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beamforming.pptx

  1. Beamforming
  2. Tx1
  3. Tx1 cos(2πœ‹π‘“π‘‘)
  4. Tx1 Tx2 𝝀 𝟐 cos(2πœ‹π‘“π‘‘)
  5. Tx1 Tx2 𝝀 𝟐 cos(2πœ‹π‘“π‘‘) Rx 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝅
  6. Destructive superimposition Tx1 Tx2 𝝀 𝟐 Zero signal cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ‹ = 0
  7. Tx1 Tx2 𝝀 𝟐 Rx 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’•
  8. Constructive superimposition Tx1 Tx2 𝝀 𝟐 Amplified signal (twice amplitude) cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 0 = 2cos(2πœ‹π‘“π‘‘)
  9. Receiver at arbitrary location Tx1 Tx2 𝝀 𝟐 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝓 Rx
  10. Arbitrary location, what’s the path difference Path difference = ??
  11. Path difference Tx1 Tx2 𝒅 πœƒ 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝓 Rx
  12. Path difference and phase difference Tx1 Tx2 𝒅 Path difference = πœƒ 𝒅𝒄𝒐𝒔(𝜽) πœ™(π‘β„Žπ‘Žπ‘ π‘’ π‘‘π‘–π‘“π‘“π‘’π‘Ÿπ‘’π‘›π‘π‘’) = 2πœ‹ πœ† βˆ— (π‘π‘Žπ‘‘β„Ž π‘‘π‘–π‘“π‘“π‘’π‘Ÿπ‘’π‘›π‘π‘’) πœ™ = 2πœ‹ πœ† βˆ— 𝒅𝒄𝒐𝒔(𝜽) 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝓 Rx 𝐑𝐱 𝜽 = 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + πŸπ… 𝝀 𝒅𝒄𝒐𝒔(𝜽)
  13. (𝑑 = πœ† 2 ) Radiation pattern: Rx amplitude as a function of angle
  14. (𝑑 = πœ†) Radiation pattern: Rx amplitude as a function of angle
  15. Radiation pattern: Rx amplitude as a function of angle (𝑑 = 2πœ†)
  16. (𝑑 = πœ† 2 ) Radiation pattern: Rx amplitude as a function of angle 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝓
  17. (𝑑 = πœ† 2 ) Radiation pattern: Rx amplitude as a function of angle 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + π“π’Šπ’ + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝓 The initial phases can be controlled
  18. Radiation pattern: Rx amplitude as a function of angle (𝑑 = πœ† 2 ) π“π’Šπ’=0 π“π’Šπ’=-x 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + π“π’Šπ’ + 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝓 π“π’Šπ’=0 π“π’Šπ’=-x A non zero initial phase can change the radiation pattern
  19. Multiple antennas
  20. Tx1 Tx2 𝒅 πœƒ Tx(N-1) 𝒅 . . . 2πœ‹ π‘‘π‘π‘œπ‘ (πœƒ) πœ† Tx(N) Rx cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ™ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 2πœ™ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 2 βˆ— πœ™ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 1 βˆ— πœ™ 𝑅π‘₯ = ……..
  21. 𝑅π‘₯ = cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ™ + cos(2πœ‹π‘“π‘‘ + 2πœ™) + … … . . + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 2 βˆ— πœ™ + cos(2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 1 βˆ— πœ™) cos 2πœ‹π‘“π‘‘ = 𝑒𝑖2πœ‹π‘“π‘‘ + π‘’βˆ’π‘–2πœ‹π‘“π‘‘ 2 = Re {ei2πœ‹π‘“π‘‘} 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{ei2πœ‹π‘“π‘‘ + ei2πœ‹π‘“π‘‘+πœ™ + ei2πœ‹π‘“π‘‘+2πœ™ + … … . . ei2πœ‹π‘“π‘‘+ π‘βˆ’1 πœ™ + ei2πœ‹π‘“π‘‘+ π‘βˆ’1 πœ™} 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{ei2πœ‹π‘“π‘‘ + ei2πœ‹π‘“π‘‘π‘’π‘–πœ™ + ei2πœ‹π‘“π‘‘π‘’π‘–2πœ™ + … … . . ei2πœ‹π‘“π‘‘π‘’π‘– π‘βˆ’2 πœ™ + ei2πœ‹π‘“π‘‘π‘’π‘– π‘βˆ’1 πœ™} 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{ei2πœ‹π‘“π‘‘ 1 + π‘’π‘–πœ™ + 𝑒𝑖2πœ™ + … … . . + 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™ + 𝑒𝑖 π‘βˆ’1 πœ™ ) 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{ei2πœ‹π‘“π‘‘ 1 βˆ’ π‘’π‘–π‘πœ™ 1 βˆ’ π‘’π‘–πœ™ } 𝑹𝒙(𝜽) = 𝑹𝒆{πžπ’πŸπ…π’‡π’• 𝟏 βˆ’ 𝒆 π’Šπ‘΅ πŸπ…π’…π’„π’π’”(𝜽) 𝝀 𝟏 βˆ’ 𝒆 π’Š πŸπ…π’…π’„π’π’”(𝜽) 𝝀 }
  22. Radiation pattern (𝑑 = πœ† 2 ) (𝑁 = 2) (𝑁 = 4) (𝑁 = 8)
  23. 𝑅π‘₯ = cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ™ + cos(2πœ‹π‘“π‘‘ + 2πœ™) + … … . . + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 2 βˆ— πœ™ + cos(2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 1 βˆ— πœ™) 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{ei2πœ‹π‘“π‘‘ + ei2πœ‹π‘“π‘‘+πœ™+πœ™π‘–π‘› + ei2πœ‹π‘“π‘‘+2πœ™+2πœ™π‘–π‘› + … … . . ei2πœ‹π‘“π‘‘+ π‘βˆ’2 πœ™+(π‘βˆ’2)πœ™π‘–π‘› + ei2πœ‹π‘“π‘‘+ π‘βˆ’1 πœ™+(π‘βˆ’2)πœ™π‘–π‘›} 𝑅π‘₯ = cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ™π‘–π‘›π‘œ + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ™ + πœ™π‘–π‘›1 + cos(2πœ‹π‘“π‘‘ + 2πœ™ + πœ™π‘–π‘›2) + … + cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 2 βˆ— πœ™ + πœ™π‘–π‘›(π‘βˆ’2) + cos(2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 1 βˆ— πœ™ + πœ™π‘–π‘›(π‘βˆ’1)) πœ™π‘–π‘›π‘œ = 0, πœ™π‘–π‘›1 = πœ™π‘–π‘› , πœ™π‘–π‘›2 = 2πœ™π‘–π‘› … … … . . , πœ™π‘–π‘›1 = (𝑁 βˆ’ 1) βˆ— πœ™π‘–π‘› πœ™ = 2πœ‹ πœ† βˆ— 𝒅𝒄𝒐𝒔(𝜽) 𝑆𝑒𝑑 πœ™π‘–π‘› = βˆ’πœ™ = βˆ’ 2πœ‹ πœ† βˆ— 𝒅𝒄𝒐𝒔(𝜽) 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{ei2πœ‹π‘“π‘‘ + ei2πœ‹π‘“π‘‘ + ei2πœ‹π‘“π‘‘ + … … . . ei2πœ‹π‘“π‘‘ + ei2πœ‹π‘“π‘‘} 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{Nei2πœ‹π‘“π‘‘} A maxima occurs in the direction of 𝜽 Rotating the beam 𝑅π‘₯ = 𝑅𝑒{ei2πœ‹π‘“π‘‘ + ei2πœ‹π‘“π‘‘+πœ™+πœ™π‘–π‘›0 + ei2πœ‹π‘“π‘‘+2πœ™+2πœ™π‘–π‘›1 + … … . . ei2πœ‹π‘“π‘‘+ π‘βˆ’2 πœ™+πœ™π‘–π‘›(π‘βˆ’2) + ei2πœ‹π‘“π‘‘+ π‘βˆ’1 πœ™+πœ™π‘–π‘›(π‘βˆ’1}
  24. π“π’Šπ’ = βˆ’π“ = βˆ’ πŸπ… 𝝀 βˆ— 𝒅𝒄𝒐𝒔(πŸ’πŸ“) π“π’Šπ’ = βˆ’π“ = βˆ’ πŸπ… 𝝀 βˆ— 𝒅𝒄𝒐𝒔(πŸ”πŸŽ) Rotating the beam
  25. Networking applications 25
  26. Acoustic Beamforming – noise suppression Silent zone Audible Zone
  27. Other applications β€’ Localization β€’ Gesture tracking β€’ RF Imaging
  28. Reception
  29. Sensing Angle of Arrival (AoA) Rx2 Rx1 𝒅 Path difference = πœƒ 𝒅𝒄𝒐𝒔(𝜽) πœ™ = 2πœ‹ πœ† βˆ— 𝒅𝒄𝒐𝒔(𝜽) 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• + 𝝓 Tx 𝐜𝐨𝐬 πŸπ…π’‡π’• 𝜽(𝑨𝒐𝑨) = 𝒂𝒄𝒐𝒔 𝝀𝝓 πŸπ…π’…
  30. Rx1 Rx2 𝒅 πœƒ Rx(N-1) 𝒅 . . . 2πœ‹ π‘‘π‘π‘œπ‘ (πœƒ) πœ† Rx(N) Tx cos 2πœ‹π‘“π‘‘ cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ™ cos(2πœ‹π‘“π‘‘ + 𝑁 βˆ’ 1 βˆ— πœ™) Antenna array
  31. cos 2πœ‹π‘“π‘‘ cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + πœ™ cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + 2πœ™ cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + (𝑁 βˆ’ 1)πœ™ cos 2πœ‹π‘“π‘‘ + (𝑁 βˆ’ 2)πœ™ 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 𝑒𝑖2πœ‹π‘“π‘‘ 𝑒𝑖2πœ‹π‘“π‘‘+πœ™ 𝑒𝑖2πœ‹π‘“π‘‘+2πœ™ 𝑒𝑖2πœ‹π‘“π‘‘+(π‘βˆ’1)πœ™ 𝑒𝑖2πœ‹π‘“π‘‘+(π‘βˆ’2)πœ™ 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™ 𝑒𝑖2πœ™ π‘’π‘–πœ™ 𝑒𝑖(π‘βˆ’2)πœ™ 𝑒𝑖2πœ‹π‘“π‘‘ = = = 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™ 𝑒𝑖2πœ™ π‘’π‘–πœ™ 𝑒𝑖(π‘βˆ’2)πœ™ 𝑠𝑑 =
  32. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 = 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™ 𝑒𝑖2πœ™ π‘’π‘–πœ™ 𝑒𝑖(π‘βˆ’2)πœ™ Steering vector 𝑠𝑑 2πœ‹ π‘‘π‘π‘œπ‘ (πœƒ) πœ†
  33. Rx1 Rx2 𝒅 πœƒ Rx(N-1) 𝒅 . . . Rx(N) Tx1 Tx2 Multiple transmitters
  34. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™1 𝑒𝑖2πœ™1 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™1 𝑠1 = 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™2 𝑒𝑖2πœ™2 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™2 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™2 𝑠2 + 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™π‘˜ 𝑒𝑖2πœ™π‘˜ 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™π‘˜ 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™π‘˜ π‘ π‘˜ + 2πœ‹ π‘‘π‘π‘œπ‘ (πœƒ1) πœ† 2πœ‹ π‘‘π‘π‘œπ‘ (πœƒ2) πœ† 2πœ‹ π‘‘π‘π‘œπ‘ (πœƒπ‘˜) πœ† Multiple transmitters Output is a linear combination of steering vectors from different directions
  35. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™1 𝑒𝑖2πœ™1 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™1 𝑠1 = 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™2 𝑒𝑖2πœ™2 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™2 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™2 𝑠2 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™π‘˜ 𝑒𝑖2πœ™π‘˜ 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™π‘˜ 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™π‘˜ π‘ π‘˜ K sources (Input Vector) N receivers (Output vector) Steering Matrix (N x K) Multiple transmitters
  36. Detecting AoA of K sources simultaneously
  37. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™1 𝑒𝑖2πœ™1 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™1 𝑠1 = 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™2 𝑒𝑖2πœ™2 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™2 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™2 𝑠2 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™π‘˜ 𝑒𝑖2πœ™π‘˜ 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™π‘˜ 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™π‘˜ π‘ π‘˜
  38. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™1 𝑒𝑖2πœ™1 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™1 𝑠1 = 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™2 𝑒𝑖2πœ™2 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™2 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™2 𝑠2 𝑒𝑖0 π‘’π‘–πœ™π‘˜ 𝑒𝑖2πœ™π‘˜ 𝑒𝑖(π‘βˆ’1)πœ™π‘˜ 𝑒𝑖 π‘βˆ’2 πœ™π‘˜ π‘ π‘˜ Multiply by conjugate of steering vector of source 1 π‘’βˆ’π‘–(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖0 π‘’βˆ’π‘–πœ™1 π‘’βˆ’π‘–2πœ™1 .. π‘’βˆ’π‘–(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖0 π‘’βˆ’π‘–πœ™1 π‘’βˆ’π‘–2πœ™1 ..
  39. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 𝑠1 = 𝑠2 π‘ π‘˜ 𝑁 π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’ π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’ π‘’βˆ’π‘–(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖0 π‘’βˆ’π‘–πœ™1 π‘’βˆ’π‘–2πœ™1 ..
  40. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 = 𝑠1 βˆ— 𝑁 + 𝑠2 βˆ— π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’ + 𝑠3 βˆ— π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’ + … … . . All energy from direction πœƒ1(π‘“π‘Ÿπ‘œπ‘š 𝑠1) have been aggregated and amplified A(πœƒ1) = π‘’βˆ’π‘–(π‘βˆ’1)πœ™1 𝑒𝑖0 π‘’βˆ’π‘–πœ™1 π‘’βˆ’π‘–2πœ™1 ..
  41. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 = 𝑠1 βˆ— (π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’) + 𝑠2 βˆ— 𝑁 + 𝑠3 βˆ— π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’ + … … . . All energy from direction πœƒ2(π‘“π‘Ÿπ‘œπ‘š 𝑠2) have been aggregated and amplified A(πœƒ2) = π‘’βˆ’π‘–(π‘βˆ’1)πœ™2 𝑒𝑖0 π‘’βˆ’π‘–πœ™2 π‘’βˆ’π‘–2πœ™2..
  42. 𝑅π‘₯1 𝑅π‘₯2 𝑅π‘₯3 𝑅π‘₯𝑁 𝑅π‘₯π‘βˆ’1 = 𝑠1 βˆ— (π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’) + 𝑠2 βˆ— π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’ + 𝑠3 βˆ— π‘ π‘šπ‘Žπ‘™π‘™ π‘£π‘Žπ‘™π‘’π‘’ + … … . . The resultant output is very low .. since multiplied steering vector does not match with any of the incoming signals A(πœƒπ‘Ÿ) = π‘’βˆ’π‘–(π‘βˆ’1)πœ™π‘Ÿ 𝑒𝑖0 π‘’βˆ’π‘–πœ™π‘Ÿ π‘’βˆ’π‘–2πœ™π‘Ÿ..
  43. β€’ Construct a graph of for all values of β€’ Any active source from direction should have a peak in the above graph .. β€’ This is called delay and sum beamforming A(πœƒ) πœƒ πœƒπ‘ 
  44. Detecting multiple AoA Suc A(πœƒ) π‘»π’™πŸ π‘»π’™πŸ π‘»π’™πŸ‘ AoA Spectrum
  45. Close by AoAs cannot be resolved π‘»π’™πŸ π‘»π’™πŸ π‘»π’™πŸ‘
  46. MUSIC algorithm has sharp peaks to resolve close AoA Based on eigen decomposition and PCA – reference to be provided π΄π‘šπ‘’π‘ π‘–π‘(πœƒ) π‘»π’™πŸ π‘»π’™πŸ π‘»π’™πŸ‘
  47. Degrees of freedom for beamforming β€’ Antenna separation β€’ Initial phases of antenna sources β€’ Number of antennas
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