隨著雷達和無線通信系統中的信號處理從模擬轉向數字，人們在開發先進的波束成形技術以實現新應用方面付出了巨大的努力。使用數字方法精確引導波束的能力，最常見的是快速傅里葉變換 （FFT），導致雷達和移動電信系統的設計方式發生了重大變化。

波束成形可以切換或自適應。例如，在切換波束成形中，移動電信基站從預先定義的波束選擇中進行選擇，每個波束都基于接收到的信號的強度以特定方向為目標。當用戶相對于天線陣列移動時，信號被切換到陣列中的其他元件，這些元件定位得更好，以在特定方向上提供更強的信號。另一方面，自適應波束形成依賴于實時計算，允許基站在目標用戶的方向上發射更多聚焦的波束，同時減少其他方向的輸出，從而大大減少元素之間的干擾。

自適應波束成形設計需要非常高的處理帶寬——每秒必須執行數十億次乘法和累加操作。因此，接收系統抑制噪聲源和干擾變得更加重要。同時，必須保持對天線陣列中每個元件的實時方向控制。為了實現這一點，有必要對每個天線元件接收到的信號進行數字化處理，同時使用元件級處理。由于需要繁重的計算負載，傳統的 CPU 和 DSP 在自適應波束成形應用中可能會迅速負擔過重。然而，性能更高的 FPGA 非常適合該任務，因為它們具有嵌入式 DSP 模塊、并行處理架構和增強的存儲器功能。

全球對移動寬帶數據和語音服務不斷增長的需求不斷推動無線網絡運營商擴展和升級其網絡以提供更多容量。運營商同時試圖最大限度地增加每個無線基站可以支持的用戶數量，以降低其基礎設施成本，同時保持對用戶有吸引力的價格點。

由于可用無線頻譜的數量有限，這項工作變得復雜，因此增加的流量會產生更多的干擾，通話質量也會受到影響，部分原因是天線技術的限制。全向天線通常用于在蜂窩塔上進行發送和接收。然而，這種傳統方法（其中天線充當傳感器，將電磁能轉換為電能）效率不高，并且由于單個塔上存在大量信號而受到高度干擾，從而降低了整體連接性。

這種干擾可以通過使用在同一塔上組合在一起的定向扇區天線來減輕。這些自適應陣列天線或智能天線已越來越多地用于電信網絡，以提高無線連接質量并提高整體容量。這是通過波束成形技術實現的，該技術通過使用先進的數字信號處理將來自基站的波束引導至各個用戶。波束成形調整每個傳入和傳出信號的功率和相位，以創建沿特定方向傳播的波束，同時減少非必要輸出。這減少了單個信號對彼此造成的干擾量，并提高了所有連接的質量。

創新的自適應波束形成算法的出現導致在信號處理中使用浮點算法的增加，以通過實現實時目標跟蹤來最大限度地減少干擾并提高雷達容量。這是通過使用 QR 分解 （QRD） 和權重反向替換 （WBS） 等算法同時創建多個點光束來實現的。這些算法有助于波束的自適應形成，同時減少噪聲和干擾，但它們每秒需要大量的浮點運算。

由于許多雷達系統的尺寸、重量和功率限制，使用傳統 CPU 或 GPU 選項并不是最佳方法，因為執行浮點計算所需的硬件數量增加。由于需要更多的內存、功率和空間，更不用說更高的成本、更復雜的系統設計和延長的集成時間，因此使用多個 CPU 對雷達系統的設計產生了重大影響。基于 CPU 的設計進一步受到有限的內存和接口選項的限制。

FPGA 在采用先進數字波束形成技術的雷達系統中提供了優于 CPU 和 GPU 選項的巨大優勢，因為它們可以降低成本、復雜性、功耗和上市時間。由于其在自適應波束成形應用中處理高度并行浮點運算的卓越能力，FPGA 可以提高算法性能，同時顯著降低功耗。

FPGA 也更高效，因為一個設備通過諸如 PCIe 和 Serial RapidIO 等 I/O 標準從天線陣列中每個元件捕獲的信號中接收和處理大量數據。除了提供更高性能的處理之外，這樣的系統還不需要安裝在需要超過 1，000 W 的 VPX 機箱中的大量耗電的多核 CPU 板。流線型的單 FPGA 設計還受益于外部存儲器和其他額外的單塊電路板上提供的功能小于 80 W。

智能天線和自適應波束成形的使用，雖然幾十年來在軍事和國防應用中很常見，但由于與廣泛部署相關的高昂成本，直到最近才在商業蜂窩網絡中廣泛使用。隨著高性能、低成本 FPGA 和 DSP 的興起，自適應波束成形在 2000 年代初進入了 3G 移動基礎設施，該技術現在被廣泛用于擴展 4G 網絡。這為硬件和固件設計人員提供了新的機會，可以改進用于國防和商業應用的波束成形方法。

審核編輯：郭婷