Réseaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)

Bonne journée.

Au cours des derniÚres années, j'ai consacré mes efforts à la recherche et à la création de divers algorithmes de traitement spatial du signal dans les réseaux d'antennes adaptatives, et je continue à le faire dans le cadre de mon travail actuel. Ici, je voudrais partager les connaissances et les astuces que j'ai découvertes. J'espÚre que cela sera utile aux personnes qui commencent à explorer ce domaine du traitement du signal ou qui s'y intéressent simplement.

Qu'est-ce qu'un réseau d'antennes adaptatif ?

Un rĂ©seau d'antennes est un ensemble d'Ă©lĂ©ments d'antennes, disposĂ©s de maniĂšre spĂ©cifique dans l'espace. Pour simplifier, la structure d'un rĂ©seau d'antennes adaptatives que nous allons considĂ©rer peut ĂȘtre reprĂ©sentĂ©e comme suit :
Réseaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)

Les rĂ©seaux d'antennes adaptatives sont souvent appelĂ©s "antennes intelligentes" (Smart antenna). Ce qui rend un rĂ©seau d'antennes "intelligent", c'est le bloc de traitement spatial du signal et les algorithmes qui y sont implĂ©mentĂ©s. Ces algorithmes analysent le signal reçu et forment un ensemble de coefficients de pondĂ©ration $inline$w_1
w_N$inline$, qui dĂ©terminent l'amplitude et la phase initiale du signal pour chacun des Ă©lĂ©ments. La rĂ©partition d'amplitude et de phase spĂ©cifiĂ©e dĂ©termine le diagramme de rayonnement de l'ensemble du rĂ©seau. La capacitĂ© Ă  synthĂ©tiser un diagramme de rayonnement de forme nĂ©cessaire et Ă  le modifier lors du traitement du signal est l'une des principales caractĂ©ristiques des rĂ©seaux d'antennes adaptatives, permettant de rĂ©soudre un large spectre de tĂąches. Mais revenons Ă  l'essentiel.

Comment se forme le diagramme de rayonnement ?

Le diagramme de rayonnement caractĂ©rise la puissance du signal Ă©mis dans une certaine direction. Pour simplifier, posons que les Ă©lĂ©ments du rĂ©seau sont isotropes, c'est-Ă -dire que pour chacun d'eux, la puissance du signal Ă©mis ne dĂ©pend pas de la direction. Le renforcement ou l'affaiblissement de la puissance Ă©mise par le rĂ©seau dans une certaine direction rĂ©sulte de l'interfĂ©rence des ondes Ă©lectromagnĂ©tiques Ă©mises par diffĂ©rents Ă©lĂ©ments du rĂ©seau d'antennes. Un schĂ©ma d'interfĂ©rence stable pour les ondes Ă©lectromagnĂ©tiques n'est possible que si elles sont cohĂ©rentes, c'est-Ă -dire que la diffĂ©rence de phase des signaux ne doit pas changer dans le temps. Dans un cas idĂ©al, chacun des Ă©lĂ©ments du rĂ©seau d'antennes doit Ă©mettre un signal harmonique Ă  la mĂȘme frĂ©quence porteuse $inline$f_{0}$inline$. Cependant, en pratique, nous devons travailler avec des signaux Ă©troits ayant un spectre de largeur finie $inline$Delta f << f_{0}$inline$.
ConsidĂ©rons que tous les Ă©lĂ©ments de l'array rayonnent le mĂȘme signal avec une amplitude complexe $inline$x_n(t)=u(t)$inline$. Alors Ă  un rĂ©cepteur le signal reçu de l'Ă©lĂ©ment n peut ĂȘtre reprĂ©sentĂ© sous sa forme analytique :

$$display$$a_n(t) = u(t-tau_n)e^{i2pi f_0(t-tau_n)}$$display$$

oĂč $inline$tau_n$inline$ est le retard dans la propagation du signal de l'Ă©lĂ©ment d'antenne au point de rĂ©ception.
Ce signal est « quasi-harmonique », et pour satisfaire la condition de cohĂ©rence, il est nĂ©cessaire que le retard maximal dans la propagation des EMW entre deux Ă©lĂ©ments soit bien infĂ©rieur au temps caractĂ©ristique du changement de l'enveloppe du signal $inline$T$inline$, c'est-Ă -dire $inline$u(t-tau_n) ≈ u(t-tau_m)$inline$. Ainsi, la condition de cohĂ©rence pour un signal Ă©troit peut ĂȘtre formulĂ©e comme suit :

$$display$$T≈frac{1}{Delta f}>>frac{D_{max}}{c}=max(tau_k-tau_m) $$display$$

oĂč $inline$D_{max}$inline$ est la distance maximale entre les Ă©lĂ©ments de l'array, et $inline$c$inline$ est la vitesse de la lumiĂšre.

Lors de la réception du signal, la sommation cohérente est effectuée numériquement dans le bloc de traitement spatial. Dans ce cas, la valeur complexe du signal numérique à la sortie de ce bloc est déterminée par l'expression :

$$display$$y=sum_{n=1}^Nw_n^*x_n$$display$$

La derniÚre expression est plus commode à représenter sous la forme du produit scalaire de vecteurs complexes N-dimensionnels sous forme matricielle :

$$display$$y=(textbf{w},textbf{x})=textbf{w}^Htextbf{x}$$display$$

oĂč w et x — oĂč les vecteurs sont en colonnes, et $inline$(.)^H$inline$ est l'opĂ©ration de conjugaison hermitienne..

La représentation vectorielle des signaux est l'une des bases dans le travail avec des matrices d'antennes, car elle permet souvent d'éviter des calculs mathématiques complexes. De plus, l'identification du signal reçu à un moment donné avec un vecteur permet souvent de s'abstraire du systÚme physique réel et de comprendre ce qui se passe d'un point de vue géométrique.

Pour calculer le diagramme de rayonnement de l'array d'antennes, il est nĂ©cessaire de "lancer" mentalement et successivement un ensemble d'ondes planes provenant de toutes les directions possibles. Dans ce cas, les valeurs des Ă©lĂ©ments du vecteur x peuvent ĂȘtre reprĂ©sentĂ©es sous la forme suivante :

$$display$$x_n=s_n=exp{-i(textbf{k}(phi,theta),textbf{r}_n)}$$display$$

oĂč k – vecteur d'onde, $inline$phi$inline$ et $inline$theta$inline$ – angle azimutal et angle d'Ă©lĂ©vation, caractĂ©risant la direction d'arrivĂ©e d'une onde plane, $inline$textbf{r}_n$inline$ – coordonnĂ©e de l'Ă©lĂ©ment d'antenne, $inline$s_n$inline$ – Ă©lĂ©ment du vecteur de phase s onde plane avec vecteur d'onde k (dans la littĂ©rature anglophone, le vecteur de phase est appelĂ© steerage vector). La dĂ©pendance du carrĂ© de l'amplitude par rapport Ă  $inline$phi$inline$ et $inline$theta$inline$ dĂ©termine le diagramme de directivitĂ© de la grille d'antenne pour la rĂ©ception avec un vecteur de coefficients de pondĂ©ration donnĂ© y CaractĂ©ristiques du diagramme de directivitĂ© de la grille d'antenne w.

Il est pratique d'étudier les propriétés générales du diagramme de directivité des grilles d'antennes sur une grille d'antennes équidistante linéaire dans le plan horizontal (c'est-à-dire que la directivité dépend uniquement de l'angle azimutal $inline$phi$inline$). C'est pratique pour deux raisons : les calculs analytiques et la représentation visuelle.

Calculons la directivité pour un vecteur de poids unitaire ($inline$w_n=1, n = 1 
 N$inline$), en suivant l'approche décrite

. supérieur Les mathématiques ici
Projections du vecteur d'onde sur l'axe vertical : $inline$k_v=-frac{2pi}{lambda}sinphi$inline$Réseaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)
Coordonnée verticale de l'élément d'antenne avec l'indice n : $inline$r_{nv}=(n-1)d$inline$
– pĂ©riode de la grille d'antenne (distance entre les Ă©lĂ©ments adjacents),
Ici d λ — longueur d'onde. Tous les autres Ă©lĂ©ments du vecteur sont Ă©gaux Ă  zĂ©ro. r Le signal reçu par la grille d'antenne s'exprime comme suit :
$$display$$y=sum_{n=1}^{N}1 ⋅exp{i2pi nfrac{d}{lambda}sinphi}$$display$$

Appliquons la formule pour

la somme d'une progression géométrique représentation des fonctions trigonométriques par des exponentielles complexes et $$display$$y=frac{1-exp{i2pi Nfrac{d}{lambda}sinphi}}{1-exp{i2pi frac{d}{lambda}sinphi}}=frac{sin(pi frac{Nd}{lambda}sinphi)}{sin(pi frac{d}{lambda}sinphi)}exp{ipi frac{d(N-1)}{lambda}sinphi}$$display$$ :

$$display$$F(phi)=|y|^2=frac{sin^2(pi frac{Nd}{lambda}sinphi)}{sin^2(pi frac{d}{lambda}sinphi)} $$display$$


Nous obtiendrons :

La périodicité du diagramme de directivité

Le diagramme de directivité obtenu de la grille d'antenne est une fonction périodique du sinus de l'angle. Cela signifie qu'à certaines valeurs du rapport

d/λ il possÚde des maxima de diffraction (supplémentaires). Le diagramme de directivité non normalisé de la grille d'antenne pour N = 5
Réseaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)Le diagramme de directivité normalisé de la grille d'antenne pour N = 5 dans le systÚme de coordonnées polaires
RĂ©seaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)La position des « diffracteurs » peut ĂȘtre vue directement Ă  partir de

la formule formules pour le diagramme de rayonnement. Cependant, nous allons essayer de comprendre d'oĂč ils proviennent physiquement et gĂ©omĂ©triquement (dans un espace N-dimensionnel).

ÉlĂ©ments de phase vecteurs s sont des exponentielles complexes $inline$e^{iPsi n}$inline$, dont les valeurs sont dĂ©terminĂ©es par la taille de l'angle gĂ©nĂ©ralisĂ© $inline$Psi = 2pi frac{d}{lambda}sinphi$inline$. S'il existe deux angles gĂ©nĂ©ralisĂ©s correspondant Ă  diffĂ©rentes directions d'arrivĂ©e d'une onde plane, pour lesquels $inline$Psi_1 = Psi_2 + 2pi m$inline$, cela signifie deux choses :

  • Physiquement : les fronts d'onde planes arrivant de ces directions induisent sur les Ă©lĂ©ments de la grille d'antenne des distributions identiques d'amplitude et de phase des oscillations Ă©lectromagnĂ©tiques.
  • GĂ©omĂ©triquement : les vecteurs de phase pour ces deux directions coĂŻncident.

Les directions d'arrivée de l'onde liées de cette maniÚre sont équivalentes et indiscernables d'un point de vue de la grille d'antenne.

Comment déterminer la zone des angles qui contient toujours un seul maximum principal du diagramme de rayonnement ? Nous allons le faire dans les environs du zéro azimut, à partir des considérations suivantes : la taille du déphasage entre deux éléments voisins doit se situer dans l'intervalle de $inline$-pi$inline$ à $inline$pi$inline$.

$$display$$-pi<2pifrac{d}{lambda}sinphi<pi$$display$$

En résolvant cette inégalité, nous obtenons la condition sur la zone d'unicité autour de zéro :

$$display$$|sinphi|<frac{lambda}{2d}$$display$$

Il est clair que la taille de la zone d'unicitĂ© par rapport Ă  l'angle dĂ©pend du rapport il possĂšde des maxima de diffraction (supplĂ©mentaires).. Si d = 0.5— longueur d'onde. Tous les autres Ă©lĂ©ments du vecteur, chaque direction d'arrivĂ©e du signal est « individuelle », et la zone d'unicitĂ© couvre la gamme complĂšte des angles. Si cependant d = 2.0— longueur d'onde. Tous les autres Ă©lĂ©ments du vecteur, alors les directions 0, ±30, ±90 sont Ă©quivalentes. Des lobes de diffraction apparaissent sur le diagramme de rayonnement.

En gĂ©nĂ©ral, les lobes de diffraction tendent Ă  ĂȘtre supprimĂ©s par des Ă©lĂ©ments d'antenne directionnels. Dans ce cas, le diagramme de rayonnement complet de la grille d'antenne est le produit du diagramme de rayonnement d'un Ă©lĂ©ment et de la grille d'Ă©lĂ©ments isotropes. Les paramĂštres du diagramme de rayonnement d'un Ă©lĂ©ment sont gĂ©nĂ©ralement choisis en fonction de la condition sur la zone d'unicitĂ© de la grille d'antenne.

La largeur du lobe principal

est bien connue Formule d'ingĂ©nieur pour Ă©valuer la largeur du lobe principal d'un systĂšme d'antenne : $inline$Delta phi ≈ frac{lambda}{D}$inline$, oĂč D est la taille caractĂ©ristique de l'antenne. Cette formule est utilisĂ©e pour diffĂ©rents types d'antennes, y compris les antennes paraboliques. Nous allons montrer qu'elle est Ă©galement valable pour les rĂ©seaux d'antennes.

Définissons la largeur du lobe principal par les premiers zéros de la directivité dans les environs du maximum principal. Numérateur de l'expression pour $inline$F(phi)$inline$ tend à zéro lorsque $inline$sinphi=mfrac{lambda}{dN}$inline$. Les premiers zéros correspondent à m = ±1. En supposant $inline$frac{lambda}{dN}<<1$inline$, nous obtenons $inline$Delta phi = 2frac{lambda}{dN}$inline$.

En général, la largeur de la directivité AR est définie par le niveau de demi-puissance (-3 dB). Dans ce cas, on utilise l'expression :

$$display$$Delta phi≈0.88frac{lambda}{dN}$$display$$

ExempleRéseaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)

On peut contrÎler la largeur du lobe principal en assignant différentes valeurs d'amplitude aux coefficients de poids du réseau d'antennes. Considérons trois distributions :

  • Distribution uniforme de l'amplitude (poids 1) : $inline$w_n=1$inline$.
  • Valeurs d'amplitude dĂ©croissantes aux bords du rĂ©seau (poids 2) : $inline$w_n=0.5+0.3cos(2pifrac{n-1}{N}-pifrac{N-1}{N})$inline$
  • Valeurs d'amplitude croissantes aux bords du rĂ©seau (poids 3) : $inline$w_n=0.5-0.3cos(2pifrac{n-1}{N}-pifrac{N-1}{N})$inline$

Le graphique montre les diagrammes de directivité normalisés en échelle logarithmique :Réseaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)
Du graphique, on peut observer les tendances suivantes : la distribution d'amplitude dĂ©croissante aux bords du rĂ©seau entraĂźne un Ă©largissement du lobe principal de la directivitĂ©, mais une diminution du niveau des lobes secondaires. À l'inverse, des valeurs d'amplitude croissantes aux bords du rĂ©seau d'antennes conduisent Ă  un rĂ©trĂ©cissement du lobe principal et Ă  une augmentation du niveau des lobes secondaires. Il est utile d'examiner les cas limites :

  1. Les amplitudes des coefficients de poids de tous les Ă©lĂ©ments, Ă  l'exception des extrĂȘmes, sont Ă©gales Ă  zĂ©ro. Les poids pour les Ă©lĂ©ments extrĂȘmes sont Ă©gaux Ă  un. Dans ce cas, le rĂ©seau devient Ă©quivalent Ă  une antenne AR Ă  deux Ă©lĂ©ments avec une pĂ©riode D = (N-1)d. Il n'est pas difficile d'estimer la largeur du lobe principal Ă  partir de la formule prĂ©sentĂ©e ci-dessus. Dans ce cas, les lobes secondaires deviendront des maxima de diffraction et s'aligneront au mĂȘme niveau que le maximum principal.
  2. Le poids de l'élément central est égal à un, et celui de tous les autres est nul. Dans ce cas, nous avons en fait une seule antenne avec un diagramme de directivité isotrope.

Direction du maximum principal

Alors, nous avons examinĂ© comment rĂ©gler la largeur du lobe principal de la diagramme de rayonnement (DNR). Voyons maintenant comment diriger la direction. Rappelons-nous l'expression vectorielle pour le signal reçu. Supposons que nous souhaitons que le maximum de la diagramme de rayonnement soit orientĂ© dans une certaine direction $inline$phi_0$inline$. Cela signifie que c'est Ă  partir de cette direction que la puissance maximale doit ĂȘtre reçue. Cette direction correspond au vecteur de phase $inline$textbf{s}(phi_0)$inline$ dans N-espace vectoriel dimensionnel, et la puissance reçue est dĂ©finie comme le carrĂ© du produit scalaire de ce vecteur de phase avec le vecteur des coefficients de poids w. Le produit scalaire de deux vecteurs est maximal lorsqu'ils sont colinĂ©aires, c'est-Ă -dire $inline$textbf{w}=beta textbf{s}(phi_0)$inline$, oĂč ÎČ est un certain facteur de normalisation. Ainsi, si nous choisissons un vecteur de poids Ă©gal au vecteur de phase pour la direction requise, nous orienterons le maximum de la diagramme de rayonnement.
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Prenons comme exemple les coefficients de poids suivants : $inline$textbf{w}=textbf{s}(10°)$inline$

$$display$$w_n=exp{i2pifrac{d}{lambda}(n-1)sin(10pi/180)}$$display$$

Nous obtiendrons ainsi une diagramme de rayonnement avec un maximum principal dans la direction de 10°.

Maintenant, appliquons les mĂȘmes coefficients de poids, mais non pas pour recevoir un signal, mais pour transmettre. Ici, il convient de noter qu'en transmettant le signal, la direction du vecteur d'onde change de direction. Cela signifie que les Ă©lĂ©ments du vecteur de phase pour la rĂ©ception et la transmission diffĂšrent par le signe dans l'exposant, c'est-Ă -dire sont liĂ©s par un conjugĂ© complexe. En consĂ©quence, nous obtiendrons un maximum de la diagramme de rayonnement lors de la transmission dans la direction -10°, ce qui ne coĂŻncide pas avec le maximum de la DNR lors de la rĂ©ception avec les mĂȘmes coefficients de poids. Pour corriger cette situation, il est nĂ©cessaire d'appliquer le conjugĂ© complexe Ă©galement aux coefficients de poids.
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Il est toujours important de garder à l'esprit cette particularité de la formation de la DNR à la réception et à la transmission lors du travail avec des réseaux d'antennes.

Jouons avec la diagramme de rayonnement

Plusieurs maxima

Formulons la tùche de créer deux maxima principaux de la diagramme de rayonnement dans les directions : -5° et 10°. Pour cela, choisissons comme vecteur de poids une somme pondérée des vecteurs de phase pour les directions correspondantes.

$$display$$textbf{w} = betatextbf{s}(10°)+(1-beta)textbf{s}(-5°)$$display$$

RĂ©seaux d'antennes adaptatives : comment ça fonctionne ? (Fondamentaux)En ajustant le coefficient ÎČ , on peut rĂ©guler le rapport entre les lobes principaux. Il est Ă  nouveau pratique d'examiner ce qui se passe dans l'espace vectoriel. Si ÎČ plus de 0,5, alors le vecteur des coefficients de poids est plus proche de s(10°), sinon de s(-5°). Plus le vecteur de poids est proche de l'un des vecteurs phasors, plus le produit scalaire correspondant est Ă©levĂ©, et donc la magnitude du maximum de la directivitĂ©.
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Cependant, il convient de prendre en compte que les deux lobes principaux ont une largeur finie, et si nous voulons nous aligner sur deux directions proches, ces lobes fusionneront en un seul, orienté dans une direction moyenne.

Un maximum et zéro

Nous allons maintenant essayer d'ajuster le maximum de la diagramme de directivité à une direction $inline$phi_1=10°$inline$ tout en supprimant le signal venant de la direction $inline$phi_2=-5°$inline$. Pour cela, il est nécessaire de définir zéro de la directivité pour l'angle correspondant. On peut procéder comme suit :

$$display$$textbf{w}=textbf{s}_1-frac{textbf{s}_2^Htextbf{s}_1}{N}textbf{s}_2$$display$$

oĂč $inline$textbf{s}_1 = textbf{s}(10°)$inline$, et $inline$textbf{s}_2 = textbf{s}(-5°)$inline$.
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Le sens gĂ©omĂ©trique du choix du vecteur de poids est le suivant. Nous voulons que ce vecteur w ait la projection maximale sur $inline$textbf{s}_1$inline$ et soit orthogonal au vecteur $inline$textbf{s}_2$inline$. Le vecteur $inline$textbf{s}_1$inline$ peut ĂȘtre reprĂ©sentĂ© sous forme de deux termes : un vecteur colinĂ©aire de $inline$textbf{s}_2$inline$ et un vecteur orthogonal Ă  $inline$textbf{s}_2$inline$. Pour satisfaire la tĂąche, il est nĂ©cessaire de choisir le deuxiĂšme composant comme vecteur de coefficients de poids w. On peut calculer la composante colinĂ©aire en projetant le vecteur $inline$textbf{s}_1$inline$ sur le vecteur normalisĂ© $inline$frac{textbf{s}_2}{sqrt{N}}$inline$ Ă  l'aide du produit scalaire.

$$display$$textbf{s}_{1||}=frac{textbf{s}_2}{sqrt{N}}frac{textbf{s}_2^Htextbf{s}_1}{sqrt{N}}$$display$$

Par conséquent, en soustrayant de notre vecteur de phase initial $inline$textbf{s}_1$inline$ sa composante colinéaire, nous obtenons le vecteur de poids recherché.
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Quelques remarques supplémentaires

  1. Partout ci-dessus, j'ai omis la question de la normalisation du vecteur de poids, c'est-à-dire de sa longueur. Ainsi, la normalisation du vecteur de poids n'influence pas les caractéristiques du diagramme de rayonnement de la matrice d'antennes : la direction du maximum principal, la largeur du lobe principal, etc. Il est également possible de montrer que cette normalisation n'influence pas non plus la SSF à la sortie du bloc de traitement spatial. Par conséquent, lors de l'examen des algorithmes de traitement spatial du signal, j'accepte généralement une normalisation unitaire du vecteur de poids, c'est-à-dire $inline$textbf{w}^Htextbf{w}=1$inline$
  2. Les capacités de formation du diagramme de rayonnement de la matrice d'antennes sont déterminées par le nombre d'éléments N. Plus il y a d'éléments, plus les possibilités sont vastes. Il y a plus de degrés de liberté pour réaliser le traitement spatial des poids, plus d'options pour "faire tourner" le vecteur de poids dans l'espace N-dimensionnel.
  3. Lors de la réception, le diagramme de rayonnement de la matrice d'antennes n'existe pas physiquement, mais tout cela n'existe que dans l'"imagination" du bloc de calcul qui traite le signal. Cela signifie qu'il est possible de synthétiser plusieurs diagrammes de rayonnement à un moment donné et de mener un traitement indépendant des signaux provenant de différentes directions. Dans le cas de la transmission, c'est un peu plus compliqué, mais il existe également la possibilité de synthétiser plusieurs diagrammes de rayonnement pour transmettre différents flux de données. Cette technologie dans les systÚmes de communication est appelée MIMO.
  4. Avec le code MATLAB prĂ©sentĂ©, on peut s'amuser Ă  manipuler le diagramme de rayonnement par soi-mĂȘme.
    Code
    % paramĂštres de la matrice d'antennes
    N = 10;             % nombre d'éléments
    d = 0,5;           % période de la matrice d'antennes
    wLength = 1;       % longueur d'onde
    mode = 'récepteur';  % récepteur ou émetteur
    
    % poids de la matrice d'antennes
    w = ones(N,1);    
    % w = 0,5 + 0,3*cos(2*pi*((0:N-1)-0,5*(N-1))\/N).';
    % w = 0,5 - 0,3*cos(2*pi*((0:N-1)-0,5*(N-1))\/N).';
    % w = exp(2i*pi*d\/wLength*sin(10\/180*pi)*(0:N-1)).';
    % b = 0,5; w = b*exp(2i*pi*d\/wLength*sin(+10\/180*pi)*(0:N-1)).' + (1-b)*exp(2i*pi*d\/wLength*sin(-5\/180*pi)*(0:N-1)).';
    % b = 0,5; w = b*exp(2i*pi*d\/wLength*sin(+3\/180*pi)*(0:N-1)).' + (1-b)*exp(2i*pi*d\/wLength*sin(-3\/180*pi)*(0:N-1)).';
    
    % s1 = exp(2i*pi*d\/wLength*sin(10\/180*pi)*(0:N-1)).';
    % s2 = exp(2i*pi*d\/wLength*sin(-5\/180*pi)*(0:N-1)).';
    % w = s1 - (1\/N)*s2*s2'*s1;
    % w = s1;
    
    % normaliser les poids
    w = w.\/sqrt(sum(abs(w).^2));
    
    % ensemble de valeurs d'angle pour calculer le motif
    angGrid_deg = (-90:0,5:90);
    
    % convertir les degrés en radians
    angGrid = angGrid_deg * pi \/ 180;
    % calculer l'ensemble des vecteurs de direction pour la grille d'angle
    switch (mode)
        case 'récepteur'
            s = exp(2i*pi*d\/wLength*bsxfun(@times,(0:N-1)',sin(angGrid)));
        case 'émetteur'
            s = exp(-2i*pi*d\/wLength*bsxfun(@times,(0:N-1)',sin(angGrid)));
    end
    
    % calculer le motif
    y = (abs(w'*s)).^2;
    
    % échelle linéaire
    plot(angGrid_deg,y\/max(y));
    grid on;
    xlim([-90 90]);
    
    % échelle logarithmique
    % plot(angGrid_deg,10*log10(y\/max(y)));
    % grid on;
    % xlim([-90 90]);

Quelles tĂąches peuvent ĂȘtre rĂ©solues Ă  l'aide d'un rĂ©seau d'antennes adaptatif ?

Réception optimale d'un signal inconnuSi la direction d'arrivée du signal est inconnue (et si le canal de communication est multipath, il peut y avoir plusieurs directions), il est possible d'analyser le signal reçu par le réseau d'antennes pour former un vecteur de poids optimal w de sorte que le SNR à la sortie du bloc de traitement spatial soit maximal.

Réception optimale d'un signal dans un environnement bruitéIci, le problÚme est posé comme suit : les paramÚtres spaciaux du signal utile attendu sont connus, mais il existe des sources de bruit dans l'environnement extérieur. Il est nécessaire de maximiser le SNR à la sortie de l'AR, tout en réduisant au minimum l'impact des interférences sur la réception du signal.

Transmission optimale du signal à l'utilisateurCe problÚme est résolu dans les systÚmes de communication mobile (4G, 5G), ainsi que dans le Wi-Fi. Le principe est simple : grùce à des signaux pilotes spéciaux dans le canal de retour de l'utilisateur, des évaluations des caractéristiques spatiales du canal de communication sont réalisées, et sur cette base, un vecteur de coefficients de poids optimal pour la transmission est sélectionné.

Multiplexage spatial des flux de donnĂ©esLes rĂ©seaux d'antennes adaptatifs permettent de transmettre des donnĂ©es Ă  plusieurs utilisateurs en mĂȘme temps sur la mĂȘme frĂ©quence, en formant pour chacun d'eux un diagramme de rayonnement individuel. Cette technologie s'appelle MU-MIMO et est actuellement mise en Ɠuvre (et dĂ©jĂ  dans certaines rĂ©gions) dans les systĂšmes de communication. La possibilitĂ© de multiplexage spatial est prĂ©vue, par exemple, dans la norme de communication mobile 4G LTE, dans la norme Wi-Fi IEEE802.11ay et dans les normes de communication mobile 5G.

Antenne virtuelle pour radarsLes réseaux d'antennes numériques permettent de former un réseau d'antennes virtuel de dimensions significativement plus grandes à l'aide de plusieurs éléments d'antenne émetteurs pour le traitement du signal. Le réseau virtuel possÚde toutes les caractéristiques d'un réseau réel, mais nécessite moins de ressources matérielles pour sa réalisation.

Évaluation des paramĂštres des sources d'Ă©missionLes rĂ©seaux d'antennes adaptatifs permettent de rĂ©soudre le problĂšme de l'Ă©valuation du nombre, de la puissance, des coordonnĂ©es angulaires des sources de rayonnement radio, Ă©tablir un lien statistique entre les signaux de diffĂ©rentes sources. Le principal atout des rĂ©seaux d'antennes adaptatives Ă  cet Ă©gard est leur capacitĂ© Ă  rĂ©soudre les sources d'Ă©mission proches. Les sources, dont l'angle entre elles est infĂ©rieur Ă  la largeur du lobe principal du diagramme de rayonnement du rĂ©seau d'antennes (limite de rĂ©solution de Rayleigh). Cela est principalement possible grĂące Ă  la reprĂ©sentation vectorielle du signal, Ă  un modĂšle de signal connu, ainsi qu'Ă  l'appareil de mathĂ©matiques linĂ©aires.

Merci de votre attention

Source : habr.com

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