Różnorodność anten

Centrala telefoniczna z późniejszymi antenami zamontowanymi wyżej w celu przeciwdziałania blaknięciu

Różnorodność anten , znana również jako różnorodność przestrzenna lub różnorodność przestrzenna , to jeden z kilku schematów różnorodności bezprzewodowej , który wykorzystuje dwie lub więcej anten w celu poprawy jakości i niezawodności łącza bezprzewodowego. Często, zwłaszcza w środowiskach miejskich i wewnętrznych, nie ma wyraźnej linii wzroku (LOS) między nadajnikiem a odbiornikiem. Zamiast tego sygnał jest odbijany wzdłuż wielu ścieżek, zanim ostatecznie zostanie odebrany. Każde z tych odbić może wprowadzać przesunięcia fazowe, opóźnienia czasowe, tłumienia i zniekształcenia, które mogą destrukcyjnie interferować ze sobą na aperturze anteny odbiorczej.

Różnorodność anten jest szczególnie skuteczna w łagodzeniu tych wielościeżkowych sytuacji. Dzieje się tak, ponieważ wiele anten oferuje odbiornikowi kilka obserwacji tego samego sygnału. Każda antena będzie doświadczać innego środowiska zakłóceń. Tak więc, jeśli jedna antena doświadcza głębokiego zaniku , prawdopodobnie inna ma wystarczający sygnał. Łącznie taki system może zapewnić solidne łącze. Chociaż jest to widoczne głównie w systemach odbiorczych ( odbiór zbiorczy ), analog okazał się również cenny w systemach nadawczych ( zróżnicowanie w transmisji ).

Z natury schemat różnorodności anten wymaga dodatkowego sprzętu i integracji w porównaniu z pojedynczym systemem antenowym, ale ze względu na wspólność ścieżek sygnałowych można współdzielić sporą liczbę obwodów. Również w przypadku wielu sygnałów odbiornik ma większe wymagania dotyczące przetwarzania, co może prowadzić do zaostrzenia wymagań projektowych. Zazwyczaj jednak niezawodność sygnału jest najważniejsza, a korzystanie z wielu anten jest skutecznym sposobem na zmniejszenie liczby przerw i zerwanych połączeń.

Techniki antenowe

Różnorodność anten można zrealizować na kilka sposobów. W zależności od środowiska i oczekiwanych zakłóceń, projektanci mogą zastosować jedną lub więcej z tych metod w celu poprawy jakości sygnału. W rzeczywistości często stosuje się wiele metod w celu dalszego zwiększenia niezawodności.

Różnorodność przestrzenna wykorzystuje wiele anten, zwykle o tych samych właściwościach, które są fizycznie oddzielone od siebie. W zależności od oczekiwanego występowania przychodzącego sygnału, czasem wystarczająca jest przestrzeń rzędu długości fali. Innym razem potrzebne są znacznie większe odległości. komórkowanie lub sektoryzacja to schemat różnorodności przestrzennej, w którym anteny lub stacje bazowe mogą być oddalone od siebie o wiele kilometrów. Jest to szczególnie korzystne dla telefonii komórkowej, ponieważ umożliwia wielu użytkownikom współdzielenie ograniczonego widma komunikacyjnego i uniknięcie zakłóceń międzykanałowych.
Różnorodność wzorców składa się z dwóch lub więcej kolokowanych anten o różnych wzorach promieniowania . Ten rodzaj różnorodności wykorzystuje anteny kierunkowe , które są zwykle fizycznie oddzielone na pewną (często krótką) odległość. Łącznie są w stanie rozróżnić dużą część przestrzeni kątowej i mogą zapewnić większy zysk w porównaniu z pojedynczym promiennikiem dookólnym.
Różnorodność polaryzacji łączy pary anten z polaryzacją ortogonalną (tj. pozioma/pionowa, ± skośna 45°, polaryzacja kołowa lewoskrętna/prawa itp.). Odbite sygnały mogą podlegać zmianom polaryzacji w zależności od ośrodka, przez który się przemieszczają. Różnica polaryzacji wynosząca 90° spowoduje współczynnik tłumienia do 34 dB siły sygnału. Łącząc dwie uzupełniające się polaryzacje, ten schemat może uodpornić system na niedopasowanie polaryzacji, które w przeciwnym razie spowodowałoby zanik sygnału. Ponadto taka różnorodność okazała się cenna w stacjach bazowych komunikacji radiowej i komórkowej, ponieważ jest mniej podatna na niemal przypadkowe orientacje anten nadawczych.
Zróżnicowanie nadawania/odbioru wykorzystuje dwie oddzielne, kolokowane anteny do funkcji nadawania i odbioru. Taka konfiguracja eliminuje potrzebę stosowania dupleksera i może chronić wrażliwe komponenty odbiornika przed wysoką mocą używaną do nadawania.
Macierze adaptacyjne mogą być pojedynczą anteną z elementami aktywnymi lub macierzą podobnych anten z możliwością zmiany ich połączonej charakterystyki promieniowania w miarę utrzymywania się różnych warunków. Aktywne elektronicznie skanowane macierze ( AESA ) manipulują przesuwnikami fazowymi i tłumikami na powierzchni każdego miejsca promieniowania, aby zapewnić niemal natychmiastową zdolność skanowania, a także kontrolę wzorca i polaryzacji. Jest to szczególnie korzystne w zastosowaniach radarowych, ponieważ zapewnia pojedynczej antenie możliwość przełączania między kilkoma różnymi trybami, takimi jak wyszukiwanie, śledzenie, mapowanie i przeciwdziałanie zagłuszaniu.

Techniki przetwarzania

Wszystkie powyższe techniki wymagają pewnego rodzaju przetwarzania końcowego w celu odzyskania żądanej wiadomości. Wśród tych technik są:

Przełączanie: W odbiorniku przełączającym sygnał z tylko jednej anteny jest dostarczany do odbiornika tak długo, jak jakość tego sygnału pozostaje powyżej określonego progu. Jeśli i kiedy sygnał ulegnie degradacji, włączana jest inna antena. Przełączanie jest najłatwiejszą i najmniej energochłonną techniką przetwarzania różnorodności anten, ale mogą wystąpić okresy zaniku i desynchronizacji, gdy jakość jednej anteny ulega pogorszeniu i ustanawiane jest inne łącze antenowe.
Selekcja: Podobnie jak w przypadku przełączania, przetwarzanie selekcji przedstawia odbiornikowi tylko sygnał z jednej anteny w danym momencie. Wybrana antena jest jednak oparta na najlepszym stosunku sygnału do szumu (SNR) spośród odbieranych sygnałów. Wymaga to przeprowadzenia wstępnego pomiaru i ustanowienia połączeń wszystkich anten (przynajmniej podczas pomiaru SNR), co prowadzi do większego zapotrzebowania na moc. Właściwy proces selekcji może odbywać się pomiędzy otrzymanymi pakietami informacji. Zapewnia to utrzymanie pojedynczego połączenia antenowego w jak największym stopniu. W razie potrzeby przełączanie może odbywać się pakiet po pakiecie.
Łączenie: W przypadku łączenia wszystkie anteny utrzymują nawiązane połączenia przez cały czas. Sygnały są następnie łączone i przekazywane do odbiornika. W zależności od stopnia zaawansowania systemu, sygnały mogą być dodawane bezpośrednio (łączenie równego wzmocnienia) lub ważone i dodawane spójnie ( łączenie maksymalnego współczynnika ). Taki system zapewnia największą odporność na zanik, ale ponieważ wszystkie tory odbiorcze muszą pozostać pod napięciem, zużywa również najwięcej energii.
Kontrola dynamiczna: Odbiorniki sterowane dynamicznie mogą wybierać spośród powyższych schematów przetwarzania w zależności od sytuacji. Chociaż są one znacznie bardziej złożone, optymalizują stosunek mocy do wydajności. Przejścia między trybami i/lub połączeniami anten są sygnalizowane zmianą postrzeganej jakości łącza. W sytuacjach niskiego zaniku odbiornik może nie stosować dywersyfikacji i wykorzystywać sygnał prezentowany przez pojedynczą antenę. W miarę pogarszania się warunków odbiornik może przyjąć bardziej niezawodne, ale energochłonne tryby opisane powyżej.

Aplikacje

Dobrze znanym praktycznym zastosowaniem odbioru różnorodności są mikrofony bezprzewodowe i podobne urządzenia elektroniczne , takie jak bezprzewodowe systemy gitarowe . Mikrofon bezprzewodowy z odbiornikiem niezróżnicowanym (odbiornik mający tylko jedną antenę) jest podatny na przypadkowe zaniki sygnału, zaniki sygnału, szumy lub inne zakłócenia , zwłaszcza jeśli nadajnik (mikrofon bezprzewodowy) jest w ruchu. Mikrofon bezprzewodowy lub system dźwiękowy korzystający z odbioru różnorodności przełączy się na drugą antenę w ciągu mikrosekund, jeśli jedna antena wykryje zakłócenia, zapewniając lepszą jakość sygnału z mniejszą liczbą zaników i szumów. Idealnie byłoby, gdyby w odbieranym sygnale nie występowały przerwy ani szumy.

Innym powszechnym zastosowaniem jest sprzęt sieciowy Wi-Fi i telefony bezprzewodowe w celu kompensacji zakłóceń wielościeżkowych . Stacja bazowa przełączy odbiór na jedną z dwóch anten , w zależności od tego, która aktualnie odbiera silniejszy sygnał. Aby uzyskać najlepsze wyniki, anteny są zwykle umieszczane w odległości jednej długości fali. W przypadku mikrofalowych , w których długość fali jest mniejsza niż 100 cm, często można to zrobić za pomocą dwóch anten podłączonych do tego samego sprzętu. W przypadku niższych częstotliwości i dłuższych fal anteny muszą być oddalone od siebie o kilka metrów, co czyni to znacznie mniej rozsądnym.

telefonii komórkowej często wykorzystują różnorodność - każda ściana (sektor) wieży często ma dwie anteny; jeden nadaje i odbiera, a drugi jest anteną tylko do odbioru. Dwa odbiorniki służą do odbioru różnorodności.

Anteny komórkowe na słupie energetycznym z dwiema antenami na sektor

Zastosowanie wielu anten zarówno przy nadawaniu, jak i przy odbiorze skutkuje systemem MIMO ( multiple input multiple-output ). Wykorzystanie technik różnorodności na obu końcach łącza określa się mianem kodowania czasoprzestrzennego .

Różnorodność anten dla MIMO

Diversity Coding to techniki kodowania przestrzennego dla systemu MIMO w kanałach bezprzewodowych. Kanały bezprzewodowe są poważnie narażone na zjawisko zanikania, które powoduje zawodność dekodowania danych. Zasadniczo kodowanie różnorodności wysyła wiele kopii przez wiele anten nadawczych, aby poprawić niezawodność odbioru danych. Jeśli jeden z nich nie odbiera, pozostałe są używane do dekodowania danych. MIMO osiąga przestrzenną różnorodność i przestrzenne multipleksowanie.

Zobacz też

J. Moon i Y. Kim. „Różnorodność anten wzmacnia bezprzewodowe sieci LAN”. Projektowanie systemów komunikacyjnych, strony 15–22, styczeń 2003
SM Lindenmeier, LM Reiter, DE Barie i JF Hopf. „Różnorodność anten w celu poprawy BER w mobilnym odbiorze radia cyfrowego, zwłaszcza na obszarach o gęstej roślinności”. Międzynarodowa konferencja ITG na temat anten, ISBN 978-3-00-021643-5 , strony 45–48. 30 marca 2007.
„Adaptive Arrays and Diversity Antenna Configurations for Handheld Wireless Communication Terminals”, Carl Dietrich, Jr. 15 lutego 2000 r.
„Samouczek anteny adaptacyjnej: wydajność widmowa i przetwarzanie przestrzenne” autorstwa Marca Goldburga. FCC Biuro Inżynierii i Technologii. 7 września 2001.
„Oparte na MATLABie podejście obiektowe do wielościeżkowej symulacji zanikającego kanału” Biała księga autorstwa CD Iskandera. luty 2008.