CN113824483A - 进行波束成形的电子装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种进行波束成形的电子装置及方法。该电子装置包括第一波束成形计算单元，第一波束成形计算单元被配置为接收多路输入信号，并对多路输入信号进行波束成形以形成第一波束成形信号，其中，第一波束成形计算单元包括第一忆阻器阵列、第一电容器和第一运算单元，第一波束成形计算单元被配置为调节第一忆阻器阵列的电导以实现第一复数权重，并基于第一忆阻器阵列、第一电容器和第一运算单元将第一复数权重与多路输入信号相乘以对多路输入信号进行波束成形。该电子装置及方法能够避免在传感器端集成模拟数字转换接口电路，提高运算效率，并降低后续处理模块的算力需求和传输带宽，进而适应大规模传感器阵列的多通道数据并行处理需求。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及一种进行波束成形的电子装置及方法。
背景技术
随着可穿戴设备、自动驾驶等技术的不断发展，终端设备中不断增多的传感器数量为数据传输和后端信号的及时处理提出了更高的要求。波束成形(Beamforming)又被称为空间滤波，是一种利用传感器阵列实现信息定向发送和接收的技术。波束成形技术将所采集信号进行移相和加权叠加，使得某些角度的信号获得相长干涉或相消干涉，从而实现信号发射或者接收的方向选择性。例如，通过集成波束成形系统和麦克风阵列，可以令声波信号的接收具有方向指向性，同时减少环境噪声的混叠。又例如，将波束成形应用于声源定位、声音成像、语音增强等应用场景，可以降低后续模块的处理压力，同时阻隔无用信号以降低对传输带宽的要求。此外，忆阻器阵列被认为在近传感信号的预处理中具有很大潜力，这得益于忆阻器件可编程、非易失、具有近连续模拟电导等特点，且得益于忆阻器阵列可用于实现高效的模拟乘加操作。
发明内容
本公开至少一些实施例提供一种电子装置，包括第一波束成形计算单元，所述第一波束成形计算单元被配置为接收多路输入信号，并对所述多路输入信号进行波束成形以形成第一波束成形信号，其中，所述第一波束成形计算单元包括第一忆阻器阵列、第一电容器和第一运算单元，所述第一波束成形计算单元被配置为调节所述第一忆阻器阵列的电导以实现第一复数权重，并基于所述第一忆阻器阵列、所述第一电容器和所述第一运算单元将所述第一复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，所述第一忆阻器阵列包括第一频率调节子阵列，所述第一波束成形计算单元还被配置为调节所述第一频率调节子阵列的电导以调节所述第一波束成形信号为对应于第一频带。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，所述第一波束成形计算单元还被配置为基于所述第一波束成形信号自适应地更新所述第一忆阻器阵列的电导。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，所述第一忆阻器阵列还包括第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列，其中，所述第一子阵列连接到所述电容器的第一端，所述电容器的第二端连接到所述运算单元，所述第一子阵列被配置为接收与所述多路输入信号相对应的电压信号，所述第一子阵列和所述电容器被配置为在所述电容器的第二端输出第一子电流信号到所述运算单元；所述第二子阵列连接到所述运算单元，所述第二子阵列被配置为接收与所述多路输入信号相对应的电压信号，并输出第二子电流信号到所述运算单元；所述第三子阵列连接到所述运算单元，所述第三子阵列被配置为接收与所述多路输入信号相对应的电压信号，并输出第三子电流信号到所述运算单元；所述运算单元被配置为对所述第一子电流信号、第二子电流信号和所述第三子电流信号进行运算以形成所述第一波束成形信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，所述第一子阵列和所述第二子阵列分别被配置为接收幅度相同且极性相同的所述电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，所述第一子阵列和所述第二子阵列分别被配置为接收幅度相同但极性相反的所述电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，所述第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列中的一者或多者各自包括正权重子阵列和负权重子阵列，所述正权重子阵列和所述负权重子阵列分别被配置为接收幅度相同但极性相反的所述电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，所述第二子阵列和所述第三子阵列合并为一个忆阻器子阵列。
例如，本公开至少一些实施例提供的电子装置还包括第二波束成形计算单元，所述第二波束成形计算单元被配置为接收所述多路输入信号，并对所述多路输入信号进行波束成形以形成第二波束成形信号，其中，所述第二波束成形计算单元包括第二忆阻器阵列、第二电容器和第二运算单元，所述第二波束成形计算单元被配置为调节所述第二忆阻器阵列的电导以实现第二复数权重，并基于所述第二忆阻器阵列、所述第二电容器和所述第二运算单元将所述第二复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形，所述第二忆阻器阵列包括第二频率调节子阵列，所述第二波束成形计算单元还被配置为调节所述第二频率调节子阵列的电导以调节所述第二波束成形信号为对应于第二频带，其中，所述第一频带与所述第二频带不同。
本公开至少一些实施例还提供一种使用所述电子装置对多路输入信号进行波束成形的方法，包括：调节所述第一忆阻器阵列的电导以实现第一复数权重，并且，基于所述第一忆阻器阵列、所述第一电容器和所述第一运算单元将所述第一复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，所述第一忆阻器阵列包括第一频率调节子阵列，所述方法还包括：调节所述第一频率调节子阵列的电导以调节所述第一波束成形信号为对应于第一频带。
例如，本公开至少一些实施例提供的方法还包括：基于所述第一波束成形信号自适应地更新所述第一忆阻器阵列的电导。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，所述第一忆阻器阵列还包括第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列，所述第一子阵列连接到所述电容器的第一端，所述电容器的第二端连接到所述运算单元，所述第二子阵列连接到所述运算单元，所述第三子阵列连接到所述运算单元，其中，基于所述第一忆阻器阵列、所述第一电容器和所述第一运算单元将所述第一复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形包括：向所述第一子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，在所述电容器的第二端输出第一子电流信号到所述运算单元；向所述第二子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，在所述第二子阵列输出第二子电流信号到所述运算单元；向所述第三子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，在所述第三子阵列输出第三子电流信号到所述运算单元；对所述第一子电流信号、第二子电流信号和所述第三子电流信号进行运算以形成所述第一波束成形信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，向所述第一子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，向所述第二子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，包括：向所述第一子阵列和所述第二子阵列分别输入幅度相同且极性相同的所述电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，向所述第一子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，向所述第二子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，包括：向所述第一子阵列和所述第二子阵列分别输入幅度相同但极性相反的所述电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，所述第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列中的一者或多者各自包括正权重子阵列和负权重子阵列，向所述第一子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，向所述第二子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，向所述第三子阵列输入与所述多路输入信号相对应的电压信号，还包括：向所述正权重子阵列和所述负权重子阵列分别输入幅度相同但极性相反的所述电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，所述第二子阵列和所述第三子阵列合并为一个忆阻器子阵列。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，所述电子装置还包括第二波束成形计算单元，所述第二波束成形计算单元被配置为接收多路输入信号，并对所述多路输入信号进行波束成形以形成第二波束成形信号，所述第二波束成形计算单元包括第二忆阻器阵列、第二电容器、第二运算单元和第二频率调节子阵列，所述方法还包括：调节所述第二忆阻器阵列的电导以实现第二复数权重；基于所述第二忆阻器阵列、所述第二电容器和所述第二运算单元将所述第二复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形；以及调节所述第二频率调节子阵列的电导以调节所述第二波束成形信号为对应于第二频带，其中，所述第一频带与所述第二频带不同。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1图示了窄带波束成形系统处理麦克风阵列信号的示意图；
图2图示了本公开至少一些实施例提供的电子装置的波束成形计算单元的一个示例的框图；
图3A图示了本公开至少一些实施例提供的电子装置的波束成形计算单元的一个示例的示意图；
图3B-1至3B-3图示了图3A所示的波束成形计算单元的等效原理示意图；
图4A图示了使用本公开至少一些实施例提供的电子装置进行波束成形的一个示例的流程图；
图4B图示了使用本公开至少一些实施例提供的电子装置进行波束成形的另一个示例的流程图；
图5A-5D图示了本公开至少一些实施例提供的实现双极性的复数权重的子阵列的示例的示意图；
图6图示了本公开至少一些实施例提供的实现宽带波束成形的电子装置的一个示例的示意图；
图7图示了期望的波束成形系统对信号在不同入射方向的幅度响应；
图8A-8C图示了本公开提供的电子装置接收带有噪声的脉冲调制信号的时域响应；
图9图示了本公开至少一些实施例提供的一种进行波束成形的方法。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面通过几个具体的实施例对本公开进行说明。为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，可省略已知功能和已知部件的详细说明。当本发明实施例的任一部件在一个以上的附图中出现时，该部件在每个附图中由相同的参考标号表示。
波束成形系统常用于对以波为传播形式的信号的定向发射和接收定位。对于接收端，其原理是通过对传感器阵列接收到的信号进行移相和线性叠加，使得特定方向传入的信号经过传感器接收后可以形成相长叠加，而其他方向形成相消叠加，从而产生特定的空间滤波模式。
例如，图1图示了窄带波束成形系统处理麦克风阵列信号的示意图。在图1中，均匀分布的线性麦克风阵列MA包括麦克风1至2m-1，线性麦克风阵列MA所接收的窄带的声波信号的传播方向和线性麦克风阵列MA之间的夹角为“θ”，并且由于传播延迟，线性麦克风阵列MA中的相邻麦克风所接收的声波信号之间存在相位差Δφ，若假设麦克风1所接收的声波信号的相移为0，则线性麦克风阵列MA所接收的声波信号的相移可以表示为向量Φ＝[0,Δφ,2Δφ,…,(2m-2)Δφ]T，其中Δφ＝2π·fac·d·cosθ/vac或Δφ＝ωac·d·cosθ/vac，fac为声波信号的频率，ωac为声波信号的角频率，d为相邻麦克风之间的间距，vac为声速。
如图1所示，窄带波束成形系统通过执行以下波束成形过程来对线性麦克风阵列MA所接收的窄带的声波信号进行波束成形：对麦克风1至2m-1所接收的声波信号分别进行移相，例如如图1所示的对麦克风1至2m-1所接收的声波信号分别进行延时；将经移相(或延时)的声波信号分别乘以对应的实数权重(例如，图1中的实数权重A1至A2m-1)并进行叠加。可以注意到并且如图1所示，上述波束成形过程可以等价为对麦克风1至2m-1所接收的声波信号分别乘以对应的复数权重并进行叠加，复数权重向量为w＝[w1,w2,w3,…,w2m-1]T，则经波束成形的声波信号可以表示为s＝wTΦ，通过调整复数权重向量，可以实现任意空间响应的经波束成形的声波信号s。
然而，目前应用在雷达系统中的窄频带波束成形电路中需要用到大量的移相器、可变增益放大器等电路单元，并且宽频带波束成形的实现依赖于模数转换接口和数字信号处理(DSP)系统，因此在设备终端将波束成形系统和大规模传感阵列进行集成无疑带来很大的功耗和电路面积开销。
本公开利用忆阻器阵列能够并行实现乘加运算的特点，提出了一种基于忆阻器阵列的进行波束成形的电子装置及方法，该电子装置及方法能够直接在模拟域内对传感信号进行波束成形，从而避免在传感器端集成模拟数字转换接口电路，并且利用忆阻器阵列乘加运算的并行性，从而进一步提高运算效率；此外，该电子装置及方法还能够集成在传感器端进行灵活的波束成形信号预处理，从而降低了后续处理模块的算力需求和传输带宽，进而适应大规模传感器阵列的多通道数据并行处理需求。
下面结合附图对本公开所提出的进行波束成形的电子装置及方法进行详细说明。
例如，本公开一些实施例提供的电子装置包括波束成形计算单元，图2图示了本公开至少一些实施例提供的电子装置的波束成形计算单元的一个示例的框图。在图2所示的示例中，电子装置包括第一波束成形计算单元200，第一波束成形计算单元200包括第一忆阻器阵列210、第一电容器220和第一运算单元230，第一波束成形计算单元200被配置为接收多路输入信号，并对多路输入信号进行波束成形以形成第一波束成形信号，其中，第一波束成形计算单元200被配置为调节第一忆阻器阵列210的电导以实现第一复数权重，并基于第一忆阻器阵列210、第一电容器220和第一运算单元230将第一复数权重与多路输入信号相乘以对多路输入信号进行波束成形。
例如，多路输入信号为要进行波束成形的信号，本公开的实施例对多路输入信号的类型不作限制，例如多路输入信号为传感信号，又例如多路输入信号为图1所述的示例中的声波信号。此外，本公开的实施例对多路输入信号的形式也不作限制，例如多路输入信号可以为电压信号的形式。
例如，波束成形信号为针对多路输入信号进行波束成形而生成的信号，本公开的实施例对波束成形信号的形式不作限制，例如波束成形信号可以为电流信号的形式或电压信号的形式等。
例如，复数权重为针对多路输入信号进行波束成形所需的复数权重(例如，图1所述的示例中的复数权重向量w)，本公开的实施例对复数权重的类型不作限制。例如，复数权重为根据空间频率响应而计算的固定权重。例如，复数权重为可用于基于最小均方差(LMS)等方法的在时域上设计的最优权重。又例如，复数权重为随多路输入信号而不断变化的自适应权重。
需要说明的是，图2仅是示例性的而不是对本公开的限制，第一波束成形计算单元200可以根据实际情况而包括其他的组件。
还需要说明的是，在本公开的实施例中，电子装置除了第一波束成形计算单元200外还可以包括其他的波束成形计算单元，本公开的实施例对此不作限制。
在本公开的实施例中，电子装置基于忆阻器阵列的电导值来实现复数权重，并利用忆阻器阵列的乘加运算来实现波束成形中的乘加运算，能够直接在模拟域内对多路输入信号进行波束成形，从而提高了运算效率并避免了在传感器端集成模拟数字转换接口电路，并且，该电子装置能够集成在传感器端进行灵活的波束成形信号预处理，从而降低了后续处理模块的算力需求和传输带宽。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，如图2所示，第一忆阻器阵列210还包括第一子阵列211、第二子阵列212和第三子阵列213。例如，第一子阵列211连接到电容器220的第一端，电容器220的第二端连接到运算单元230，第一子阵列210被配置为接收与多路输入信号相对应的电压信号，第一子阵列211和电容器220被配置为在电容器220的第二端输出第一子电流信号到运算单元230；第二子阵列212连接到运算单元230，第二子阵列212被配置为接收与多路输入信号相对应的电压信号，并输出第二子电流信号到运算单元230；第三子阵列213连接到运算单元230，第三子阵列213被配置为接收与多路输入信号相对应的电压信号，并输出第三子电流信号到运算单元230；运算单元230被配置为对第一子电流信号、第二子电流信号和第三子电流信号进行运算以形成第一波束成形信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，第一忆阻器阵列210包括第一频率调节子阵列214，如图2所示。第一波束成形计算单元200还被配置为调节第一频率调节子阵列214的电导以调节第一波束成形信号为对应于第一频带。
需要说明的是，在本公开的实施例中，对第一忆阻器阵列210及其所包括的各个子阵列中的忆阻器的类型不作限制。例如，忆阻器可以采用1R结构，即仅包括一个阻变元件。例如，忆阻器可以采用1T1R结构，即包括一个晶体管和一个阻变元件。又例如，忆阻器也可以采用1S1R结构等其他结构。
还需要说明的是，在本公开的实施例中，对运算单元的类型不作限制。例如，运算单元可以为基于运算放大器的电流运算电路和跨阻放大器电路。
例如，图3A图示了本公开至少一实施例提供的电子装置的波束成形计算单元的一个示例的示意图。在图3A所示的示例中，忆阻器阵列中的每个忆阻器的电导表示为Gi,j，忆阻器阵列中的每个忆阻器连接源线(例如，SL[0]、SLa[0]、SL[1])、位线(例如，BL[0]至BL[k])和字线(未示出)，其中i、j、k为正整数，并且其中位线BL[0]至BL[k-1]接收与通道CH0至CHk-1对应的电压信号，位线BL[k]接地(零电位)，源线SL[0]通过电容器C0接地(零电位)，源线SLa[0]和SL[1]直接接地(零电位)。需要注意的是，在本文中为了便于说明，以忆阻器Gi,j指代电导表示为Gi,j的忆阻器。需要说明的是，在本公开的实施例中，通道CH0至CHk-1对应于k个传感器输入信号，下面示例性地而非限制性地以通道CH0至CHk-1对应于图1所示的k个麦克风所接收的声波信号为例进行说明。
例如，在图3A所示的示例中，可以以忆阻器G0,0至Gk-1,0来实现第一子阵列211，以忆阻器Ga0,0至Gak-1,0来实现第二子阵列212，以忆阻器G0,1至Gk-1,1来实现第三子阵列213，以忆阻器Gk,0、忆阻器Gak,0和忆阻器Gk,1来实现第一频率调节子阵列214，，并可以以电容器C0来实现第一电容器220(为便于说明，C0也可以指代电容器C0的电容值)，以运算单元T0来实现第一运算单元230，在这种情况下，If0对应于第一子电流信号，In0对应于第二子电流信号，In1对应于第三子电流信号。需要说明的是，图3A仅是示例性的而不是对本公开的限制，例如，用于实现第一子阵列211、第二子阵列212、第三子阵列213的忆阻器子阵列可以彼此分开布置而分别接收与通道CH0至CHk-1对应的电压信号；又例如，用于实现第一频率调节子阵列214的忆阻器子阵列可以与用于实现第一子阵列211、第二子阵列212、第三子阵列213的忆阻器子阵列分开布置。
例如，图3B-1至3B-3图示了图3A所示的波束成形计算单元的等效原理示意图。下面结合图3B-1至3B-3对图3A所示的波束成形计算单元的工作原理进行说明。
根据电路叠加定理，CH0通道的电压信号VCH0对If0电流的贡献为BL[1]至BL[k]接地(如图3B-1所示，并且对于图3B-1所示的情况，图3B-2中将G1,0至Gk,0等效为一个电导Gpsum)后流过电容器C0的电流If0-CH0，根据拉普拉斯变换，电流If0-CH0可以表示为：
如公式(1)所示，上述频响特性由源线SL[0]末端的电容器C0的电容和源线SL[0]所连接的所有电导之和决定。
同理，CH0通道的电压信号VCH0对In0电流的贡献为In0-CH0＝VCH0Ga0,0(例如，在这种情况下，图3B-3中将Ga1,0至Gak,0等效为一个电导Gapsum),取
根据拉普拉斯变换和傅里叶变换，可以计算：
将公式(2)中的s替换为jω，转换为傅里叶变换频谱表示形式为：
其中，
如公式(3)所示，通过调节电导使得
则
(β的调节范围是0～π)，其中，例如电容器C0的电容可以预先设定。
同理，CH0通道的电压信号对In1的贡献为In1-CH0＝VCH0G0,1。
结合上述公式，CH0通道的电压信号对T0的输出的贡献为：
对于k路输入信号，全部叠加的输出的信号为：
即为将k路输入信号乘以对应复数权重后的叠加，从而实现了对k路输入信号的波束成形。
在本公开的实施例中，第一子阵列211和第二子阵列212的组合(例如，图3A中所示的忆阻器G0,0至Gk-1,0和忆阻器Ga0,0至Gak-1,0的组合)可以实现复数权重的虚部，第三子阵列213(例如，图3A中所示的忆阻器G0,1至Gk-1,1)可以实现复数权重的实部，根据所要实现的复数权重可以确定第一子阵列211、第二子阵列212和第三子阵列213的电导，并且根据所确定的第一子阵列211、第二子阵列212和第三子阵列213的电导，电容器C0的电容以及要实现的波束成形信号的频率而可以进一步确定第一频率调节子阵列214(例如，图3A中所示的忆阻器Gk,0、Gak,0和Gk,1)的电导。
例如，图4A图示了使用本公开至少一些实施例提供的电子装置进行波束成形的一个示例的流程图。如图4A所示，使用电子装置(例如，包括图2或图3A所示的波束成形计算单元的电子装置)进行波束成形包括步骤S410a至步骤S450a。在步骤S410a处，确定复数权重，例如根据所需空间响应(频域)或目标输出信号(时域)来确定所要实现的复数权重；在步骤S420a处，根据复数权重确定用于实现复数权重的忆阻器的电导，例如根据上述公式(1)至(6)来确定用于实现复数权重的忆阻器(例如，第一子阵列211、第二子阵列212和第三子阵列213)的电导；在步骤S430a处，确定用于调节频率的忆阻器的电导，例如根据用于实现复数权重的忆阻器(例如，第一子阵列211、第二子阵列212和第三子阵列213)的电导、预先设定的电容器的电容(例如，电容器C0的电容)和要实现的波束成形信号的频率来确定用于调节频率的忆阻器(例如，第一频率调节子阵列214)的电导；在步骤S440a处，将所确定的用于实现复数权重的忆阻器的电导和用于调节频率的忆阻器的电导分别映射到对应的忆阻器，例如通过写操作来改变对应的忆阻器的电导以实现映射；在步骤S450a处，对多路输入信号进行波束成形以形成波束成形信号，例如通过第一波束成形计算单元200对多路输入信号进行波束成形以形成波束成形信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，第一波束成形计算单元200还被配置为基于第一波束成形信号自适应地更新第一忆阻器阵列210的电导。
例如，图4B图示了使用本公开至少一实施例提供的电子装置进行波束成形的另一个示例的流程图。如图4B所示，使用电子装置(例如，包括图2或图3A所示的波束成形计算单元的电子装置)进行波束成形包括步骤S410b至步骤S470b。在步骤S410b处，确定初始复数权重，例如根据所需空间响应(频域)或目标输出信号(时域)来确定所要实现的复数权重；在步骤S420b处，根据复数权重确定用于实现复数权重的忆阻器的电导，例如根据上述公式(1)至(6)来确定用于实现复数权重的忆阻器(例如，第一子阵列211、第二子阵列212和第三子阵列213)的电导；在步骤S430b处，确定用于调节频率的忆阻器的电导，例如根据用于实现复数权重的忆阻器(例如，第一子阵列211、第二子阵列212和第三子阵列213)的电导、预先设定的电容器的电容(例如，电容器C0的电容)和要实现的波束成形信号的频率来确定用于调节频率的忆阻器(例如，第一频率调节子阵列214)的电导；在步骤S440b处，将所确定的用于实现复数权重的忆阻器的电导和用于调节频率的忆阻器的电导分别映射到对应的忆阻器，例如通过写操作来改变对应的忆阻器的电导以实现映射；在步骤S450b处，对多数输入信号进行波束成形以形成波束成形信号，例如通过第一波束成形计算单元200对多路输入信号进行波束成形以形成波束成形信号；在步骤S460b处，获得误差，例如通过将所形成的波束成形信号与理想的波束成形信号进行比较以获得误差；在步骤S470b处，更新复数权重，并返回到步骤S420b。在该示例中，电子装置可以通过获得误差并更新复数权重来自适应调节，以更加灵活准确地进行波束成形。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，第一子阵列和第二子阵列分别被配置为接收幅度相同且极性相同的电压信号。例如，在图3A所示的示例中，用于实现第一子阵列的忆阻器G0,0至Gk-1,0和用于实现第二子阵列的忆阻器Ga0,0至Gak-1,0通过位线BL[0]至BL[k-1]接收幅度相同且极性相同的电压信号，在这种情况下，运算单元T0被配置为将第一子电流信号If0和第二子电流信号In0相减，例如图3A和公式(3)所示。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，第一子阵列和第二子阵列分别被配置为接收幅度相同但极性相反的电压信号。例如，在图3A所示的示例的变型中，使得用于实现第一子阵列的忆阻器G0,0至Gk-1,0和用于实现第二子阵列的忆阻器Ga0,0至Gak-1,0分别通过位线BL[0]至BL[k-1]接收幅度相同但极性相反的电压信号(例如，采用与将在之后描述的图5A的示例类似的方式，使得第一子阵列和第二子阵列中的一者直接通过位线接收输入的电压信号，第一子阵列和第二子阵列中的另一者通过反相器接收与输入的电压信号幅度相同但极性相反的电压信号)，在这种情况下，运算单元T0被配置为将第一子电流信号If0和第二子电流信号In0相加(与图3A和公式(3)所示的示例相反)。
需要说明的是，图3A所示的示例仅可以实现单极性的复数权重的实部和虚部，但本公开不限于此，可以通过对图3A所示的示例进行适当的变型以实现双极性的复数权重的实部和虚部。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列中的一者或多者各自包括正权重子阵列和负权重子阵列。
例如，正权重子阵列和负权重子阵列分别被配置为接收幅度相同且极性相同的电压信号。例如，图5A图示了实现实部权重的子阵列(例如第三子阵列)的一个示例的示意图。在图5A所示的示例中，正权重子阵列和负权重子阵列实现为分开的两列忆阻器(图5A示出为正权重列和负权重列)，并通过位线接收幅度相同且极性相同的电压信号，在这种情况下，运算单元被配置为将正权重子阵列和负权重子阵列输出的电流信号相减。
例如，正权重子阵列和负权重子阵列分别被配置为接收幅度相同但极性相反的电压信号。例如，图5B图示了实现实部权重的子阵列(例如第三子阵列)的另一个示例的示意图。在图5B所示的示例中，正权重子阵列和负权重子阵列间隔布置为同一列忆阻器(图5B示出为正负权重列)中，并且正权重子阵列和负权重子阵列中的一者(例如，图5B中用于实现正权重的子阵列)直接通过位线接收输入的电压信号，而正权重子阵列和负权重子阵列中的另一者(例如，图5B中用于实现负权重的子阵列)通过反相器接收与输入的电压信号幅度相同但极性相反的电压信号。
同样，正权重子阵列和负权重子阵列分别被配置为接收幅度相同且极性相同的电压信号或被配置为接收幅度相同但极性相反的电压信号，也可以实现双极性的虚部权重。例如，图5C图示了实现虚部权重的子阵列(例如，第一子阵列和第二子阵列)的一个示例的示意图，图5D图示了实现虚部权重的子阵列(例如第一子阵列和第二子阵列)的另一个示例的示意图。在图5C所示的示例中，第一子阵列和第二子阵列的正权重子阵列和负权重子阵列均各自实现为分开的两列忆阻器；在图5D所示的示例中，第一子阵列的正权重子阵列和负权重子阵列实现为分开的两列忆阻器。第二子阵列的正权重子阵列和负权重子阵列间隔布置为同一列忆阻器，实现双极性的虚部权重与实现双极性的实部权重的原理和电路结构类似，在此不再赘述。
需要说明的是，可通过上述图5A-5B中的任一者与图5C-5D中的任一者的组合来同时实现双极性的虚部权重和实部权重。并且还需要说明的是，上述图5A-5D仅是示例性的，可根据具体的情况采用不同的电路结构来实现双极性的虚部权重和实部权重，本公开对此不作限制。
例如，在本公开至少一些实施例提供的电子装置中，第二子阵列和第三子阵列合并为一个忆阻器子阵列。例如，图3A中所示的源线Sla[0]所连接的忆阻器与源线SL[1]所连接的忆阻器均无相移(即直接连接到运算单元，不同于SL[0]所连接的忆阻器经过电容器再连接到运算单元从而存在相移)，可以合并为一列忆阻器阵列，在这种情况下，可以仍假定存在第二子阵列和第三子阵列，并根据上述公式(1)至公式(6)来确定假定的第二子阵列和第三子阵列的电导，之后组合所确定的假定的第二子阵列和第三子阵列的电导来确定该合并的一列忆阻器阵列的实际电导。此外，在实现双极性的虚部权重和实部权重情况下，无相移的电导列也可以合并。
需要说明的是，虽然上述图3A所示的示例适用于窄带波束成形，然而本公开不限于此，本公开所提供的电子装置也可适用于宽带波束成形。
例如，本公开至少一实施例提供的电子装置还包括第二波束成形计算单元，第二波束成形计算单元被配置为接收多路输入信号，并对多路输入信号进行波束成形以形成第二波束成形信号，其中，第二波束成形计算单元包括第二忆阻器阵列、第二电容器和第二运算单元，第二波束成形计算单元被配置为调节第二忆阻器阵列的电导以实现第二复数权重，并基于第二忆阻器阵列、第二电容器和第二运算单元将第二复数权重与多路输入信号相乘以对多路输入信号进行波束成形，第二忆阻器阵列包括第二频率调节子阵列，第二波束成形计算单元还被配置为调节第二频率调节子阵列的电导以调节第二波束成形信号为对应于第二频带，其中，第一频带与第二频带不同。需要说明的是，第二波束成形计算单元与上文所述的第一波束成形计算单元结构类似，在此不再赘述。
例如，图6图示了本公开至少一实施例提供的实现宽带波束成形的电子装置的一个示例的示意图。在图6所示的示例中，包括多个波束成形计算单元，多个波束成形计算单元被配置为接收多路输入信号，对多路输入信号进行波束成形以形成对应于不同窄带的多个波束成形信号，该多个波束成形型号通过对应的带通滤波可以形成多个窄带带通滤波信号，该多个窄带带通滤波信号通过叠加可以实现宽带波束成形信号。在本公开的实施例中，电子装置可以实现满足空间域和频域的联合滤波的宽带波束成形。
需要说明的是，在图6所示的示例中，为了清楚起见，无相移的电导列已经被合并，但其仅是示例性的，而不是对本公开的限制。
还需要说明的是，本公开提供的电子装置适用于上述窄带波束成形和宽带波束成形仅是示例性的而不是对本公开的限制，其还可以适用于其他场景，例如适用于广义旁瓣相消(GSC)。
下面结合图7和图8A-8C描述了对本公开提供的电子装置的验证。
例如，图7图示了期望的波束成形系统对信号在不同入射方向的幅度响应。在图7所示的仿真示例中，30个线性均匀排列的传感器接收频率为100kHz的输入信号，波束成形系统对输入信号进行波束成形，以使得对45°入射的输入信号的空间响应的幅度为1。根据本文所公开的实施例，构建基于忆阻器阵列实现波束成形的电子装置(例如，包括图2或图3A所示的波束成形计算单元的电子装置)的仿真电路，其中忆阻器阵列的电导范围为“2μS～20μS”，忆阻器的电导由复数权重根据上述公式(1)至(6)线性映射而得，传感器所接收的相移信号由具有不同相位的正弦电压源模拟。表1呈现了选取的不同入射角度下仿真电路的幅度响应，其中序号1-11对应仿真电路中选取的测试入射角度。可见，本公开提供的电子装置可以有效实现空间滤波功能。
表1不同入射角度下仿真的增益结果
图8A-8C图示了本公开提供的电子装置接收带有噪声的脉冲调制信号的时域响应。例如，图8A图示了原脉冲信号，图8B图示了第一个传感器通道接收到的受到噪声污染的信号(接收到的受到噪声污染的信号被缩放到0.1V～0.3V之间)，图8C图示了本公开提供的电子装置的输出滤波结果。如图8A所示，信源在2ms时刻发出一个幅度为1、入射方向为45°的脉冲(即波的幅度由0变为1)。如图8B所示，由于噪声污染，各传感器通道接收并转换得到的电信号具有大量噪声，无法分辨原有波形，造成有效信息损失。如图8C所示，脉冲幅度被明显恢复，原有的脉冲幅值变化被很好的还原。因此，本公开提供的电子装置可以有效地实现波束成形。
根据本公开的上述实施例，本公开提供的电子装置基于忆阻器阵列的电导值来实现复数权重，并利用忆阻器阵列的乘加运算来实现波束成形中的乘加运算，能够直接在模拟域内对多路输入信号进行波束成形，从而提高了运算效率并避免了在传感器端集成模拟数字转换接口电路，并且，该电子装置能够集成在传感器端进行灵活的波束成形信号预处理，从而降低了后续处理模块的算力需求和传输带宽。
此外，本公开至少一些实施例还提供一种进行波束成形的方法，该方法可以使用本公开的实施例所提供的电子装置(例如，包括图2或图3A所示的波束成形计算单元的电子装置)对多路输入信号进行波束成形，图9图示了该方法的流程图。如图9所示，该方法包括步骤S910和S920。
S910：调节第一忆阻器阵列的电导以实现第一复数权重，并且，
S920：基于第一忆阻器阵列、第一电容器和第一运算单元将第一复数权重与多路输入信号相乘以对多路输入信号进行波束成形。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，第一忆阻器阵列包括第一频率调节子阵列，方法还包括：调节第一频率调节子阵列的电导以调节第一波束成形信号为对应于第一频带。
例如，本公开至少一些实施例提供的方法还包括：基于第一波束成形信号自适应地更新第一忆阻器阵列和第一频率调节子阵列的电导。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，第一忆阻器阵列还包括第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列，第一子阵列连接到电容器的第一端，电容器的第二端连接到运算单元，第二子阵列连接到运算单元，第三子阵列连接到运算单元，其中，基于第一忆阻器阵列、第一电容器和第一运算单元将第一复数权重与多路输入信号相乘以对多路输入信号进行波束成形包括：向第一子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，在电容器的第二端输出第一子电流信号到运算单元；向第二子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，在第二子阵列输出第二子电流信号到运算单元；向第三子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，在第三子阵列输出第三子电流信号到运算单元；对第一子电流信号、第二子电流信号和第三子电流信号进行运算以形成第一波束成形信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，向第一子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，向第二子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，包括：向第一子阵列和第二子阵列分别输入幅度相同且极性相同的电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，向第一子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，向第二子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，包括：向第一子阵列和第二子阵列分别输入幅度相同但极性相反的电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列中的一者或多者各自包括正权重子阵列和负权重子阵列，向第一子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，向第二子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，向第三子阵列输入与多路输入信号相对应的电压信号，还包括：向正权重子阵列和负权重子阵列分别输入幅度相同但极性相反的电压信号。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，第二子阵列和第三子阵列合并为一个忆阻器子阵列。
例如，在本公开至少一些实施例提供的方法中，电子装置还包括第二波束成形计算单元，第二波束成形计算单元被配置为接收多路输入信号，并对多路输入信号进行波束成形以形成第二波束成形信号，第二波束成形计算单元包括第二忆阻器阵列、第二电容器、第二运算单元和第二频率调节子阵列，方法还包括：调节第二忆阻器阵列的电导以实现第二复数权重；基于第二忆阻器阵列、第二电容器和第二运算单元将第二复数权重与多路输入信号相乘以对多路输入信号进行波束成形；以及调节第二频率调节子阵列的电导以调节第二波束成形信号为对应于第二频带，其中，第一频带与第二频带不同。
本公开的实施例提供的使用电子装置(例如，包括图2或图3A所示的波束成形计算单元的电子装置或图6所示的电子装置)进行波束成形的方法的技术效果可以参考上述实施例中关于电子装置(例如，包括图2或图3A所示的波束成形计算单元的电子装置或图6所示的电子装置)的相应描述，在此不再赘述。
有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述仅是本公开的示范性实施方式，而非用于限制本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。
Claims (10)
1.一种电子装置，包括第一波束成形计算单元，所述第一波束成形计算单元被配置为接收多路输入信号，并对所述多路输入信号进行波束成形以形成第一波束成形信号，其中，
所述第一波束成形计算单元包括第一忆阻器阵列、第一电容器和第一运算单元，所述第一波束成形计算单元被配置为调节所述第一忆阻器阵列的电导以实现第一复数权重，并基于所述第一忆阻器阵列、所述第一电容器和所述第一运算单元将所述第一复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形。
2.根据权利要求1所述的电子装置，其中，所述第一忆阻器阵列包括第一频率调节子阵列，所述第一波束成形计算单元还被配置为调节所述第一频率调节子阵列的电导以调节所述第一波束成形信号为对应于第一频带。
3.根据权利要求2所述的电子装置，其中，所述第一波束成形计算单元还被配置为基于所述第一波束成形信号自适应地更新所述第一忆阻器阵列的电导。
4.根据权利要求3所述的电子装置，其中，所述第一忆阻器阵列还包括第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列，其中，
所述第一子阵列连接到所述电容器的第一端，所述电容器的第二端连接到所述运算单元，所述第一子阵列被配置为接收与所述多路输入信号相对应的电压信号，所述第一子阵列和所述电容器被配置为在所述电容器的第二端输出第一子电流信号到所述运算单元；
所述第二子阵列连接到所述运算单元，所述第二子阵列被配置为接收与所述多路输入信号相对应的电压信号，并输出第二子电流信号到所述运算单元；
所述第三子阵列连接到所述运算单元，所述第三子阵列被配置为接收与所述多路输入信号相对应的电压信号，并输出第三子电流信号到所述运算单元；
所述运算单元被配置为对所述第一子电流信号、第二子电流信号和所述第三子电流信号进行运算以形成所述第一波束成形信号。
5.根据权利要求4所述的电子装置，其中，所述第一子阵列和所述第二子阵列分别被配置为接收幅度相同且极性相同的所述电压信号。
6.根据权利要求4所述的电子装置，其中，所述第一子阵列和所述第二子阵列分别被配置为接收幅度相同但极性相反的所述电压信号。
7.根据权利要求4所述的电子装置，其中，所述第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列中的一者或多者各自包括正权重子阵列和负权重子阵列，所述正权重子阵列和所述负权重子阵列分别被配置为接收幅度相同但极性相反的所述电压信号。
8.根据权利要求4所述的电子装置，其中，所述第二子阵列和所述第三子阵列合并为一个忆阻器子阵列。
9.根据权利要求2所述的电子装置，还包括第二波束成形计算单元，所述第二波束成形计算单元被配置为接收所述多路输入信号，并对所述多路输入信号进行波束成形以形成第二波束成形信号，其中，
所述第二波束成形计算单元包括第二忆阻器阵列、第二电容器和第二运算单元，所述第二波束成形计算单元被配置为调节所述第二忆阻器阵列的电导以实现第二复数权重，并基于所述第二忆阻器阵列、所述第二电容器和所述第二运算单元将所述第二复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形，
所述第二忆阻器阵列包括第二频率调节子阵列，所述第二波束成形计算单元还被配置为调节所述第二频率调节子阵列的电导以调节所述第二波束成形信号为对应于第二频带，
其中，所述第一频带与所述第二频带不同。
10.一种使用权利要求1所述的电子装置对多路输入信号进行波束成形的方法，包括：
调节所述第一忆阻器阵列的电导以实现第一复数权重，并且，
基于所述第一忆阻器阵列、所述第一电容器和所述第一运算单元将所述第一复数权重与所述多路输入信号相乘以对所述多路输入信号进行波束成形。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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