Beamforming

Beamforming wird nicht nur in der Antennentechnik eingesetzt, bei der die Abstrahlcharakteristik entsprechend geändert wird, sondern auch in der Akustik zur Klangverbesserung von kompakten Mobilgeräten wie Tablet-PCs oder Notebooks.


Beamforming zur Optimierung der Abstrahlcharakteristik von Antennen

Beamforming ist eine von mehreren intelligenten Antennentechnologien, der Smart-Antenne, zur Erhöhung der empfangsseitigen Feldstärke. Weitere sind Multiple Input Multiple Output (MIMO), Spatial Multiplexing (SM) und Maximum Ratio Combining (MRC).

Beamforming mit unterschiedlichen Abstrahlkeulen

Beamforming mit unterschiedlichen Abstrahlkeulen

Beim Beamforming werden mehrere dicht beieinander angebrachte unidirektionale Antennen so mit HF-Signalen belegt, dass die Antennenarrays eine direktionale Abstrahlcharakteristik nachbilden. Die Abstrahlcharakteristik solcher Phased-Array-Antennen kann nach mathematischen Algorithmen geändert werden und zwar durch Änderung der Signalpegel und -phasenlagen. Die beiden Parameter ermöglichen eine komplexe Gewichtung der Abstrahlform. Die simulierte Abstrahlcharakteristik kann anwendungsspezifische Formen nachbilden. So kann für stationäre Anwendungen eine stark gebündelte Abstrahlkeule nachgebildet werden und für Mobilanwendungen eine breitere Abstrahlcharakteristik. In der Praxis können dadurch die Funkwellen eines Access Points (AP), die sich normalerweise in konzentrischen Kreisen ausbreiten, so geformt werden, dass die Abstrahlcharakteristik ihr Maximum in Client-Richtung hat. Auch die Sendeleistung (EIRP) kann den Anwendungen entsprechend angepasst werden. Das Beamforming-Verfahren bedingt ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in Richtung der Empfangsantennen und eignet sich am besten für Sichtverbindungen (LOS).

Wird ein solches Antennen-Array als Empfangsantenne geschaltet, kann sie so geformt werden, dass das empfangene Signal verstärkt und Interferenzen unterdrückt werden. Bei den Beamforming-Verfahren unterscheidet man zwischen dem analogen Beamforming und dem digitalen Beamforming, sowie dem adaptivem Beamforming. In der Beamforming-Konstellation ist die sendende Station, der Zugangspunkt, der Beamformer, die empfangende Station, der WLAN-Client, der Beamformee.

Beamforming zur Klangverbesserung bei der Schallabstrahlung

Die Klangqualität und der Stereo-Effekt von kompakten Mobilgeräten wie Tablet-PCs oder Notebooks ist durch die winzigen Lautsprecher und den geringen Abstand voneinander, relativ eingeschränkt. Damit diese kompakten Mobilgeräte trotzdem einen Raumklang erzeugen, werden Lautsprecher-Arrays mit Beamforming eingesetzt. Ein Lautsprecher-Array ist eine Anordnung von mehreren Lautsprechern nebeneinander; das Beamforming soll beim Hörer den Eindruck vermitteln, als ob es sich um weiter entfernte Schallquellen handelt.

Wegen der geringen Abstände der Lautsprecher in dem Notebook- oder Tablet-Gehäuse ist eine Stereowiedergabe mit Raumklang nicht möglich, da der Hörer den linken und rechten Lautsprecher gehörmäßig nicht unterscheiden kann. Dieser Nachteil wird durch verschiedene Konzepte behoben, die ein individuelles, voluminöses Klangerlebnis erzielen. Diese Verfahren basieren auf Interferenzen mit denen die Schallwellen beim Zuhörer angehoben oder abgeschwächt werden.

Beamforming 
   für die Klangverbesserung

Beamforming für die Klangverbesserung

Wird beispielsweise das gleiche Schallsignal in der gleichen Phasenlage von den beiden äußeren Lautsprechern eines Lautsprecher-Arrays abgestrahlt, dann erreicht es den Zuhörer mit minimaler Zeitdifferenz. Wird das Signal mit dem kürzeren Weg um diese Zeitdifferenz verzögert, dann treffen beide Signale phasengleich ein und überlagern sich zu einem Schallsignal höherer Amplitude. Der Schalldruck, den der Hörer empfindet, wird bei vollkommen identischen Signalen um 6 dB ansteigen. Andererseits können sich die Schallwellen auch gegenphasig überlagern und die daraus entstehende Interferenz kann zum Auslöschen der Schallwellen führen. Das macht sich das Active Noise Cancelling (ANC) zunutze.

Die Schallwellen können durch zeitliche Verschiebung beim Zuhörer unterschiedliche räumliche Eindrücke auslösen, zumal die Schallwellen aller Lautsprecher eines Lautsprecher-Arrays, das meistens aus vier Lautsprechern besteht, einzeln zeitverzögert und in der Amplitude verändert werden können. Dadurch kann mit Digital Signal Processing (DSP) die Klangqualität verbessert und das räumliche Hörempfinden unterstrichen werden.

Beamforming zur Geräuscherkennng in Kraftfahrzeugen

Bei diesem akustischen Beamforming geht es nicht um die Abstrahlung von Schall, sondern um die Aufnahme von Geräuschen. Es geht darum Geräuschquellen wie Motorenlärm, Quietschen von beweglichen Teilen oder Klappern von Verkleidungen in Kraftfahrzeugen zu orten, damit diese reduziert oder ausgeschaltet werden können. Diese Geräusche werden als BSR-Geräusche bezeichnet, was für Buzz, Squeak und Rattle steht. Das dazu benutzte Beamforming arbeitet mit Mikrofon-Arrays und ermittelt aus den Zeitverzögerungen, der auf die Mikrofone treffenden Geräusche die Richtung in der die Geräuschquelle liegt.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Beamforming
Englisch: beamforming
Veröffentlicht: 23.10.2014
Wörter: 677
Tags: #802.11
Links: ABF (analog beamforming), Abstrahlcharakteristik, AP (access point), Akustik, Algorithmus