分布式节点特定的LCMV波束形成器或将运用在智能家居系统方面

声音是人类最 早研究的物理现象之一，声学是物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的唯 一分支学科。声音是物体产生的机械波，通过空气传播到耳朵。基本的声学测量声强测量、声强测量、声质点速度测量、波长测量、加速度测量、传声器和水听器绝对校准、通信系统检测、语言可懂度测试、听力测量、声波分析、电声仪器性能评价、房间音质测量等。近代声学测量的仪器设备有各种电容传感器和电子放大记录设备、模拟和数字波谱分析仪、声强计、加速度计、驻波管等，以及消声室、混响室、隔声室、高声强实验室、消声水池和混响水池。

近期，中科院噪声与振动重点实验室提出了分布式节点特定的块对角线性约束最小方差波束形成器，把信号传输和计算任务分散到各个节点，从而减小节点的通信带宽和发送功率，提高WASNs的寿命和语音增强性能的鲁棒性。该研究在双耳助听器和智能家居系统等方面具有潜在的应用价值。

波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收。 波束成形，并非新名词，其实它是一项经典的传统天线技术。早在上世纪60年代就有采用天线分集接收的阵列信号处理技术，在电子对抗、相控阵雷达、声纳等通信设备中得到了高度重视。基于数字波束形成(DBF)的自适应阵列干扰置零技术，能够提高雷达系统的抗干扰能力，是新一代军 用雷达必用的关键技术。定位通信系统通过传声器阵列获取声场信息，使用波束成形和功率谱估计原理，对信号进行处理，确定信号来波方向，从而可对信源进行精确定向。只不过，由于早年半导体技术还处在微米级，所以它没有在民用通信中发挥到理想的状态。

波束成形，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。 例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向。如果要采用波束成形技术， 前提是必须采用多天线系统。例如，多进多出(MIMO)，不仅采用多接收天线，还可用多发射天线。由于采用了多组天线，从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流(spatial streams)， 是通过多条路径传输的。

在接收端采用一定的算法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比。即使在接收端较远时，也能获得较好的信号质量。MIMO可大大提高网络传输速率、覆盖范围和性能。当基于MIMO而同时传递多条独立空间流时，系统的吞吐量可成倍地提高。MIMO系统支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3,而接收天线数量为2，则支持的空间流为2。在市场上，经历了三年3×3模式的量产磨合期后，4X4模式崭露头角，立刻引起了业界重视。

波束成形的工作过程是怎样的?以热点为例，基站给客户端周期性发送声信号，客户端将信道信息反馈给基站，于是基站可根据信道状态发送导向数据包给客户端。高速的数据计算处理，给出了复形的指示，客户端方向上的增益得以加强，方向图随之整型，相应方向的传输距离也有所增加。AP如果用4组发射天线4x4三组空间流，便能在多天线得到的增益基础上，获取较大的空间分集增益。

从结构和设置来分，支持802.11n标准的波束成形可分为显性波束成形和隐形波束成形两大类。显性波束成形在AP和客户端均有设置，对增加距离和链路耐用性有很大提高。隐性波束成形的好处是客户端不需要做相应的处理，在设备实现上较为简单，对增加距离和耐用性也有一定帮助。

以显性波束成形的热点为例， 无线局域网信号传输过程是这样开始的：基站与客户端之间需要不断地周期性握手(发送声信号，信道矩阵反馈)客户端反馈信道信息给热点，热点根据信道状态信息发送复形数据包给客户端，加强某客户端方向的强度。由此获得空间分集增益 + 发射阵列增益(此与发射天线数量有关)波束成形技术可分为自适应波束成形、固定波束和切换波束成形技术。固定波束即天线的方向图是固定的，把IS-95中的三个120°扇区分割即为固定波束。切换波束是对固定波束的扩展，将每个120°的扇区再分为多个更小的分区，每个分区有一固定波束，当用户在一扇区内移动时，切换波束机制可自动将波束切换到包含最 强信号的分区，但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号和干扰信号。

自适应波束成形器可依据用户信号在空间传播的不同路径，最佳地形成方向图，在不同到达方向上给予不同的天线增益，实时地形成窄波束对准用户信号，而在其他方向尽量压低旁瓣，采用指向性接收，从而提高系统的容量。由于移动站的移动性以及散射环境，基站接收到的信号的到达方向是时变的，使用自适应波束成形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开，并跟踪这些信号，调整天线阵的加权值，使天线阵的波束指向理想信号的方向。自适应波束成形的关键技术是如何较精确地获得信道参数。

新闻来源：声学研究所

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