什么是波束成形?

由于无线电波是肉眼不可见的，我们以光源为例。单个灯泡的光源是发散的，会向四周照射，而手电筒的光源是具有方向性的，可以照亮指定的位置。同样，无线电波也可以实现如同手电筒一样的指定方向的波束，定向地传输无线信号。

图1 光源和波束

如何实现波束成形?

使用由多个天线阵元组成的阵列同时发送无线电波，使无线电波汇聚成一束波束。通过特定的方式调整每个天线阵元的幅值和相位，就可有实现波束方向的调整。

图2 天线阵元和波束

波束成形方式

模拟波束成形

模拟波束成形只有一路数字通道，使用功分器将一路数字通道分成多路，每一路通过模拟移相器连接到独立的天线。通过调整每一路模拟移相器的相位，实现波束成形。由于相位调整是通过数字通道后端的模拟移相器实现的，所以称这种方式为模拟波束成形。

数字波束成形

数字波束成形具有多路数字通道，通过调整每一路数字通道的相位，实现波束成形。每个天线单元均连接到独立的数字通道，与模拟波束成形不同，数字波束成形可以产生多个波束。由于相位调整是通过数字通道直接实现的，所以称这种方式为数字波束成形。

混合波束成形

混合波束成形是模拟波束成形和数字波束成形的结合，既有多路数字通道，又有多路模拟移相器。

模拟波束成形具有高性价比，可以实现Massive MIMO系统；数字波束成形具有高灵活性，可以产生多个不同信息的波束。模拟波束成形和混合波束成形通常用于数字通道成本较高的场景，如毫米波频段；在Sub 6G频段，模拟波束成形、数字波束成形和混合波束成形均有广泛应用。

图3 三种波束成形方式

波束成形的应用

5G基站、下一代WiFi，智能无线充电、车联网、智能驾驶、使用MIMO天线的5G手机等等，这些应用均依赖于波束成形。

图4 波束成形的应用

例如，车联网需要车辆之间相互感知并建立实时通信，在通信中分享车辆的传感器信息，其中的关键技术就是建立低延迟高稳定的实时通信，并且车辆之间的通信互不干扰，波束成形便是实现这一关键技术的有效途径。

图5 波束成形在车联网中的应用

两辆车相对移动的过程中，通过波束成形，实时调整波束的角度，实现两辆车的通信波束实时对准（即波束追踪）。目前，业界提出了多种波束追踪算法，如何去验证这些算法？是摆在用户面前的难题。

波束成形解决方案

曾益科技提供的波束成形解决方案为用户提供了灵活的硬件和软件，可以帮助用户快速的验证算法，进行算法的反复迭代和优化，使产品可以早日面向市场，在激烈的市场竞争中获得先机。

波束成形解决方案包含数字/模拟通道、数字/模拟天线、上位机/FPGA软件，用户可以根据自己的实际需求，灵活的选择通道、天线、软件，实现模拟、数字、混合波束成形。

图6 64阵元模拟相控阵天线

曾益科技提供上位机/FPGA软件用于修改波束的角度，包括水平角度和垂直角度。用户可以在上位机验证波束成形算法的逻辑，在FPGA验证波束成形算法的实时性，最终通过FPGA实现波束的高速实时切换。

图7 模拟相控阵天线的上位机软件

关于曾益科技

曾益科技成立于2015年，是一家专业从事测试测量仪器研发服务，为用户提供定制和半定制测试仪器系统的国家高新技术企业。曾益科技采用先进的测试测量产品和技术，结合自身在数字信号处理和射频领域的专业优势，向客户提供高质量的设计、研发服务。

曾益科技是NI的金牌系统联盟商。

关键词:车联网 波束成形 解决方案 NI

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来 源：曾益科技

编辑：清风

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