Chương 1 K ỹ thu ật Ăngten thông minh
1.7. Định dạng búp sóng bằng phương pháp số (DBF)
Những khái niệm ban đầu của định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số được phát triển đầu tiên cho những ứng dụng trong các hệ thống ra đa vàđịnh vị dưới nước. DBF biểu diễn bước lượng tử trong hiệu suất ăngtenvà độ phức tạp của ăngten. DBF cơ bản dựa trên các khái niệm lý thuyết đã có trước, giờ đây các lý thuyết đó đang được triển khai trong thực tế. Ở mức độ rộng hơn, đó là kết quả của các tiến bộ quan trọng gần đây trên thế giới như công nghệ xử lý tín hiệu số và công nghệ mạch tích hợp siêu cao tần đơn (MMIC). Công nghệ DBF đã đạt trình độ cao và có thể được ứng dụng trong các mạng truyền thông nhằm cải thiện hiệu suất hệ thống. Ứng dụng DBF trong các hệ thống truyền thông vô tuyến không chỉ dừng lại trong lý thuyết mà còn đang được triển khai nhanh chóng trong thực tế. Ngoài ra, nhu cầu tăng dung lượng là mục đích quan trọng cần hướng tới để kết hợp DBF vào trong các hệ thống truyền thông vô tuyến trong tương lai.
Bộ thu phát
Bộ thu phát
Bộ xử lý
tín hiệu
số
An ten dãy
I Q
I Q
Hình 1.6. Hệ thống ăngten DBF tổng quát
DBF là sự kết hợp giữa công nghệ ăngten và công nghệ số. Một hệ thống ăngten DBF tổng quát được chỉ ra như hình 1.6.bao gồm ba thành phần chính:
+ Ăngten d ãy
+ Các máy thu phát số
đầu ra
đầu ra
+ Bộ xử lý tín hiệu số
Trong một hệ thống ăngten DBF, các tín hiệu thu được tách sóng và số hóa ở mức phần tử. Việc thu các thông tin RF ở dạng luồng số cho phép dùng các thuật toán và kỹ thuật xử lý tín hiệu để tách những thông tin từ dữ liệu miền không gian.
Kỹ thuật DBF dựa trên việc thu các tín hiệu ần số caot ( ) RF tại các phần tử ăngten và biến đổi chúng thành hai luồng tín hiệu nhị phân băng cơ sở (thành phần I và Q).
Tích hợp bên trong các tín hiệu băng cơ sở là biên độ và pha của tín hiệu thu được ở mỗi phần tử của dãy. Điều chỉnh búp sóng được tạo bởi việc tạo trọng số cho các tín hiệu này bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của các tín hiệu sẽ thu được búp sóng mong muốn. Quá trình này được thực hiện bằng bộ xử lý tín hiệu số. Đó là một chức năng trước đây thường được thực hiện bằng việc sử dụng mạng điều khiển búp sóng tương tự và bây giờ được thực hiện bằng việc dùng một bộ xử lý tín hiệu số.
Phương pháp này gần như bảo toàn tất cả các thông tin tại góc mở, đó là sự khác biệt với định dạng và điều khiển bằng phương pháp tương tự. Bởi vì phương pháp tạo búp sóng tương tự chỉ là tạo ra tổng trọng số của các tín hiệu và do đó làm suy hao kích thước tín hiệu từ Kthành một (hình 1.7).
Mạng điều khiển búp sóng tương tự
x2 xk
x1
Hình 1.7. Bộ điều khiển búp sóng tương tự
Điểm mấu chốt của công nghệ này là việc biến đổi chính xác các tín hiệu tương tự thành miền số. Điều này đạt được bằng việc sử dụng các m áythu đổi tần, các bộ thu này cần phải phù hợp chặt chẽ về cả biên độ và pha. Sự phù hợp này
B s g úp ón đầu ra
không cần phải thực hiện bằng việc điều chỉnh từ phần cứng. Mà chỉ cần thực hiện quá trình chuẩn này để các giá trị của luồng dữ liệu được hiệu chỉnh trước khi tới bộ điều khiển búp sóng.
Các bộ thu thực hiện các chức năng sau: Chuyển đổi tần số xuống tần số thấp, lọc và khuếch đại để mức của tín hiệu phù hợp với yêu cầu lối vào của các bộ biến đổi ADC. Lợi ích chính đạt được từ việc định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số là xử lý rất mềm dẻo mà không làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm(SNR). Trong một số cách, nó có thể được xem như là một ăngten tối ưu, theo đó tất cả các thông tin tới bề mặt của ăngten được thu lại ở dạng nhiều luồng số. Tất cả các thông tin này là có giá trị cho việc xử lý trong điều khiển búp sóng. Có nhiều các cấu hình thiết bị có thể được sử dụng để thực hiện việc xử lýsố.
Từ cấu trúc điều khiển búp sóng được điều chỉnh bởi thủ tục phần mềm, có một dải rộng mềm dẻo nhiều loại búp sóng có thể được tạo ra, bao gồm búp quét, đa búp, búp hướng xác định, búp hướng không.
Khi chúng ta kết hợp các phương pháp truy nhập đó thì bộ xử lý số có mức thông tin cao hơn với tính lính hoạt của nó, chúng ta nhận thấy rằng định dạng và điều khiển búp sóng số cho một số các đặc trưng ngoài khả năng của những mảng pha thông thường.
1. Một số lượng lớn các búp sóng độc lập có độ định hướng cao có thể được thiết lập mà không làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp â . m
2. Tất cả các thông tin đến ăngten dãy đều được sử dụng trong bộ xử lý tín hiệu do đó hiệu suấtcủa hệ thống có thể được tối ưu hóa.
3. Các búp sóng có thể được chỉ định cho từng người dùng, do đó đảm bảo rằng tất cả các liên kết đều hoạt động với hệ số tăng ích lớn nhất.
4. Định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng có thể dễ dàng được thực thi để cải tiến dung lượng hệ thống bằng cách khử nhiễu đồng kênh. Các thuật toán mà biểu diễn được ở dạng toán học thì có thể được ứng dụng. Hơn nữa định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng được sử dụng để các hệ thống tăng cường khả năng chống lại nhiễu đa đường.
5. Các hệ thống DBF cho khả năng thực hiện chuẩn máy thời gian thực cho các hệ ăngten trong miền số. Dó đó có thể làm giảm nhẹ yêu cầu phối hợp chặt chẽ của biên độ và pha giữa các bộ thu phát, do sự thay đổi các tham số này có thể được chỉnh chính xác trong thời gian thực.
6. Định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số có nhiều ưu điểm nổi trội khi được sử dụng trong các trạm truyền thông vệ tinh. Nếu sau khi phóng vệ tinh, người ta phát hiện rằng cần phải nâng cấp bộ định dạng và điều khiển búp sóng thì một phần mềm thích hợp có thể được cập nhật từ xa tới trạm vệ tinh đó. Điều này có nghĩa là tuổi thọ của trạm được tăng lên do bổ xung các bộ phận mới trong thời gian hoạt động trong khi dung lượng của trạm được nâng lên.
Ngoài ra công nghệ định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng được nhắc đến như là công nghệ ăngten thông minh trong một số tài liệu. Việc dùng thuật ngữ
“smart” phản ánh khả năng của ăngten thích ứngvới môi trường, hoạt động của nó.