はじめに：
ビームフォーミングは、センサーアレイを利用して指向性を実現し、送信信号の強度を高め受信信号の品質を向上させるための信号処理技術です。ビームフォーミングは、通信、レーダ、方向探知、防衛システム、兵器システム、石油および鉱物探査、医療画像処理で広く使用されています。ビームフォーミングを使用するソフトウェア無線アプリケーションの例に方向探知があります。ビーム形成アンテナを操作することで信号源の到来角を特定することができます。2つ以上の配列を使用して、ソースの正確な位置を三角測量できます。これは、多くのシグナルインテリジェンスとテロ対策の取り組みにとって不可欠です。
ビームフォーミングの原理：
ビームフォーミングは通常、センサーまたはアンテナのアレイで使用され、たとえばFigure 1に示すように、単一の携帯電話からの特定の方向の受容性を向上させます。特定のソースからの信号は、ソースとアンテナ間の距離に基づいて各アンテナに到達するため、アンテナ信号には相対的な位相と振幅のオフセットがあります。ビームフォーミングプロセスは、各アンテナ信号のゲインと位相を調整して、さまざまな遅延と信号パスを補正します。これらの調整により、特定の1つの方向から到着する信号の各アンテナで信号が調整されます。信号を合計すると、他の方向から到着した非整列信号が互いに打ち消し合う一方で、ビームフォーミング方向からの信号が建設的に追加され、S/N比が大幅に改善されます。このように、各パスのゲインと位相を電子的に調整することにより、アンテナは指向性を効果的に操られます。
システムブロック図：
このシステムでは、8つのアンテナが線形アレイに配置され、全体のブロック図がFigure 2に示されています。アンテナ周波数は2.5 GHzであるため、A/Dコンバーターでデジタル化するには、各アンテナ信号を増幅、フィルター処理、IF周波数にダウンコンバートする必要があります。ビームフォーミングの固定位相関係を維持するには、8つのチャネルすべてでの同期サンプリングが必須です。各A/Dからのサンプルは、DDC（デジタルダウンコンバーター）でベースバンド複素I + Q信号にダウンコンバートされます。これには、ビームフォーミング「ウェイト」のチャネル固有の位相およびゲイン調整も含まれます。次に、8つのベースバンド信号すべてが合計ブロックで加算され、最終的なビーム形成された合計信号が生成されます。CPUは合計を分析し、位相係数とゲイン係数を調整して、新しいターゲットを追跡または適応させます。
Model53661 ビームフォーミングボード：
Model53661ソフトウェア無線ボードは、Figure 3の簡略ブロック図に示す3U OpenVPX Cobaltボードです。4つの200 MHz 16ビットA/Dコンバーター、タイミング、クロック、同期セクション、およびザイリンクスVirtex-6 FPGAを備えています。FPGAには工場出荷時に4つのDDC IPコアがインストールされており、それぞれが4つのA/DのいずれかからA/Dサンプルを受け入れることができます。各DDCのデシメーション範囲は2～64Kで、2.5 kHz～80 MHzのダウンコンバートされたベースバンド帯域幅を提供できます。各DDCには、VPXバックプレーンを介してプロセッサからアクセス可能な、プログラム可能なゲインおよび位相シフト制御があります。
このシステムでは、各DDCに1つのA/Dを割り当てます。各DDCの出力には、ダウンコンバートされた信号電力を計算する電力計（図示せず）があります。 各電力計には、出力電力が上限しきい値を超えるか下限しきい値を下回るとシステム割り込みを生成するしきい値検出器が装備されています。これらの機能により、システムプロセッサがソフトウェアで実行する必要があるゲインキャリブレーションおよび信号監視タスクが簡素化されます。
FPGAには、4つのDDC出力を加算してビームフォーミング用のチャネル結合を実行するAurora加算ブロックも含まれています。Auroraは、ザイリンクスFPGA用の軽量リンク層ギガビットシリアルプロトコルです。このボードでは、Auroraインターフェイスは1つの4X入力ポートで伝搬合計を受け入れ、4つのオンボードチャネルからの寄与を含む新しい伝搬合計を4X出力ポートで配信します。3.125Gb/sのビットレートで動作し、各4Xリンクは1.25Gb/sでデータを転送できます。
2.5 Gbit/sのシリアルクロックレートで動作するPCIe x4インターフェイスは、DDCのプログラミングとビーム形成パラメーターの制御プロセッサへの1 GByte/sのリンクを提供します。このPCIeリンクは、4つのDDC出力とビーム形成加算出力の配信もサポートしています。プログラマブルギガビットシリアルクロスバースイッチは、2つの4X Aurora加算リンクとx4 PCIeリンクをVPX P1バックプレーンコネクターに接続します。このクロスバースイッチの柔軟性により、Model53661はさまざまなOpenVPXバックプレーントポロジおよびスロットプロファイルで動作できます。このシステムでは、AuroraリンクはOpenVPX Expansion Planeにマップされ、PCIeインターフェイスはOpenVPX Data Planeにマップされます。これは、コントロールプレーンの役割も引き受けます。Figure 4に示すPentek Model53661ボードは、エアクールバージョンとコンダクションクールバージョンがあります。
8チャンネル 3U OpenVPXシステム：
完全な8チャンネルOpenVPXビームフォーミングシステムをFigure 5に示します。2つのModel53661ボードは、スロット3のCPUボードとともに、OpenVPXバックプレーンのスロット1と2にインストールされます。2.5 GHz信号を受信するために設計された8つのダイポールアンテナは、低ノイズアンプ、ローカルオシレーター、ミキサーを含むRFチューナーに給電します。RFチューナーは、2.5 GHzアンテナ周波数信号を50 MHzのIF周波数に変換します。200 MHz 16ビットA/Dコンバーターは、IF信号をデジタル化し、ベースバンドへの周波数ダウンコンバージョンをさらに実行します。DDCのデシメーションは128です。これにより、約1.25 MHzの帯域幅を持つI + Q複素出力サンプルが提供されます。各チャネルの位相係数とゲイン係数は、指向性のために配列を操作するために適用されます。VPXスロット3のCPUボードは、2つのx4 PCIeリンクまたはOpenVPXの「ファットパイプ」を介してバックプレーン全体にコマンドと係数を送信します。
最初の4つの信号チャンネルは、VPXスロット1の左上のModel53661ボードで処理され、4チャンネルのビームフォーミングされた合計は、バックプレーンを通る4X Aurora Sum Outリンクを介してスロット2の2番目のModel53661の4X Aurora Sum Inポートに転送されます。2番目のModel53661からの4チャンネルの合計は、最初のボードからの合計に加算されて、完全な8チャンネル合計を形成します。この最終合計は、x4 PCIeリンクを介してスロット3のCPUカードに送信されます。Model53661ボード上の3つのOpenVPX 4Xリンク（OpenVPXファットパイプ）の割り当ては、前のブロック図に示されているクロスバースイッチを使用することで簡略化されています。これにより、Model53661は多種多様なバックプレーンで動作できます。OpenVPXはバックプレーンリンク全体でのシリアルプロトコルの使用を制限しないため、示されているような混合プロトコルアーキテクチャが完全にサポートされています。
ビームフォーミングシステム：
Figure 6に示すように、ビームフォーミングデモシステムには、CPUボード上のWindowsで実行されるコントロールパネルが装備されています。テスト送信機から到達する最も強い信号周波数を検出する自動信号スキャナーが含まれています。この周波数は、RFダウンコンバーターの50 MHz IF周波数を中心としています。周波数が識別されると、8つのDDCがそれに応じて設定され、その信号が合計のために0 Hzに下げられます。コントロールパネルソフトウェアでは、ゲイン、位相、同期遅延を含む8つのチャネルのすべてのパラメーターの特定のハードウェア設定も可能です。追加のディスプレイには、ビーム形成されたアレイのパターンが表示されます。この表示は、8つのチャネルのそれぞれの位相シフトを調整して、アレイの平面に垂直な-90Oから+ 90Oの到来角にわたって最大の感度を提供することによって形成されます。
Figure 7に、0度の角度（アレイの直前）に到達する信号の理想的な8素子アレイの古典的な7ローブパターンを示します。ローブパターンの下には、計算された到着角度を指す単一のベクトルを示す極座標プロットがあります。これは、応答が最大のローブを識別することに由来します。実際の送信機の実際のプロットをFigure 8に示します。これは、ディスプレイの正面にある信号源です。この場合、完全なローブパターンは、物理的なオブジェクト、反射、ケーブル長の変動、アンテナのわずかな違いの影響を受けます。それにもかかわらず、方向情報は非常にうまく計算されます。信号源がアレイの前で左右に移動すると、ピークローブも一緒に移動し、計算された到着角度が変わります。
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原文ドキュメント：Pentek社
PIPE201.pdf
8-Channel OpenVPX Beamforming System
関連製品
Model 78660：200MHz A/D & Virtex-6 FPGA搭載 A/Dボード (VPX/cPCI/AMC/XMC/PCIe)
Model 78662：200MHz A/D & Virtex-6 FPGA（DDC内蔵）搭載 A/Dボード (VPX/cPCI/AMC/XMC/PCIe)
Model 78664：200MHz A/D & VITA 49.0対応 Virtex-6 FPGA（DDC内蔵）搭載 A/Dボード (VPX/cPCI/AMC/XMC/PCIe)
Pentek社について
Pentek社は、ISO 9001：2015認定企業として、デジタル信号処理・ソフトウェア無線・データ収集用の組込みコンピュータボードおよびレコーディングシステムを設計・製造しています。製品には、商用環境と耐環境の両方に対応したAMC、XMC、FMC、PMC、cPCI、PCIe、VPXのフォームファクタで準備されており、レーダ、無線通信、SIGINT、ビームフォーミング等の用途に幅広く利用されています。Pentek社の詳細については、www.pentek.comをご参照ください。