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Beamforming Le Beamforming aussi appelé filtrage spatial, formation de faisceau

Beamforming Le Beamforming aussi appelé filtrage spatial, formation de faisceaux ou formation de voies est une technique de traitement du signal utilisée dans les réseaux d'antennes et de capteurs pour l'émission ou la réception directionnelle de signaux . Ceci est réalisé en combinant les éléments d'un réseau d'antennes à commande de phase de telle façon que dans des directions particulières, les signaux interfèrent de façon constructive tandis que dans d'autres directions les interférences soient destructives. Le beamforming peut être utilisé du côté émetteur ou du côté récepteur pour obtenir une sélectivité spatiale. L'amélioration, comparée à l'émission/réception d'une antenne isotrope (omnidirectionnelle), s'appelle le gain (ou perte) d'émission/réception. Remarque: ci-dessous les termes anglais « beamformer/transmit beamformer » et « beamformee/receive beamformer » ont été traduits par « modeleur de faisceau » et « récepteur de beamforming ». Le beamforming peut s'utiliser avec les ondes radio ou sonores. Il a de nombreuses applications dans les techniques de radar, sonar, sismologie, transmission sans fil, radioastronomie, acoustique, et la biomédecine. Le beamforming adaptatif est utilisé pour détecter et évaluer le signal utile à la sortie d'un réseau de capteurs, au moyen du filtrage spatial optimal (c'est-à-dire de moindres carrés) et de la réjection d'interférence. Pour les techniques d'imagerie acoustique, le beamforming constitue une méthode de traitement du signal élémentaire et très répandue. Généralités Spécificités pour le Sonar Formalisation Expression temporelle de la formation de voie en champ libre 3D Expression fréquentielle Histoire du beamforming dans les normes de téléphonie cellulaire Beamforming pour le son parlé Voir aussi Solutions de beamforming Solutions de beamforming (liens vers le Wikipedia anglais) Sujets connexes (certains liens vont vers le Wikipedia anglais) Références Articles et ouvrages en anglais Liens externes Pour changer l'orientation du réseau d'émission, le modeleur de faisceau contrôle la phase et l'amplitude relative du signal sur chaque élément du réseau d'émission, créant ainsi un motif d'interférences 1 Sommaire Généralités e at ve du s g a su c aque é é e t du éseau d é ss o , c éa t a s u ot d te é e ces constructives et destructives dans le front d'onde. À la réception, l'information provenant des différents capteurs est combinée de telle manière que le signal attendu est mis en évidence. Par exemple dans le sonar, pour envoyer une brusque impulsion de son sous-marin en direction d'un navire distant, se contenter d'émettre cette impulsion simultanément sur tous les hydrophones du réseau, ne fonctionne pas, car le navire recevra d'abord l'impulsion de l'hydrophone le plus proche, puis successivement les impulsions des hydrophones plus éloignés. La technique de beamforming suppose d'envoyer l'impulsion depuis chaque hydrophone en la décalant légèrement dans le temps (l'hydrophone le plus éloigné du navire en premier), ainsi chaque impulsion touche le navire exactement au même moment, en produisant le même effet qu'une impulsion puissante issue d'un unique hydrophone. On peut réaliser la même chose dans l'air avec des haut-parleurs, ou en radio et radar avec des antennes radio. Dans le sonar passif, et en réception dans le sonar actif, la technique de beamforming suppose de combiner les signaux des hydrophones en les retardant variablement (l'hydrophone le plus proche de la cible subira le plus long retard) de façon que chaque signal atteigne la sortie de l'antenne sonar exactement au même moment, produisant un unique et puissant signal, comme s'il venait d'un unique hydrophone très sensible. Le beamforming en réception peut aussi s'utiliser avec des microphones ou des antennes radar. Dans les systèmes à bande étroite, le retard est équivalent à un déphasage, c'est pourquoi dans ce cas le réseau d'antennes, chacune étant déphasée d'une petite valeur différente, est appelée 'réseau d'antennes à commande de phase' . Un système à bande étroite, typique des radars, est un système dans lequel la bande passante ne représente qu'une petite fraction de la fréquence centrale. Dans les systèmes à large bande, cette approximation ne suffit pas, ce qui est typiquement le cas des sonars. Dans les récepteurs de beamforming le signal de chaque antenne peut être amplifié selon un « poids » différent. Des arrangements variés des poids (c.à.d. Dolph-Chebyshev) peuvent être utilisés pour obtenir les motifs de sensibilité désirés. Un lobe principal est produit simultanément à des lobes nuls et secondaires. En plus de contrôler le niveau du lobe principal (le faisceau) et des lobes secondaires, on peut contrôler aussi la position des nuls. Ceci peut servir à ignorer le bruit ou brouillage radio dans une direction choisie, tout en écoutant ce qui provient d'autres directions. Un résultat similaire peut être obtenu en transmission. Pour les détails mathématiques du guidage des faisceaux d'ondes en utilisant les amplitudes et les déphasages, voyez la section mathématique dans l'article 'réseau d'antennes à commande de phase'. Dans les grandes lignes les techniques de beamforming peuvent être divisées en deux catégories : beamforming conventionnel (fixe ou commuté) beamforming adaptatif ou réseau d'antennes à commande de phase Mode de maximisation du signal désiré Mode de minimisation ou d'annulation du signal interférent Le beamforming conventionnel utilise un ensemble fixe de poids et de retards (ou déphasages) pour combiner les signaux des capteurs du réseau, en utilisant essentiellement les seules informations d'emplacement des capteurs dans l'espace et des directions des ondes intéressantes. À l'opposé, les techniques de beamforming adaptatif combinent généralement cette information avec les propriétés des signaux effectivement reçus des capteurs, typiquement pour améliorer la réjection de signaux indésirables venant d'autres directions. Ce processus peut être mis en œuvre dans le domaine-temps ou dans le domaine fréquentiel. Comme son nom l'indique un système de beamforming adaptatif (en) peut s'adapter automatiquement à différentes situations. Des critères, par exemple la minimisation du bruit total en sortie, doivent être définis pour permettre l'adaptation. Dans les systèmes à large bande, du fait de la variation du bruit avec la fréquence, il peut être souhaitable de procéder dans le domaine fréquentiel. Le beamforming peut être gourmand en capacité de calcul. Le débit de données d'une antenne Sonar est suffisamment faible pour être traité en temps réel par logiciel, lequel est assez souple pour émettre et recevoir simultanément dans plusieurs directions. À l'opposé, le débit de données du réseau d'antennes à commande de phase d'un radar est tellement élevé qu'il nécessite habituellement un traitement par composant matériel, qui est bloqué pour émettre et/ou recevoir dans une seule direction à la fois. Cependant, les FPGA sont maintenant suffisamment rapides pour supporter les données radar en temps réel, et peuvent être rapidement reprogrammés comme du logiciel, rendant floue la distinction entre le matériel et le logiciel. Le Sonar lui-même a de nombreuses applications, telles que la recherche et la télémétrie à longue distance ou l'imagerie sous-marine avec le sonar latéral (en) et les caméras acoustiques (en). Dans le sonar la mise en œuvre du beamforming utilise les mêmes techniques générales mais diffère significativement dans les détails des implémentations dans les systèmes électromagnétiques. Les applications commencent à 1 Hz et peuvent aller jusqu'à 2 MHz, et les éléments du réseau peuvent être gros et peu nombreux, ou être très petits et se compter par centaines. Ceci va significativement influencer l'effort de conception du beamforming dans les sonars, depuis le besoin de composants frontaux de systèmes (transducteurs, préamplificateurs et numériseurs) jusqu'en aval avec le matériel effectif de calcul du beamforming. Les sonars haute fréquence, ceux à faisceau concentré, les sonars multi-éléments pour la recherche et l'imagerie, les caméras acoustiques, mettent souvent en œuvre du calcul spatial du cinquième degré qui place sur les processeurs des contraintes équivalentes aux exigences des radars Aegis. De nombreux systèmes de sonar, tels que ceux des torpilles, sont constitués de réseaux allant jusqu'à 100 éléments qui doivent pouvoir orienter un faisceau avec un angle de vision de plus de 100 degrés et fonctionner à la fois en mode actif et passif. Les réseaux d'hydrophones s'utilisent aussi bien en mode actif que passif en matrices à 1, 2 et 3 dimensions. 1 dimension : les réseaux « linéaires » sont habituellement dans des systèmes passifs multi-éléments remorqués derrière un bateau et dans les sonars latéraux (en) à un ou plusieurs éléments. 2 dimensions : les réseaux « plans » sont courants dans les sonars actifs ou passifs installés dans les coques de bateaux et dans certains sonars latéraux (en). 3 dimensions : les réseaux « sphériques » et « cylindriques » s'utilisent dans les « coupoles sonar » des bateaux et sous-marins modernes. Le sonar diffère du radar en ce qu'en certaines applications comme la recherche à longue portée, on doit souvent observer, et parfois émettre, dans toutes les directions simultanément. Aussi un système à plusieurs faisceaux est-il nécessaire. Dans le récepteur sonar à bande étroite les phases de chaque faisceau peuvent être entièrement manipulées par du logiciel de traitement de signal, à comparer aux systèmes radar actuels qui utilisent du matériel pour « écouter » dans une seule direction à la fois. Le sonar utilise aussi le beamforming pour compenser l'important problème de la vitesse de propagation du son, plus lente que celle des ondes électromagnétiques. Dans les sonars latéraux, la uploads/Ingenierie_Lourd/ beamforming.pdf