模拟波束成形对比数字波束成形

行业热词之“波束成形”

波束成形用于定向信号收发，其不但能改变信号幅度，还能改变信号相位，从而有助于调节功率需求，并将波束转动至所需方向。未来，随着5G通信系统在全球市场的推出，6~100GHz波段或毫米波（mmWave）很可能成为移动宽带不可分割的组成部分。在人们对下一代技术的讨论中，波束成形以及模拟与数字之比较等概念屡被论及。在高频毫米波传输中，由于信号传播过程中路径损耗较大，因此给传输距离造成限制。为了解决这一问题，人们选择使用具有波束成形能力的定向天线进行信号收发。波束成形技术可对发射机和接收机的天线波束进行控制，从而在最大程度提高传输速率的同时，最大程度降低损耗。

模拟与数字之比较

在电子学范畴中，模拟信号和数字信号是必须掌握的基本概念，只有将这两种信号有机结合在一起，才能保证电子系统按照预定的方式运行。虽然模拟信号存在上下两限，但是该范围实际上存在着无数的可取值。模拟信号的时间-电压波形图为平滑连续的曲线图。与此相反，数字信号只在有限集合中取值，且两值择一（如0V或5V）。数字信号的时序图与方波类似。当判断某一信号是模拟信号或是数字信号时，可对该信号的表现形式进行比较——模拟信号的时间-电压波形图是平滑连续的曲线图；而数字信号的波形图是离散的阶梯状方波图。电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管和放大器等大多数基本电子元件均为模拟元件，数字电路则通过将晶体管、逻辑门和微控制器相互结合而对离散的数字信号加以使用。模数转换器（ADC）可将微控制器连接至模拟传感器，从而实现模拟电压的读取。数模转换器（DAC）可使得微控制器生成模拟电压。数字下变频器（DDC）可保留原始信号中的信息，并通常用于将模拟射频或中频信号转换为复杂的基带信号。

模拟

在模拟波束成形技术中，单个信号经过各模拟移相器分别放大并定向至所需接收机后，馈送至天线阵列中的每一天线振子。其中，幅度/相位变化在发射端施加至模拟信号，该发射端将不同天线的信号加和后进行模数转换。目前，模拟波束成形技术是性价比最高的波束成形天线阵列制造技术，然而，其缺点在于只能管理和生成一个信号波束。

数字

在数字波束成形技术中，每一个天线振子通过将射频信号转换为cos和sin两个二进制基带信号流的方式，从天线阵列中每一个振子接收的信号中恢复出幅度和相位。该技术的目的在于将模拟信号精确地转换为数字信号。其中，每一个天线都具有自身的收发器和数据转换器，因此同一阵列可同时生成多个波束，这使得接收器的匹配成为一个复杂的校准过程。该技术中，幅度/相位变化在发射端施加至数字信号后，进行数模转换。各天线的接收信号先后经模数转换器及数字下变频器处理。

数字波束成形技术之挑战

在这类5G移动通信领域正面临的挑战中，部分问题可能即将在技术研究中迎来解决方案。这些方案一旦产生，便极有可能主导波束成形技术的未来。就目前情况看，数字波束成形几乎是通信系统的未来，但是由于该技术不乏存在着一些难以解决的问题，因此首批问世的5G移动系统显然还需要在数字波束成形系统中结合使用模拟波束成形技术。