SONIC
مدیر بخش برق و الکترونیک (SONIC)
پرسنل مدیریت
مدیر انجمن
استاد و مشاور الکترونیک
عضو افتخاری گروه الکترونیک
به شدت دوست داشتنی
مدیر انجمن
- Oct 14, 2021
- 1,937
- 4,536
آنتن هوشمند چیست؟
آنتن های هوشمند که با نام های آنتن های متعدد، آنتن های آرایه تطبیقی و غیره نیز شناخته می شوند برای افزایش کارایی در سیستم های ارتباطی بی سیم دیجیتال استفاده می شود. با بهره گیری از اثر تنوع در فرستنده گیرنده سیستم بی سیم که منبع و مقصد است، کار می کند. اصطلاح اثر تنوع به انتقال و دریافت فرکانس‌های رادیویی متعددی اطلاق می‌شود که برای کاهش خطا در حین ارتباط داده و همچنین افزایش سرعت داده بین منبع و مقصد استفاده می‌شود.
این نوع فناوری قبلاً اهمیت خود را در بیشتر سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم پیدا کرده است، زیرا آرایه‌های آنتن ویژه با الگوریتم‌های پردازش سیگنال استفاده می‌شوند که می‌توانند به راحتی اهداف بی‌سیم مختلف مانند موبایل‌ها را شناسایی و ردیابی کنند. همچنین برای محاسبه بردارهای تشکیل پرتو و جهت رسیدن [DOA] سیگنال استفاده می شود.
تفاوت بین آنتن معمولی و آنتن هوشمند
تفاوت اصلی مربوط به نحوه برخورد هر دو سیستم با مشکلات ناشی از انتشار موج چند مسیره است. هنگامی که یک سیگنال بی سیم به فاصله زیادی ارسال می شود، ممکن است مجبور شود از موانع بسیاری مانند ساختمان های بلند، کوه ها، سیم های برق و غیره عبور کند. بنابراین جبهه امواج این سیگنال ها پراکنده می شوند و مسیرهای متعددی را برای رسیدن به گیرنده طی می کنند. در یک سیستم ارتباطی معمولی وای فای از روشی به نام تک ورودی تک خروجی [SISO] استفاده می شود که یک آنتن به منبع و دیگری به مقصد متصل می شود. وقتی سیگنال‌ها دیر به مقصد می‌رسند، ممکن است کم‌رنگ، قطع شده و همچنین با مشکلات ارتباطی رایج مانند حصار بند برسند. این یکی از مشکلات اساسی یک سیستم SISO است. بنابراین اگر از سیستم SISO در اتصال اینترنت استفاده کنیم، داده ها دیر به دست خواهند آمد و ماهیت آن بسیار اشتباه است. تمام این مشکلات را می توان با کمک آنتن های هوشمند حل کرد.
آنتن هوشمند - توابع
یک آنتن هوشمند عمدتاً دو عملکرد اساسی دارد. در زیر به تفصیل توضیح داده شده اند.
1. برآورد جهت ورود (DOA)
در آنتن‌های هوشمند تکنیک‌های مختلفی مانند MUSIC (طبقه‌بندی سیگنال چندگانه) و تخمین پارامترهای سیگنال از طریق تکنیک‌های تغییر ناپذیری چرخشی (ESPRIT) برای یافتن DOA یک سیگنال استفاده می‌شود. این روش به محاسبات و الگوریتم های زیادی نیاز دارد. حتی روش مداد ماتریسی معمولاً در آرایه های هوشمند برای یافتن DOA استفاده می شود. روش مداد ماتریس معمولاً در سیستم‌های بلادرنگ استفاده می‌شود زیرا نسبت به دو روش دیگر بسیار کارآمد هستند. آنتن مانند یک حسگر عمل می کند که در آن یک طیف فضایی از آرایه انتخاب شده و DOA از قله های این طیف مشخص می شود.
2. روش شکل دهی پرتو
موبایل ها یا اهدافی که قرار است سیگنال ها به آنها ارسال شود ابتدا جستجو می شوند و سپس با افزودن فازهای سیگنال، الگوی تابشی آرایه آنتن ایجاد می شود. در عین حال موبایل هایی که نیازی به سیگنال ندارند از الگو خارج خواهند شد. اگرچه این روش ممکن است کمی پیچیده به نظر برسد، اما می توان آن را به راحتی با کمک یک فیلتر خط تاخیری FIR انجام داد. با توجه به سیگنال استفاده شده، وزن فیلتر FIR نیز می تواند بر این اساس تغییر کند. فیلترها همچنین در ارائه شکل دهی نوری کمک خواهند کرد تا MMSE بین الگوی پرتو واقعی و مورد نظر شکل گرفته کاهش یابد.
انواع آنتن های هوشمند
طبقه بندی آنتن های هوشمند به نوع محیط و نیازهای سیستم بستگی دارد. به طور عمده دو نوع آنتن هوشمند وجود دارد. آن ها هستند
1. آرایه فازی/پرتو هوشمند/آنتن چند پرتو
در این نوع آرایه، تعداد زیادی پرتو ثابت وجود دارد که در میان آنها یک پرتو روشن می شود یا به سمت سیگنال مورد نظر هدایت می شود. این را می توان تنها با کمک تنظیم در فاز انجام داد. به عبارت دیگر، با حرکت هدف مورد نظر، تیر نیز هدایت می شود. شکل یک آنتن آرایه فازی در زیر نشان داده شده است.
2. آنتن آرایه تطبیقی
در این نوع آنتن ها با توجه به حرکت کاربر مورد نظر و حرکت تداخل در الگوی پرتو تغییر ایجاد می شود. سیگنال‌هایی که دریافت می‌شوند وزن می‌شوند و بعداً ترکیب می‌شوند تا سیگنال مورد نظر را به تداخل علاوه بر نویز و نسبت توان [S/N] افزایش دهند. بنابراین، جهت تداخل متعادل خواهد شد، زیرا سیگنال مورد نظر در جهت پرتو اصلی خواهد بود.
آنتن به راحتی می تواند پرتو اصلی را به هر جهتی هدایت کند و در عین حال سیگنال مزاحم را باطل کند. جهت پرتو را می توان با استفاده از روش DOA محاسبه کرد. شکل یک آنتن آرایه تطبیقی در زیر نشان داده شده است. نگاهی بیاندازید.
یکی دیگر از روش های دسته بندی آنتن های هوشمند در تعداد ورودی و خروجی هایی است که برای دستگاه استفاده می شود. طبق این طبقه بندی، دسته بندی ها در زیر آورده شده است.
1. SIMO (یک ورودی - چند خروجی)
در این روش از یک آنتن در مبدا و چندین آنتن در مقصد استفاده می شود.
2. MISO (ورودی چندگانه - تک خروجی)
در این روش از چندین آنتن در منبع و تنها یک آنتن در گیرنده استفاده خواهد شد.
3. MIMO (ورودی چندگانه - خروجی چندگانه)
در این روش چندین آنتن هم در مبدا و هم در مقصد استفاده خواهد شد. این کارآمدترین روش در بین همه است. این روش اخیراً مطابق با استاندارد IEEE 802.11n توسعه یافته است. این روش به وضوح از پردازش اطلاعات مکانی پشتیبانی می کند.
مزایا
جداسازی فضایی آنتن‌هایی که استفاده می‌شوند، زمانی که روی تلفن‌های همراه اعمال می‌شود، عملا غیرممکن است. همچنین دستیابی به آن در سیستم های نقطه به نقطه که یک خط دید نزدیک بین فرستنده و گیرنده وجود دارد دشوار است. با استفاده از تنوع پلاریزه می توان از مشکل فوق تا حدی اجتناب کرد. قطبش دوگانه را می توان به راحتی بدون استفاده از جداسازی فضایی تحریک کرد.
تنوع زاویه ای رایج ترین روشی است که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. سیگنال هایی که حداکثر قدرت سیگنال را دارند از چندین پرتو انتخاب می شوند و برای حفظ تنوع استفاده می شوند. اما سود بستگی به گسترش زاویه ای دارد. یعنی اگر اسپرد کم باشد، تنوع هم کم خواهد بود.
موفق باشید.
آنتن های هوشمند که با نام های آنتن های متعدد، آنتن های آرایه تطبیقی و غیره نیز شناخته می شوند برای افزایش کارایی در سیستم های ارتباطی بی سیم دیجیتال استفاده می شود. با بهره گیری از اثر تنوع در فرستنده گیرنده سیستم بی سیم که منبع و مقصد است، کار می کند. اصطلاح اثر تنوع به انتقال و دریافت فرکانس‌های رادیویی متعددی اطلاق می‌شود که برای کاهش خطا در حین ارتباط داده و همچنین افزایش سرعت داده بین منبع و مقصد استفاده می‌شود.
این نوع فناوری قبلاً اهمیت خود را در بیشتر سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم پیدا کرده است، زیرا آرایه‌های آنتن ویژه با الگوریتم‌های پردازش سیگنال استفاده می‌شوند که می‌توانند به راحتی اهداف بی‌سیم مختلف مانند موبایل‌ها را شناسایی و ردیابی کنند. همچنین برای محاسبه بردارهای تشکیل پرتو و جهت رسیدن [DOA] سیگنال استفاده می شود.
تفاوت بین آنتن معمولی و آنتن هوشمند
تفاوت اصلی مربوط به نحوه برخورد هر دو سیستم با مشکلات ناشی از انتشار موج چند مسیره است. هنگامی که یک سیگنال بی سیم به فاصله زیادی ارسال می شود، ممکن است مجبور شود از موانع بسیاری مانند ساختمان های بلند، کوه ها، سیم های برق و غیره عبور کند. بنابراین جبهه امواج این سیگنال ها پراکنده می شوند و مسیرهای متعددی را برای رسیدن به گیرنده طی می کنند. در یک سیستم ارتباطی معمولی وای فای از روشی به نام تک ورودی تک خروجی [SISO] استفاده می شود که یک آنتن به منبع و دیگری به مقصد متصل می شود. وقتی سیگنال‌ها دیر به مقصد می‌رسند، ممکن است کم‌رنگ، قطع شده و همچنین با مشکلات ارتباطی رایج مانند حصار بند برسند. این یکی از مشکلات اساسی یک سیستم SISO است. بنابراین اگر از سیستم SISO در اتصال اینترنت استفاده کنیم، داده ها دیر به دست خواهند آمد و ماهیت آن بسیار اشتباه است. تمام این مشکلات را می توان با کمک آنتن های هوشمند حل کرد.
آنتن هوشمند - توابع
یک آنتن هوشمند عمدتاً دو عملکرد اساسی دارد. در زیر به تفصیل توضیح داده شده اند.
1. برآورد جهت ورود (DOA)
در آنتن‌های هوشمند تکنیک‌های مختلفی مانند MUSIC (طبقه‌بندی سیگنال چندگانه) و تخمین پارامترهای سیگنال از طریق تکنیک‌های تغییر ناپذیری چرخشی (ESPRIT) برای یافتن DOA یک سیگنال استفاده می‌شود. این روش به محاسبات و الگوریتم های زیادی نیاز دارد. حتی روش مداد ماتریسی معمولاً در آرایه های هوشمند برای یافتن DOA استفاده می شود. روش مداد ماتریس معمولاً در سیستم‌های بلادرنگ استفاده می‌شود زیرا نسبت به دو روش دیگر بسیار کارآمد هستند. آنتن مانند یک حسگر عمل می کند که در آن یک طیف فضایی از آرایه انتخاب شده و DOA از قله های این طیف مشخص می شود.
2. روش شکل دهی پرتو
موبایل ها یا اهدافی که قرار است سیگنال ها به آنها ارسال شود ابتدا جستجو می شوند و سپس با افزودن فازهای سیگنال، الگوی تابشی آرایه آنتن ایجاد می شود. در عین حال موبایل هایی که نیازی به سیگنال ندارند از الگو خارج خواهند شد. اگرچه این روش ممکن است کمی پیچیده به نظر برسد، اما می توان آن را به راحتی با کمک یک فیلتر خط تاخیری FIR انجام داد. با توجه به سیگنال استفاده شده، وزن فیلتر FIR نیز می تواند بر این اساس تغییر کند. فیلترها همچنین در ارائه شکل دهی نوری کمک خواهند کرد تا MMSE بین الگوی پرتو واقعی و مورد نظر شکل گرفته کاهش یابد.
انواع آنتن های هوشمند
طبقه بندی آنتن های هوشمند به نوع محیط و نیازهای سیستم بستگی دارد. به طور عمده دو نوع آنتن هوشمند وجود دارد. آن ها هستند
1. آرایه فازی/پرتو هوشمند/آنتن چند پرتو
در این نوع آرایه، تعداد زیادی پرتو ثابت وجود دارد که در میان آنها یک پرتو روشن می شود یا به سمت سیگنال مورد نظر هدایت می شود. این را می توان تنها با کمک تنظیم در فاز انجام داد. به عبارت دیگر، با حرکت هدف مورد نظر، تیر نیز هدایت می شود. شکل یک آنتن آرایه فازی در زیر نشان داده شده است.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
2. آنتن آرایه تطبیقی
در این نوع آنتن ها با توجه به حرکت کاربر مورد نظر و حرکت تداخل در الگوی پرتو تغییر ایجاد می شود. سیگنال‌هایی که دریافت می‌شوند وزن می‌شوند و بعداً ترکیب می‌شوند تا سیگنال مورد نظر را به تداخل علاوه بر نویز و نسبت توان [S/N] افزایش دهند. بنابراین، جهت تداخل متعادل خواهد شد، زیرا سیگنال مورد نظر در جهت پرتو اصلی خواهد بود.
آنتن به راحتی می تواند پرتو اصلی را به هر جهتی هدایت کند و در عین حال سیگنال مزاحم را باطل کند. جهت پرتو را می توان با استفاده از روش DOA محاسبه کرد. شکل یک آنتن آرایه تطبیقی در زیر نشان داده شده است. نگاهی بیاندازید.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
یکی دیگر از روش های دسته بندی آنتن های هوشمند در تعداد ورودی و خروجی هایی است که برای دستگاه استفاده می شود. طبق این طبقه بندی، دسته بندی ها در زیر آورده شده است.
1. SIMO (یک ورودی - چند خروجی)
در این روش از یک آنتن در مبدا و چندین آنتن در مقصد استفاده می شود.
2. MISO (ورودی چندگانه - تک خروجی)
در این روش از چندین آنتن در منبع و تنها یک آنتن در گیرنده استفاده خواهد شد.
3. MIMO (ورودی چندگانه - خروجی چندگانه)
در این روش چندین آنتن هم در مبدا و هم در مقصد استفاده خواهد شد. این کارآمدترین روش در بین همه است. این روش اخیراً مطابق با استاندارد IEEE 802.11n توسعه یافته است. این روش به وضوح از پردازش اطلاعات مکانی پشتیبانی می کند.
مزایا
- هر دو آرایه هوشمند پرتو و تطبیقی بازدهی بالا و در نتیجه قدرت بالایی برای سیگنال مورد نظر ارائه می دهند. هنگامی که تعداد زیادی از عناصر آنتن در فرکانس بالاتر استفاده می شود، آنتن های Beam Smart از پرتوهای مدادی باریک استفاده می کنند. بنابراین بازده بالایی در جهت سیگنال مورد نظر به دست می آید. اگر تعداد ثابتی از المان‌های آنتن استفاده شود، به همان میزان افزایش توان با کمک آنتن‌های آرایه تطبیقی تولید می‌شود.
- مزیت دیگر در میزان تداخلی است که سرکوب می شود. آنتن های هوشمند پرتو آن را با پرتو باریک سرکوب می کنند و آنتن های آرایه تطبیقی با تنظیم الگوی پرتو تداخل را سرکوب می کنند.
- هزینه
- اندازه
- تنوع
جداسازی فضایی آنتن‌هایی که استفاده می‌شوند، زمانی که روی تلفن‌های همراه اعمال می‌شود، عملا غیرممکن است. همچنین دستیابی به آن در سیستم های نقطه به نقطه که یک خط دید نزدیک بین فرستنده و گیرنده وجود دارد دشوار است. با استفاده از تنوع پلاریزه می توان از مشکل فوق تا حدی اجتناب کرد. قطبش دوگانه را می توان به راحتی بدون استفاده از جداسازی فضایی تحریک کرد.
تنوع زاویه ای رایج ترین روشی است که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. سیگنال هایی که حداکثر قدرت سیگنال را دارند از چندین پرتو انتخاب می شوند و برای حفظ تنوع استفاده می شوند. اما سود بستگی به گسترش زاویه ای دارد. یعنی اگر اسپرد کم باشد، تنوع هم کم خواهد بود.
موفق باشید.