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Digital Beam Switching Receiver

Beim Beamforming arbeiten wir mit mehreren Antennen. Dabei nutzen wir aus, dass das gewünschte Signal nicht bei allen Antennen gleichzeitig auftrifft. Da der Abstand der Empfangselemente bekannt ist, können wir mit gezielter zeitlicher Korrektur eine bestimmte Empfangsrichtung fördern und ungewünschte Richtungen unterdrücken.

Funktionsprinzip

Anstelle von analogen (adaptiven) Stellgliedern im RF- Teil arbeiten alle Empfänger exakt phasensynchron und die zeitliche Verzögerung wird erst im Digitalteil durchgeführt. Mit dieser digitalen Beamforming Architektur kann die Empfangsrichtung des Antennen Arrays rechnerisch durch individuelle Wahl der Zeitverzögerungen (Delays) bestimmt werden. Es lassen sich auch mehrere Beams parallel berechnen und einzeln auswerten, so dass der Empfänger zeitgleich in verschiedene Richtungen gebündelt  empfangen kann. Der digital eingestellte Delay entspricht somit einer digitalen Schwenkung des Beams. Werden mehrerer Beams gleichzeitig berechnet, so kann für den Empfänger der Beste selektiert werden oder es kann jederzeit von einem Beam zum andern umgeschaltet werden.

 

Der Zeitversatz zwischen den Antennen wird beim digitalen Beamforming oftmals mit Hilfe von Zeitverzögerung im FPGA kompensiert. Dies hat den Nachteil, dass die Auflösung der Korrekturmöglichkeiten stark von der Taktfrequenz des digitalen Teils abhängig ist. Da eine Zeitverzögerung gleichzeitig einem Phasenversatz entspricht, kann im Empfänger auch die Phase anstelle der Zeitverzögerung korrigiert werden. Dies wird digital mit Hilfe eines CORDIC’s (COordinate Rotation Digital Computer) realisiert. CORDIC’s haben den Vorteil, dass sie die Abbildung einer mathematischen Annäherung sind und deshalb nicht Frequenzabhängig sind. Mit dieser Realisierung wird eine viel feinere Auflösung als mit einer Zeitverzögerung erzielt. Mit einer zusätzlichen Gewichtung der Antennen kann auch die Form des Beams verändert werden.

Kenndaten

Empfänger Frontend
5.7 – 5.8 GHz
4 Kanal Direct Conversion (1)

Empfänger digital
8 AD-Wandler mit je 12 MSps

FPGA basierte DSP
XILINX Virtex V4 LX100
Beamformer
3 unabhängige Beamrichtungen zeitgleich empfangbar
Beam-Nutzung
Beam Switching oder Beam Selection statt adaptive Beamforming
Datendemodulation
1 DPSK Empfänger umschaltbar auf jeden Beam

(1) in Zusammenarbeit mit der Firma Neratec Solutions AG und supported durch Innosuisse (ehemals KTI)

Video

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Projektpartner:

Finanzierung: Innosuisse (ehemals KTI)

Projektstatus: beendet