隨著雷達(dá)和無線通信系統(tǒng)中的信號(hào)處理從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，已經(jīng)為開發(fā)先進(jìn)的波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用付出了巨大的努力。快速傅立葉變換是最常見的一種使用數(shù)字方法精確引導(dǎo)波束能力的方法，這導(dǎo)致雷達(dá)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式發(fā)生了重大變化。

波束成形技術(shù)可分為自適應(yīng)波束成形和切換波束成形技術(shù)。在切換波束成形中，例如，通信基站從預(yù)設(shè)的波束中選擇波束，每個(gè)波束基于接收信號(hào)的強(qiáng)度來指向特定方向。當(dāng)用戶相對于天線陣列移動(dòng)時(shí)，信號(hào)被切換到陣列中的其他陣元上，這些陣元可以更好地在特定方向上提供更強(qiáng)的信號(hào)。

自適應(yīng)波束成形技術(shù)在另一方面依賴于實(shí)時(shí)計(jì)算，這是一種允許基站在目標(biāo)用戶的方向上發(fā)送更聚焦的波束，同時(shí)減少其他方向上的輸出，從而大大減少陣元間干擾。

自適應(yīng)波束成形設(shè)計(jì)需要更高的處理帶寬，每秒必須執(zhí)行數(shù)十億次乘法和累加運(yùn)算。因此，它在接收端抑制噪聲源和干擾方面變得非常重要。同時(shí)，必須保持天線陣列中每個(gè)陣元的實(shí)時(shí)方向控制。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，有必要使用陣元級(jí)處理來單獨(dú)地和同時(shí)地對每個(gè)天線陣元接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理。

由于需要大量的計(jì)算負(fù)荷，傳統(tǒng)的CPU和DSP在自適應(yīng)波束成形應(yīng)用中可能會(huì)迅速負(fù)擔(dān)過重。然而，由于其嵌入式DSP模塊，并行處理架構(gòu)和增強(qiáng)的存儲(chǔ)器功能，具有更高性能的FPGA非常適合這項(xiàng)任務(wù)。

全球?qū)σ苿?dòng)寬帶數(shù)據(jù)和語音服務(wù)需求的不斷增長，促使無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要不斷擴(kuò)展和升級(jí)他們的網(wǎng)絡(luò)，以提供更多容量。運(yùn)營商正努力將每個(gè)無線基站可支持的用戶數(shù)量最大化的同時(shí)，降低基礎(chǔ)設(shè)施成本，并為用戶保持極具吸引力的價(jià)格點(diǎn)。

由于可用無線頻譜的數(shù)量有限，這種努力變得復(fù)雜，因此增加的流量會(huì)產(chǎn)生更多的干擾，并且由于天線技術(shù)的限制，呼叫質(zhì)量部分會(huì)受到影響。全向天線通常用于蜂窩塔上的發(fā)射和接收。然而，在這種傳統(tǒng)的方法中，天線充當(dāng)換能器，將電磁能轉(zhuǎn)化為電能，效率低，并且受到高度干擾的影響，由于單個(gè)塔上存在多種信號(hào)，所以干擾會(huì)降低整體連通性。

通過使用在同一塔上組合在一起的定向扇形天線，可以減輕這種干擾。這些自適應(yīng)陣列天線或智能天線已越來越多地用于電信網(wǎng)絡(luò)中，以改善無線連接質(zhì)量并提高整體容量。

這是通過波束成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)通過使用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)從各個(gè)用戶的基站引導(dǎo)波束處理。波束成形調(diào)整每個(gè)輸入和輸出信號(hào)的功率和相位，以產(chǎn)生沿特定方向傳播的波束，同時(shí)減少非必要輸出。這減少了各個(gè)信號(hào)相互之間的干擾，并提高了所有連接的質(zhì)量。

創(chuàng)新的自適應(yīng)波束形成算法的出現(xiàn)導(dǎo)致浮點(diǎn)運(yùn)算在信號(hào)處理中的使用增加，從而通過實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤來最小化干擾并提高雷達(dá)容量。這是通過使用諸如QR分(QRD)和權(quán)重反向替換(WBS)的算法同時(shí)同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)點(diǎn)波束來實(shí)現(xiàn)的。

這些算法有助于自適應(yīng)地形成波束，同時(shí)降低噪聲和干擾，但它們每秒需要進(jìn)行大量的浮點(diǎn)操作。

由于許多雷達(dá)系統(tǒng)的尺寸，重量和功率受到限制，使用傳統(tǒng)的CPU或GPU并不是最佳方法，因?yàn)閳?zhí)行浮點(diǎn)計(jì)算所需的硬件數(shù)量增加。由于需要更多的存儲(chǔ)器，功率和空間，因此使用多個(gè)CPU對雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重大影響，更不用說更高的成本，更復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和更長的集成時(shí)間。基于CPU的進(jìn)一步設(shè)計(jì)受到有限內(nèi)存和接口選擇的限制。

FPGA采用先進(jìn)的數(shù)字波束成形技術(shù)，可以降低成本，復(fù)雜性，功耗和上市時(shí)間，因此與采用先進(jìn)數(shù)字波束成形技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)中的CPU和GPU選項(xiàng)相比具有巨大的優(yōu)勢。由于FPGA具有在自適應(yīng)波束成形應(yīng)用中處理高度并行浮點(diǎn)運(yùn)算的卓越能力，因此FPGA可以提高算法性能，同時(shí)顯著降低功耗。

FPGA也是一種更有效的選擇，因?yàn)閱蝹€(gè)器件通過天線陣中每個(gè)陣元捕獲的信號(hào)在PCIe和串行RapidIO等I / O標(biāo)準(zhǔn)上接收和處理大量數(shù)據(jù)，除了提供更高性能的處理之外，這樣的系統(tǒng)還消除了對需要超過1000瓦功率的VPX機(jī)箱中容納的大量耗電，多核CPU板的需求。簡化的單FPGA設(shè)計(jì)還受益于外部存儲(chǔ)器和單板上的其他額外功能，功耗低于80瓦。

數(shù)十年來在軍事和國防應(yīng)用中，常見的智能天線和自適應(yīng)波束成形的使用在商業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中并不廣泛，直到相對最近，由于與廣泛部署相關(guān)的過高成本。 隨著低成本FPGA和DSP的興起，自適應(yīng)波束成形在2000年代早期進(jìn)入3G移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施，該技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于擴(kuò)展4G網(wǎng)絡(luò)。

使用與FPGA板卡緊密耦合的高性能模擬收發(fā)器 (如4DSP基于Xilinx Virtex-7的FM788) 為硬件，frmware設(shè)計(jì)人員開辟了可以在商業(yè)和國防應(yīng)用中使用波束成形方法的新的機(jī)會(huì)。