2. Ăng ten thông minh (smart antenna)
2.2. Hệ thống mảng ăng ten
2.2.1. Cấu trúc mảng anten
Hệ thống mảng ăng ten thường được sử dụng trong tần số vô tuyến (RF) hoặc tần số trung tần (IF) với hệ thống có tần số trung tâm lớn hơn 10 GHz, chẳng hạn như hệ thống thông tin vệ tinh [1]. Có 2 loại mảng dịch pha khác nhau hay còn được gọi là bộ tạo búp sóng là bộ tạo búp sóng miền thời gian và bộ tạo búp sóng miền tần số.
Cấu trúc mảng anten rất đa dạng tùy theo từng mục đích sử dụng như: kiểu tuyến tính, vòng tròn, plannar,…
35
Hình 2- 3: Một số loại mảng anten
Với cấu trúc dạng tuyến tính, mảng anten bao gồm nhiều phần tử được đặt trên một đường thẳng sao cho khoảng cách giữa các phần tử bằng nhau. Mảng anten này được gọi là ULA (Uniform linear array). Để đơn giản, mảng ULA được đặt trên trục x của hệ trục tọa độ Đề Các. Mô hình thu sóng của mảng tuyến tính được biểu diễn trong hình 2-4. Khoảng cách giữa các phần tử anten xác định trễ lan truyền của sóng tới. Nếu coi khoảng cách đó là d, ta có sẽ quan hệ giữa khoảng cách các phần tử với nguồn sóng tới là
= ‖ ‖ (1.1)
Hình 2- 4: Mảng anten ULA
Góc tới (AOA - Angle of Arrival) của tín hiệu đến mảng ULA là . Nếu xem xét toàn bộ không gian ba chiều, trễ tương đương gây ra bởi tín hiệu là hình nón. Mặt phẳng hình nón tạo với mảng tuyến tính góc được gọi là góc nón (cone angle),
. Góc nón có liên hệ với góc vật lý, góc ngẩng và góc phương vị
= (1.2)
Với = 90° − .
Vì mảng ULA bao gồm nhiều phần tử anten nên tín hiệu của mảng được viết dưới dạng vector
( ) = [ ( ) ( ) … ( )] (1.3)
36
2.2.2. Vector đáp ứng mảng (Array response vector)
Tín hiệu nhận được trên mỗi phần tử anten ULA sai khác nhau một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào khoảng cách d giữa các phần từ cũng như góc tới ϕ của tín hiệu. Trễ lan truyền đó được tính theo công thức
( ) = ( ) (1.4)
Với c là tốc độ sóng (trong không khí xấp xỉ bằng vận tốc của ánh sáng).
Vì vậy, trễ lan truyền giữa phần tử thứ m và phần tử đầu tiên nhận được tín hiệu là
( ) = ( − 1) ( ) (1.5)
Như vậy, tín hiệu nhận được tại mảng anten có thể viết lại dưới dạng
( ) = √ ( ) ( ) + ( ) (1.6)
Với ( ) là tín hiệu tới mảng anten có góc tới ; ( ) là nhiễu tạp âm.
( ) = √ 1 ( ) … ( ) ( ) (1.7) với Fc=c/λ gọi là vector đáp ứng mảng.
37
2.2.3. Lấy mẫu không gian
Trước khi đưa vào bộ xử lý số, tín hiệu sẽ được lấy mẫu. Tần số lấy mẫu cần phải đủ lớn để khôi phục dạng tín hiệu cũng như tránh nhiễu xuyên ký tự ISI. Đối với xử lý tín hiệu không gian, lấy mẫu không gian sử dụng trên anten thông minh cung cấp khả năng thay đổi tính chất của bộ lọc rời rạc.
Mảng ULA gồm các phần tử sắp xếp đồng đều trên trục tọa độ, vì thế các phần tử lấy mẫu đồng đều trong không gian trên trục tọa độ đó. Chúng ta có định nghĩa về tần số lấy mẫu không gian Us
= (1.8)
Với khoảng thời gian lấy mẫu được xác định bằng khoảng cách giữa các phần tử anten d(m).
Tần số không gian U được định nghĩa là
= (1.9)
Từ đó, tần số không gian chuẩn hóa u được xác định bởi
≜ = (1.10)
d là khoảng thời gian lấy mẫu không gian, là nghịch đảo của tần số lấy mẫu. Tương tự như định luật Nyquist về lấy mẫu rời rạc theo thời gian, tần số lấy mẫu không gian cũng phải đủ lớn để tránh méo tín hiệu. Vì vậy, tần số lấy mẫu chuẩn hóa thỏa mãn − ≤ ≤ và góc tới thỏa mãn −90 ≤ ≤ 90 , nên khoảng cách giữa các phần tử anten thỏa mãn
≤ 2
Nếu giảm khoảng cách nhỏ hơn giá trị λ/2 gây ra thừa thông tin cũng như khó khăn trong việc lựa chọn số lượng phần tử anten tối ưu nên chúng ta lựa chọn
38