola dirección a la vez. Sin embargo, las nuevas matrices de puertas programables en campo (FPGA) son lo suficientemente rápidas como para gestionar datos de radar en tiempo real y pueden reprogramarse rápidamente como el software, difuminando la distinción entre hardware y software.

La formación de haces de sonar utiliza una técnica similar a la formación de haces electromagnéticos, pero difiere considerablemente en los detalles de implementación. Las aplicaciones de sonar varían desde 1  Hz hasta 2  MHz, y los elementos de la matriz pueden ser pocos y grandes, o cientos pero muy pequeños. Esto desplaza significativamente los esfuerzos de diseño de la formación de haces de sonar entre las exigencias de componentes del sistema como la "fase inicial" (transductores, preamplificadores y digitalizadores) y el hardware computacional del formador de haces propiamente dicho. Los sonares de búsqueda de imágenes de alta frecuencia, haz enfocado y multielemento, así como las cámaras acústicas, suelen implementar un procesamiento espacial de quinto orden que impone a los procesadores una carga equivalente a la del radar Aegis.

Muchos sistemas de sonar, como los que se utilizan en los torpedos, están compuestos por conjuntos de hasta 100 elementos que deben lograr la dirección del haz en un campo de visión de 100 grados y funcionar tanto en modo activo como pasivo.

Los sistemas de sonar se utilizan tanto de forma activa como pasiva en configuraciones unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales.

• Los conjuntos lineales unidimensionales se suelen encontrar en sistemas pasivos multielemento remolcados por barcos y en sonares de barrido lateral de uno o varios elementos .
• Los conjuntos "planares" bidimensionales son comunes en los sonares activos/pasivos montados en el casco de los barcos y en algunos sonares de barrido lateral.
• En los submarinos y buques modernos se utilizan conjuntos esféricos y cilíndricos tridimensionales en las "cúpulas de sonar" .

El sonar se diferencia del radar en que, en algunas aplicaciones como la búsqueda en áreas extensas, a menudo es necesario escuchar y, en otras, transmitir señales en todas las direcciones simultáneamente. Por lo tanto, se requiere un sistema multihaz. En un receptor de sonar de banda estrecha, las fases de cada haz se pueden manipular completamente mediante software de procesamiento de señales, a diferencia de los sistemas de radar actuales, que utilizan hardware para "escuchar" en una sola dirección a la vez.

El sonar también utiliza la formación de haces para compensar el importante problema de la menor velocidad de propagación del sonido en comparación con la de la radiación electromagnética. En los sonares de barrido lateral, la velocidad del sistema de remolque o del vehículo que transporta el sonar es suficiente para alejarlo del campo del pulso de sonido reflejado. Además de los algoritmos de enfoque destinados a mejorar la recepción, muchos sonares de barrido lateral también emplean la dirección del haz para mirar hacia adelante y hacia atrás y así captar pulsos entrantes que no habrían sido detectados por un solo haz lateral.

• Un conformador de haces convencional puede ser un conformador de haces simple, también conocido como conformador de haces de retardo y suma. Todos los pesos de los elementos de la antena pueden tener magnitudes iguales. El conformador de haces se dirige a una dirección específica solo seleccionando las fases apropiadas para cada antena. Si el ruido no está correlacionado y no hay interferencias direccionales, la relación señal-ruido de un conformador de haces con${\displaystyle L}$antenas que reciben una señal de potencia${\displaystyle P}$, (dónde${\displaystyle \sigma _{n}^{2}}$es la varianza del ruido o la potencia del ruido), es:${\displaystyle {\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L}$
• Un conformador de haces de dirección nula está optimizado para tener una respuesta nula en la dirección de uno o más interferentes.
• Un conformador de haces en el dominio de la frecuencia trata cada banda de frecuencia como una señal de banda estrecha, para la cual los filtros son coeficientes complejos (es decir, ganancias y desfases), optimizados por separado para cada frecuencia.

La técnica de formación de haces por retardo y suma utiliza múltiples micrófonos para localizar fuentes de sonido. Una desventaja de esta técnica es que los ajustes en la posición o en el número de micrófonos modifican el rendimiento del formador de haces de forma no lineal. Además, debido a la cantidad de combinaciones posibles, resulta computacionalmente difícil encontrar la mejor configuración. Una de las técnicas para resolver este problema es el uso de algoritmos genéticos . Dicho algoritmo busca la configuración de la matriz de micrófonos que proporciona la mayor relación señal-ruido para cada orientación dirigida. Los experimentos demostraron que este algoritmo podía encontrar la mejor configuración de un espacio de búsqueda restringido que comprendía aproximadamente 33 millones de soluciones en cuestión de segundos en lugar de días. ^{[ 2 ]}

Las técnicas de formación de haces utilizadas en los estándares de telefonía celular han avanzado a lo largo de las generaciones para hacer uso de sistemas más complejos y lograr celdas de mayor densidad, con un mayor rendimiento.

• Modo pasivo: soluciones (casi) no estandarizadas
  • El acceso múltiple por división de código de banda ancha ( WCDMA ) admite la formación de haces basada en la dirección de llegada (DOA).
• Modo activo: soluciones estandarizadas obligatorias
  • 2G – Selección de antena de transmisión como formación de haces elemental ^{[ 3 ]}
  • 3G – WCDMA: formación de haces mediante matriz de antenas de transmisión (TxAA)
  • Evolución de 3G – LTE/UMB: formación de haces basada en precodificación de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) con acceso múltiple por división espacial parcial (SDMA).
  • Más allá de 3G (4G, 5G...) – Se esperan soluciones de formación de haces más avanzadas para admitir SDMA, como la formación de haces de bucle cerrado y la formación de haces multidimensional.

Un número cada vez mayor de dispositivos Wi-Fi 802.11ac de consumo con capacidad MIMO pueden admitir la formación de haces para aumentar las velocidades de comunicación de datos . ^{[ 4 ]}

Para recibir (pero no transmitir ), existe una distinción entre la formación de haces analógica y digital. Por ejemplo, si hay 100 elementos sensores, el método de "formación de haces digital" implica que cada una de las 100 señales pase por un convertidor analógico-digital para crear 100 flujos de datos digitales. Luego, estos flujos de datos se suman digitalmente, con los factores de escala o desfases adecuados, para obtener las señales compuestas. Por el contrario, el método de "formación de haces analógica" implica tomar las 100 señales analógicas, escalarlas o desfasarlas mediante métodos analógicos, sumarlas y, por lo general, digitalizar el flujo de datos de salida.

La formación de haces digital tiene la ventaja de que los flujos de datos digitales (100 en este ejemplo) se pueden manipular y combinar de muchas maneras posibles en paralelo, para obtener muchas señales de salida diferentes en paralelo. Las señales de cada dirección se pueden medir simultáneamente, y las señales se pueden integrar durante un tiempo más largo al estudiar objetos lejanos y, simultáneamente, integrar durante un tiempo más corto para estudiar objetos cercanos que se mueven rápidamente, y así sucesivamente. ^{[ 5 ]} Esto no se puede hacer con la misma eficacia para la formación de haces analógica, no solo porque cada combinación de señales en paralelo requiere su propio circuito, sino, más fundamentalmente, porque los datos digitales se pueden copiar perfectamente, pero los datos analógicos no. (Hay un límite en la potencia analógica disponible, y la amplificación añade ruido). Por lo tanto, si la señal analógica recibida se divide y se envía a un gran número de circuitos de combinación de señales diferentes, se puede reducir la relación señal-ruido de cada uno.

En los sistemas de comunicación MIMO con gran número de antenas, denominados sistemas MIMO masivos, los algoritmos de formación de haces que se ejecutan en la banda base digital pueden volverse muy complejos. Además, si toda la formación de haces se realiza en banda base, cada antena necesita su propia alimentación de RF . A altas frecuencias y con un gran número de elementos de antena, esto puede resultar muy costoso y aumentar las pérdidas y la complejidad del sistema. Para solucionar estos problemas, se ha propuesto la formación de haces híbrida, donde parte de la formación de haces se realiza mediante componentes analógicos y no digitales.

Existen muchas funciones diferentes que se pueden realizar utilizando componentes analógicos en lugar de en la banda base digital. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

La formación de haces, ya sea digital o mediante arquitectura analógica, se ha aplicado recientemente en la tecnología de detección y comunicación integradas (ISAC) ^{[ 9 ] , también conocida como comunicación y detección conjuntas (JCAS) [ 10 ]} . Por ejemplo, se propuso un formador de haces para realizar tareas de comunicación en situaciones con información imperfecta del estado del canal, al tiempo que realizaba la detección de objetivos en la escena ^{[ 11 ] .}

La técnica de formación de haces (beamforming) puede utilizarse para intentar extraer fuentes de sonido en una habitación, como por ejemplo varios altavoces en el problema de la fiesta de cóctel . Para ello, es necesario conocer de antemano la ubicación de los altavoces, por ejemplo, utilizando el tiempo de llegada de las fuentes a los micrófonos del conjunto e infiriendo su ubicación a partir de las distancias.

En comparación con las telecomunicaciones por onda portadora , el audio natural contiene una variedad de frecuencias. Es ventajoso separar las bandas de frecuencia antes de la formación de haces, ya que las diferentes frecuencias tienen diferentes filtros de formación de haces óptimos (y, por lo tanto, pueden tratarse como problemas separados, en paralelo, y luego recombinarse). El aislamiento adecuado de estas bandas requiere bancos de filtros especializados no estándar . En contraste, por ejemplo, los filtros de banda estándar de la transformada rápida de Fourier (FFT) asumen implícitamente que las únicas frecuencias presentes en la señal son armónicos exactos ; las frecuencias que se encuentran entre estos armónicos normalmente activarán todos los canales de la FFT (lo cual no es lo que se busca en un análisis de formación de haces). En cambio, se pueden diseñar filtros en los que solo se detecten frecuencias locales por cada canal (manteniendo la propiedad de recombinación para poder reconstruir la señal original), y estos suelen ser no ortogonales, a diferencia de la base de la FFT.

• Diversidad de antenas : método de redundancia para mejorar la fiabilidad de las comunicaciones. 
• Síntesis de apertura : Mezcla de señales de múltiples telescopios para producir imágenes con alta resolución angular. 
• Información sobre el estado del canal : propiedades conocidas del canal de un enlace de comunicación. 
• Codificación de papel sucio ( DPC ) : técnica de codificación que puede compensar una interferencia conocida. 
• Regla de Golomb : conjunto de marcas a lo largo de una regla de tal manera que no haya dos pares de marcas que estén a la misma distancia. 
• MÚSICA – Algoritmo utilizado para la estimación de frecuencia y la radiogoniometría 
• Conjunto de micrófonos : grupo de micrófonos que funcionan en tándem. 
• Sonda multihaz : tipo de sonar utilizado para cartografiar el fondo marino. 
• Lápiz (óptica) – Haz estrecho de radiación electromagnética o partículas cargadas 
• Periodograma : estimación de la densidad espectral de una señal. 
• Antena reconfigurable : Antena capaz de modificar dinámicamente su frecuencia y propiedades de radiación. 
• SAMV – Algoritmo de superresolución sin parámetros 
• Red sísmica – Sistema de sismómetros interconectados 
• Conjunto de sensores : grupo de sensores que se utilizan para aumentar la ganancia o la dimensionalidad con respecto a un solo sensor. 
• Antena inteligente : conjuntos de antenas con algoritmos de procesamiento de señal inteligentes. 
• Código de bloqueo espacio-temporal : opción WiFi 
• Código espacio-temporal : método en sistemas de comunicación inalámbrica 
• Multiplexación espacial : técnica de transmisión inalámbrica MIMO 
• Sonar de apertura sintética : forma de sonar que utiliza el procesamiento posterior de datos de sonar. Páginas que muestran descripciones breves de objetivos de redirección. 
• Magnetometría de apertura sintética ( SAM ) : enfoque de formación de haces no lineal 
• Radar de apertura sintética : forma de radar utilizada para crear imágenes de paisajes. 
  • Radar de apertura sintética inversa ( ISAR ) – Técnica de mapeo 2D por radar 
• Maldición de la matriz delgada : teorema en la teoría electromagnética de antenas 
• Formación de haces tridimensional
• WSDMA , también conocido como Acceso Múltiple por División Espacial de Banda Ancha : método de acceso al canal de alto ancho de banda. 
• Función de ventana : función utilizada en el procesamiento de señales. 
• Precodificación sin forzar

• Animación de direccionamiento de haces mediante arreglos de fase en YouTube
• Formación de haces MU-MIMO mediante interferencia constructiva , proyecto de demostraciones de Wolfram