ビームフォーミング

ビームフォーミングまたは空間フィルタリングは、指向性信号の送信または受信のためのセンサーアレイで使用される信号処理技術です。 ^[1]これは、特定の角度の信号が建設的干渉を受け、他の信号が破壊的干渉を受けるようにアンテナアレイの要素を組み合わせることによって実現されます。ビームフォーミングは、空間選択性を実現するために、送信側と受信側の両方で使用できます。全方向の受信/送信と比較した改善は、アレイの 指向性として知られています。

ビームフォーミングは、無線または音波に使用できます。レーダー、ソナー、地震学、無線通信、電波天文学、音響学、生物医学など、さまざまな分野で応用されています。適応型ビームフォーミングは、最適な（最小二乗など）空間フィルタリングと干渉除去によって、センサーアレイの出力で目的の信号を検出および推定するために使用されます。

送信時にアレイの指向性を変更するには、ビームフォーマーが各送信機の信号の位相と相対振幅を制御し、波面における建設的干渉と破壊的干渉のパターンを作成します。受信時には、さまざまなセンサーからの情報が、予想される放射パターンが優先的に観測されるように結合されます。

たとえば、ソナーでは、遠くの船に向かって鋭い水中音波パルスを送信するには、アレイ内のすべてのソナープロジェクターからその鋭いパルスを単に同時に送信するだけでは不十分です。なぜなら、船は最初に船に最も近いスピーカーからのパルスを聞き、その後、船から遠いスピーカーからのパルスを聞くことになるからです。ビームフォーミング技術では、各プロジェクターからパルスを少しずつずらして送信し（船に最も近いプロジェクターを最後に送信）、すべてのパルスが正確に同時に船に当たるようにすることで、1 つの強力なプロジェクターから 1 つの強力なパルスが送信された効果を生み出します。同じ技術を、空中でスピーカーを使用して実行することも、レーダー/無線でアンテナを使用して実行することもできます。

パッシブソナー、およびアクティブソナーの受信では、ビームフォーミング技術によって、各ハイドロフォンからの遅延信号をわずかに異なる時間で組み合わせます (ターゲットに最も近いハイドロフォンは、最も長い遅延の後に組み合わせられます)。これにより、すべての信号がまったく同時に出力に到達し、1 つの大きな信号が生成され、信号が単一の非常に感度の高いハイドロフォンから送信されたかのようになります。受信ビームフォーミングは、マイクやレーダーアンテナでも使用できます。

狭帯域システムでは、時間遅延は「位相シフト」と同等であるため、この場合、各アンテナがわずかに異なる量だけシフトされたアンテナのアレイは、フェーズドアレイと呼ばれます。レーダーに典型的な狭帯域システムでは、帯域幅は中心周波数のほんの一部にすぎません。ソナーに典型的な広帯域システムでは、この近似はもはや当てはまりません。

受信ビームフォーマーでは、各アンテナからの信号が異なる「重み」で増幅される場合があります。異なる重み付けパターン (例:ドルフ・チェビシェフ) を使用して、必要な感度パターンを実現できます。メインローブは、ヌルとサイドローブとともに生成されます。メインローブの幅 (ビーム幅) とサイドローブのレベルを制御するだけでなく、ヌルの位置も制御できます。これは、特定の方向のノイズや妨害波を無視しながら、他の方向のイベントをリッスンする場合に便利です。送信時にも同様の結果が得られます。

振幅と位相シフトを使用してビームを方向付けるための完全な数学については、フェーズドアレイの数学的セクションを参照してください。

ビームフォーミング技術は、大きく分けて 2 つのカテゴリに分けられます。

• 従来の（固定ビームまたは切り替えビーム）ビームフォーマー
• 適応ビームフォーマーまたはフェーズドアレイ
  • 希望信号最大化モード
  • 干渉信号最小化またはキャンセルモード

バトラーマトリックスなどの従来のビームフォーマーは、固定された重みと時間遅延（または位相）のセットを使用してアレイ内のセンサーからの信号を結合します。主に、空間内のセンサーの位置と対象の波の方向に関する情報のみを使用します。対照的に、適応型ビームフォーミング技術（例：MUSIC、SAMV）は、通常、この情報をアレイが実際に受信した信号の特性と結合し、通常は他の方向からの不要な信号の除去を改善します。このプロセスは、時間領域または周波数領域のいずれかで実行できます。

名前が示すように、適応型ビームフォーマーはさまざまな状況に自動的に応答を適応させることができます。適応を進めるには、総ノイズ出力を最小化するなどの基準を設定する必要があります。ノイズは周波数によって変化するため、広帯域システムでは周波数領域でプロセスを実行することが望ましい場合があります。

ビームフォーミングは計算負荷が大きい場合があります。ソナー フェーズド アレイはデータ レートが低いため、ソフトウェアでリアルタイムに処理でき、一度に複数の方向で送受信できる柔軟性があります。対照的に、レーダー フェーズド アレイはデータ レートが非常に高いため、通常は専用のハードウェア処理が必要になり、一度に 1 方向のみで送受信するようにハードワイヤードされています。ただし、新しいフィールド プログラマブル ゲート アレイは、レーダー データをリアルタイムで処理できるほど高速で、ソフトウェアのようにすばやく再プログラムできるため、ハードウェアとソフトウェアの区別があいまいになっています。

ソナービームフォーミングは、電磁ビームフォーミングと同様の技術を利用しますが、実装の詳細は大きく異なります。ソナー アプリケーションは 1 Hz から 2 MHz までさまざまで、アレイ要素は少数で大きい場合もあれば、数百個で非常に小さい場合もあります。これにより、ソナー ビームフォーミングの設計作業は、「フロント エンド」(トランスデューサー、プリアンプ、デジタイザー) などのシステム コンポーネントの要求と、下流の実際のビームフォーマー計算ハードウェアの間で大きくシフトします。高周波、フォーカス ビーム、マルチ要素画像検索ソナー、および音響カメラは、多くの場合、プロセッサに Aegis レーダーの要求と同等の負荷をかける 5 次空間処理を実装します。

魚雷などの多くのソナー システムは、最大 100 個の要素のアレイで構成されており、100 度の視野で ビーム ステアリングを実行し、アクティブ モードとパッシブ モードの両方で動作する必要があります。

ソナーアレイは、1 次元、2 次元、3 次元アレイでアクティブにもパッシブにも使用されます。

• 1 次元の「ライン」アレイは、通常、船舶の後ろに曳航される多要素パッシブ システムや、単一または複数要素のサイドスキャン ソナーに使用されます。
• 2 次元の「平面」アレイは、アクティブ/パッシブ船体搭載ソナーや一部のサイドスキャンソナーで一般的です。
• 現代の潜水艦や船舶の「ソナードーム」には、3 次元の球形および円筒形のアレイが使用されています。

ソナーは、広域探索などの一部のアプリケーションでは全方向を同時に聞く必要があり、一部のアプリケーションでは全方向を同時にブロードキャストする必要があるという点でレーダーとは異なります。そのため、マルチビーム システムが必要です。狭帯域ソナー受信機では、各ビームの位相は信号処理ソフトウェアによって完全に操作できます。一方、現在のレーダー システムは、ハードウェアを使用して一度に 1 つの方向を「聞く」だけです。

ソナーは、電磁放射に比べて音の伝播速度が遅いという重大な問題を補うためにビームフォーミングも使用します。サイドルックソナーでは、ソナーを運ぶ牽引システムまたは車両の速度が、ソナーを返ってくる音の「ピン」音のフィールドから外すのに十分な速度で移動します。受信を向上させるためのフォーカスアルゴリズムに加えて、多くのサイドスキャンソナーは、ビームステアリングを使用して前方と後方を向き、単一のサイドルックビームでは見逃されていたであろう受信パルスを「キャッチ」します。

• 従来のビームフォーマーは、遅延和ビームフォーマーとも呼ばれる単純なビームフォーマーです。アンテナ要素のすべての重みは、同じ大きさにすることができます。ビームフォーマーは、各アンテナに適切な位相を選択することによってのみ、指定された方向に向けられます。ノイズが相関しておらず、方向性干渉がない場合、アンテナが電力 の信号を受信するビームフォーマーの信号対雑音比(ここで、 はノイズ分散またはノイズ電力) は次のようになります。${\displaystyle L}$${\displaystyle P}$${\displaystyle \sigma _{n}^{2}}$${\displaystyle {\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L}$
• ヌルステアリング ビームフォーマーは、 1つ以上の干渉源の方向にゼロ応答を持つように最適化されています。
• 周波数領域ビームフォーマーは、各周波数ビンを狭帯域信号として扱います。その場合、フィルターは各周波数に対して個別に最適化された複素係数 (つまり、ゲインと位相シフト) になります。

遅延和ビームフォーミング技術では、複数のマイクを使用して音源の位置を特定します。この技術の欠点の 1 つは、マイクの位置や数を調整すると、ビームフォーマーのパフォーマンスが非線形に変化することです。さらに、可能な組み合わせの数が多いため、最適な構成を見つけるのは計算上困難です。この問題を解決する技術の 1 つは、遺伝的アルゴリズムの使用です。このようなアルゴリズムは、各ステアリング方向に対して最高の信号対雑音比を提供するマイクアレイ構成を検索します。実験では、このようなアルゴリズムにより、約 3,300 万のソリューションを含む制約付き検索空間の最適な構成を、数日ではなく数秒で見つけることができることが示されました。^[2]

携帯電話の 規格で使用されるビームフォーミング技術は、より複雑なシステムを利用して、より高いスループットでより高密度のセルを実現するために、世代を経て進化してきました。

• パッシブモード: (ほぼ) 標準化されていないソリューション
  • 広帯域符号分割多重アクセス（WCDMA）は、到来方向（DOA）ベースのビームフォーミングをサポートする。
• アクティブモード: 必須の標準化ソリューション
  • 2G – 基本的なビームフォーミングとしての送信アンテナ選択^{[引用が必要]}
  • 3G – WCDMA: 送信アンテナアレイ (TxAA) ビームフォーミング^{[引用が必要]}
  • 3Gの進化- LTE/UMB:部分的な空間分割多重アクセス(SDMA)による複数入力複数出力(MIMO)プリコーディングベースのビームフォーミング^{[引用が必要]}
  • 3Gを超えて（4G、5G...） - 閉ループビームフォーミングや多次元ビームフォーミングなど、SDMAをサポートするより高度なビームフォーミングソリューションが期待されています。

MIMO機能を備えた消費者向け802.11ac Wi-Fiデバイスの多くは、ビームフォーミングをサポートし、データ通信速度を向上させることができます。^[3]

受信 (送信ではありません^{[引用が必要]} ) には、アナログ ビームフォーミングとデジタル ビームフォーミングの区別があります。たとえば、センサー要素が 100 個ある場合、「デジタル ビームフォーミング」アプローチでは、100 個の信号がそれぞれアナログ/デジタル コンバーターを通過して100 個のデジタル データ ストリームが作成されます。次に、これらのデータ ストリームが適切なスケール係数または位相シフトを使用してデジタルで加算され、複合信号が得られます。対照的に、「アナログ ビームフォーミング」アプローチでは、100 個のアナログ信号を取得し、アナログ方式を使用してスケーリングまたは位相シフトし、それらを合計してから、通常は単一の出力データ ストリームをデジタル化します。

デジタルビームフォーミングの利点は、デジタルデータストリーム（この例では100）をさまざまな方法で並行して操作および組み合わせて、さまざまな出力信号を並行して取得できることです。あらゆる方向からの信号を同時に測定でき、遠くの物体を調査するときは信号をより長い時間積分し、高速で移動する近くの物体を調査するときは同時により短い時間積分するなどできます。^[4]これは、アナログビームフォーミングではそれほど効率的に行うことができません。並列信号の組み合わせごとに独自の回路が必要になるだけでなく、より根本的な理由として、デジタルデータは完全にコピーできますが、アナログデータはコピーできないためです。（利用できるアナログ電力には限りがあり、増幅するとノイズが追加されます。）したがって、受信したアナログ信号を分割して多数の異なる信号組み合わせ回路に送信すると、それぞれの信号対雑音比が低下する可能性があります。

多数のアンテナを備えた MIMO 通信システム、いわゆる大規模 MIMO システムでは、デジタルベースバンドで実行されるビームフォーミング アルゴリズムが非常に複雑になることがあります。さらに、すべてのビームフォーミングをベースバンドで実行すると、各アンテナに独自のRFフィードが必要になります。高周波数でアンテナ要素の数が多い場合、これは非常にコストがかかり、システムの損失と複雑さが増す可能性があります。これらの問題を解決するために、ビームフォーミングの一部をデジタルではなくアナログ コンポーネントを使用して実行するハイブリッド ビームフォーミングが提案されています。

デジタルベースバンドの代わりにアナログコンポーネントを使用して実行できるさまざまな機能が存在します。^{[5] [6] [7]}

ビームフォーミングは、デジタル方式かアナログ方式かを問わず、最近、統合センシングおよび通信技術に応用されている。例えば、ビームフォーマーは、不完全なチャネル状態情報の状況で通信タスクを実行すると同時に、ターゲット検出を実行してシーン内のターゲットを感知することが提案されている。^[8]

ビームフォーミングは、カクテルパーティー問題における複数のスピーカーなど、部屋内の音源を抽出するために使用できます。そのためには、たとえば音源からアレイ内のマイクへの 到着時間を使用し、距離から位置を推測するなどして、スピーカーの位置を事前に知っておく必要があります。

搬送波通信と比較すると、自然な音声にはさまざまな周波数が含まれています。異なる周波数には異なる最適なビームフォーム フィルタがあるため (したがって、別々の問題として並列に扱い、後で再結合することができる)、ビームフォーミングの前に周波数帯域を分離することが有利です。これらの帯域を適切に分離するには、特殊な非標準フィルタ バンクが必要です。対照的に、たとえば、標準的な高速フーリエ変換(FFT) 帯域フィルタは、信号内に存在する周波数は正確な高調波のみであると暗黙的に^想定しています。これらの高調波間にある周波数は、通常、すべての FFT チャネルをアクティブにします (これは、ビームフォーム分析で必要なことではありません)。代わりに、各チャネルでローカル周波数のみが検出されるフィルタを設計できます^(再結合プロパティを保持して元の信号を再構築できるようにする)。これらは通常、FFT 基底とは異なり非直交です。

• 3次元ビームフォーミング
• 開口合成 – 多数の望遠鏡からの信号を混合して、高い角度分解能の画像を生成する
• 逆合成開口レーダー（ISAR） - レーダー2Dマッピング技術
• 合成開口レーダー – 風景の画像を作成するために使用されるレーダーの形式
• 合成開口ソナー – ソナーデータの後処理を使用するソナーの形式Pages displaying short descriptions of redirect targets
• 薄型アレイの呪い – アンテナの電磁気理論における定理
• ウィンドウ関数 – 信号処理で使用される関数
• 合成開口磁気測定法（SAM） - 非線形ビームフォーミングアプローチ
• マイクアレイ – 連携して動作するマイクのグループ
• ゼロフォーシングプリコーディング – 無線通信における信号処理方法Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• マルチビームエコーサウンダー – 海底の地図を作成するために使用されるソナーの種類
• ペンシル（光学）  - 電磁放射線または荷電粒子の細いビーム
• ピリオドグラム – 信号のスペクトル密度の推定
• MUSIC  – 周波数推定と無線方向探知に使用されるアルゴリズム
• SAMV  – パラメータフリーの超解像アルゴリズム
• 空間多重化 - MIMO無線伝送技術、SMXと略されることもあるPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• アンテナダイバーシティ – 通信の信頼性を向上させる冗長化方式
• チャネル状態情報 – 通信リンクの既知のチャネル特性
• 空間時間コード – 無線通信システムでデータ伝送の信頼性を向上させるために使用される方法
• 空間時間ブロックコード – WiFi オプション
• ダーティペーパーコーディング（DPC） – 既知の干渉を補正できるコーディング技術
• スマートアンテナ – スマート信号処理アルゴリズムを備えたアンテナアレイ
• WSDMA は、広帯域空間分割多重アクセスとも呼ばれ、高帯域幅のチャネルアクセス方式です。
• ゴロム定規 – 定規に沿ったマークのセット。2 つのマークのペアが同じ距離に離れていない。
• 再構成可能なアンテナ – 周波数と放射特性を動的に変更できるアンテナ
• センサーアレイ – 単一のセンサーよりもゲインや次元を増やすために使用されるセンサーのグループ

• YouTubeのフェーズドアレイを使用したビームステアリングのアニメーション
• 建設的干渉による MU-MIMO ビームフォーミング、Wolfram デモンストレーション プロジェクト