Lainekimbu moodustamine

Lainekimbu moodustamine (ingl beamforming) on signaalitöötluses kasutatav meetod andurite massiivist signaali vastuvõtmise ja saatmise ruumiliseks filtreerimiseks (ingl spatial filtering). See tehnika võimaldab elektrooniliselt muuta andurite massiivi suunadiagrammi ja seega kindlaks teha, mis suunas on saadetud/vastuvõetud signaal kõige tugevam. See on lainekimbu suunamine (ingl beamsteering). Lainekimbu moodustamist kasutatakse näiteks 5G antennides MIMO kujul. Suunadiagramm on antenni kiirgamisvõimsust iseloomustav diagramm. Sellel diagrammil on andmed kujutatud polaarkoordinaadistikus, kus signaali tugevus on kaugus keskpunktist ja suund on nurk. Diagrammil on suundantenni suunadiagramm, sest on olemas eristatav suund, kus kiiratav signaal on kõige tugevam. Sellel antennil on pealips suunaga 0 kraadi ja kummlgi pool väiksemad kõrvallipsud. See diagramm on pildil küll kahedimensiooniline kuid ei tohi unustada, et elektromagnetlained kiirgavad ruumis. Lainekimbu moodustamise idee seisneb selles, et põhilipsu tegemisel kasutatakse antennide massiivi. Kui näiteks paraboolantennil on suunamiseks kausikujuline kiirgur, siis signaalitöötluses moodustatakse lainekimp mitme antenni signaalide liitumise teel. Selles suunas, kuhu me tahame lainekimpu moodustada, valime signaalide faasid nii, et valitud suunas lained liituksid konstruktiivselt ja teistes suundades dekonstruktiivselt. Seejuures edastatakse eri antennidest sama signaali natukene erinevatel aegadel. See lubab muuta suunadiagrammi programmiliselt. Kitsa ribalaiuse puhul on kerge näha, et ajaline erinevus sarnaneb faasinihkega. Suure ribalaiuse puhul see enam nii pole ja siis tuleb faasinihke asemel ajaliselt eristada signaale (näiteks sonari puhul. Lainekimpu saab moodustada nii signaali saatmisel kui ka vastuvõtmisel. Signaali saatmise puhul on eelduseks massiiv mingitest signaali edastajatest, vastuvõtmisel massiiv anduritest. Kui see eeldus on täidetud saame signaale ruumis filtreerida. Signaali suuna tuvastamise ja võimendamise analoog on inimese kõrvadesse heli jõudmine väikese ajanihkega ja selle järgi pea keeramine heli suuna poole. Signaali edastamisel faasitakse üks signaal mitmeks veidi erineva faasiga signaaliks. Vastuvõtmisel aga tehakse vastupidi, iga antennist tulev signaal korrutatakse osakaaluga kompleksis ja siis liidetakse kõik signaalid kokku. Digitaalse ja analoogse lainekimbu moodustamise erinevus seisneb signaali arvutamises. Digitaalsel lainekimbu moodustamisel muudame signaali faasi ja kaalu digitaalseid arvutusmeetodeid kasutades. Arvutatakse välja, mitu signaali edastatakse ühe lainekimbu moodustaja (ingl beamformer) poolt eraldi antennidesse. Väga suurte antenni massiivide juures muutub signaalide arv väga suureks ning iga antenni jaoks faasinihkega signaali arvutamine läheb väga ajakulukaks. Sel juhul on otstarbekas arvutamiseks moodustada analoogne lainekimp. Siis ei kasutata arvutamiseks protsessorit, vaid igal antennil on analoogne faasimuundur. Analoogse moodustamise eelis digitaalse ees on kiirus, aga analoogmeetodil loodud lainekimp vajab palju rohkem voolu. Buckley, Kevin; Veen, Barry (aprill 1988). "Beamforming: a versatile approach to spatial filtering". IEEE ASSP Magazine. IEEE (2): 4–24. Vaadatud 19.04.2021. "What is 5G beamforming, beam steering and beam switching with massive MIMO". Originaali arhiivikoopia seisuga 26.04.2021. Vaadatud 26.04.2021. Signaalitöötlus