Формирование диаграммы направленности, достигаемое путем умножения входного сигнала датчика на комплексную экспоненциальную величину с соответствующим фазовым сдвигом, применяется только для узкополосных сигналов. В случае широкополосных или широкополосных сигналов вектор управления не является функцией одной частоты. Широкополосная обработка обычно используется в микрофонных и акустических приложениях.
Программное обеспечение Phased Array System Toolbox™ предоставляет обычные и адаптивные широкополосные формирователи луча. К ним относятся:
Пример использования широкополосного формирования луча для выделения речевых сигналов в шуме см. в разделе Акустическое формирование луча с использованием микрофонной решетки.
В этом примере показано, как выполнять широкополосное традиционное формирование луча с временной задержкой с микрофонной матрицей всространенных элементов. Создать акустический (волна давления) сигнал чирпа. Чирп-сигнал имеет ширину полосы 1 кГц и распространяется со скоростью 340 м/с на уровне земли.
Примечание.Этот пример выполняется только в R2016b или более поздних версиях. При использовании более ранней версии замените каждый вызов функции эквивалентным step синтаксис. Например, заменить myObject(x) с step(myObject,x).
c = 340; t = linspace(0,1,50e3)'; sig = chirp(t,0,1,1000);
Собрать акустическую чирпу десятиэлементным ULA. Используйте ненаправленные микрофонные элементы, расположенные на расстоянии менее половины длины волны при частоте дискретизации 50 кГц. Чирп падает на ULA с углом азимута и отметки. Добавление случайного шума к сигналу.
microphone = phased.OmnidirectionalMicrophoneElement(... 'FrequencyRange',[20 20e3]); array = phased.ULA('Element',microphone,'NumElements',10,... 'ElementSpacing',0.01); collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,'SampleRate',5e4,... 'PropagationSpeed',c,'ModulatedInput',false); sigang = [60;0]; rsig = collector(sig,sigang); rsig = rsig + 0.1*randn(size(rsig));
Примените широкополосный традиционный формирователь луча временной задержки для улучшения SNR принятого сигнала.
beamformer = phased.TimeDelayBeamformer('SensorArray',array,... 'SampleRate',5e4,'PropagationSpeed',c,'Direction',sigang); y = beamformer(rsig); subplot(2,1,1) plot(t(1:5000),real(rsig(1:5e3,5))) axis([0,t(5000),-0.5,1]) title('Signal (real part) at the 5th element of the ULA') subplot(2,1,2) plot(t(1:5000),real(y(1:5e3))) axis([0,t(5000),-0.5,1]) title('Signal (real part) with time-delay beamforming') xlabel('Seconds')
В этом примере показано, как построить график отклика акустического микрофонного элемента и массива микрофонных элементов для проверки эффективности формирователя луча. Массив должен поддерживать приемлемый шаблон массива по всей полосе пропускания.
Создайте 11-элементную однородную линейную решетку (ULA) микрофонов, используя элементы косинусной антенны в качестве микрофонов. phased.CosineAntennaElement Системный object™ является достаточно общим для использования в качестве микрофонного элемента, так как он создает или получает скалярное поле. Необходимо изменить частоты отклика на диапазон слышимости. Кроме того, убедитесь, что PropagationSpeed параметр в массиве pattern методы устанавливают на скорость звука в воздухе.
c = 340; freq = [1000 2750]; fc = 2000; numels = 11; microphone = phased.CosineAntennaElement('FrequencyRange',freq); array = phased.ULA('NumElements',numels,... 'ElementSpacing',0.5*c/fc,'Element',microphone);
Постройте график отклика микрофонного элемента по набору частот.
plotFreq = linspace(min(freq),max(freq),15); pattern(microphone,plotFreq,[-180:180],0,'CoordinateSystem','rectangular',... 'PlotStyle','waterfall','Type','powerdb')
Этот график показывает, что шаблон элемента является постоянным по всей полосе пропускания.
Постройте график отклика 11-элементного массива на одном и том же наборе частот.
pattern(array,plotFreq,[-180:180],0,'CoordinateSystem','rectangular',... 'PlotStyle','waterfall','Type','powerdb','PropagationSpeed',c)
Этот график показывает, что основной блок массива элементов уменьшается с частотой.
Примените к массиву формирователь луча фазового сдвига поддиапазона. Интересующее направление - азимут 30 ° и отметка 0 °. Существует 8 поддиапазонов.
direction = [30;0]; numbands = 8; beamformer = phased.SubbandPhaseShiftBeamformer('SensorArray',array,... 'Direction',direction,... 'OperatingFrequency',fc,'PropagationSpeed',c,... 'SampleRate',1e3,... 'WeightsOutputPort',true,'SubbandsOutputPort',true,... 'NumSubbands',numbands); rx = ones(numbands,numels); [y,w,centerfreqs] = beamformer(rx);
Постройте график отклика массива с использованием весов и центральных частот формирователя луча.
pattern(array,centerfreqs.',[-180:180],0,'Weights',w,'CoordinateSystem','rectangular',... 'PlotStyle','waterfall','Type','powerdb','PropagationSpeed',c)
На приведенном выше графике показана картина в виде луча на центральной частоте каждого поддиапазона.
Постройте график отклика на трех частотах в двух измерениях.
centerfreqs = fftshift(centerfreqs); w = fftshift(w,2); idx = [1,5,8]; pattern(array,centerfreqs(idx).',[-180:180],0,'Weights',w(:,idx),'CoordinateSystem','rectangular',... 'PlotStyle','overlay','Type','powerdb','PropagationSpeed',c) legend('Location','South')
Этот график показывает, что направление основного луча остается постоянным, в то время как ширина луча уменьшается с частотой.