디지털 빔포밍과 MIMO 가상 배열

위상 천이기로 만든 빔(10장)은 한 번에 한 방향만 본다. 안테나마다 신호를 샘플로 받으면 가중치를 계산으로 곱하므로, 한 번 받은 샘플로 여러 방향의 빔을 동시에 만든다. 여기에 송신 안테나를 여럿 두면 송신과 수신의 짝마다 가상 안테나가 하나씩 생겨, 적은 안테나로 긴 배열을 얻는다. 대신 송신 안테나의 신호를 시간이나 Doppler로 갈라 보내야 하고, 그만큼 모호하지 않은 속도의 폭이 줄어든다.

위상 규칙과 예제 배열은 10장과 같다. 레이다는 77 GHz($\lambda=3.893$ mm)이고, 안테나 간격의 기본 단위는 $d=\lambda/2$이며, 안테나 위치는 이 단위의 정수배로 적는다. 속도의 예는 8장의 예제 레이다($T_c=50$ µs, chirp 64개)이다.

아날로그, 디지털, 하이브리드 빔포밍

빔을 만드는 가중치를 어디서 곱하는가? 아날로그 빔포밍(analog beamforming)은 안테나마다 위상 천이기를 달고, 위상을 돌린 신호를 회로에서 더한 뒤 수신기와 ADC 하나로 받는다. 디지털 빔포밍(digital beamforming)은 안테나마다 수신기와 ADC를 두어 신호를 먼저 샘플로 받고, 가중치는 계산으로 곱한다. 하이브리드 빔포밍(hybrid beamforming)은 안테나를 부배열(subarray)로 묶어 부배열 안은 아날로그로, 부배열 사이는 디지털로 처리한다.

세 구조 사이에는 하드웨어 규모와 유연성의 트레이드오프가 있다. 아날로그 구조는 수신 회로가 하나라 싸고 전력이 적지만, 한 번에 한 방향만 본다. 방향을 바꾸려면 위상 천이기를 다시 맞추고 다시 받아야 한다. 디지털 구조는 안테나 수만큼 수신 회로와 ADC가 들지만, 받은 샘플에 가중치를 바꾸어 곱하면 몇 방향이든 계산할 수 있다. 차량용 77 GHz 레이다는 수신 안테나가 4–16개라 디지털 구조를 쓰고, 안테나가 수백 개인 대형 위상 배열은 하이브리드 구조를 쓴다. 안테나 8개라면 수신 회로와 ADC가 아날로그 구조에서 1개, 디지털 구조에서 8개, 부배열 둘로 묶은 하이브리드 구조에서 2개이다. 아날로그와 디지털 구조가 같은 샘플을 어떻게 다르게 다루는지는 다음 절 그림의 첫 단계가 보인다.