دانشگاه آزاد اسلامي
واحد تهران جنوب
دانشکده تحصيلات تکميلي
پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد “.M.Sc”
مهندسي برق-مخابرات
عنوان :
بهنگامسازي ضرايب وزني آنتن هاي هوشمند با استفاده از تخمين زاويه ورود و جهت
حرکت
استاد راهنما:
جناب آقاي دکترشهريار شيرواني مقدم
استاد مشاور:
جناب آقاي دکتر منصور شيخان
نگارش :
روح اله کلامي راد
بهمن 1388
أ
ب
ج
سپاسگزاري
حمد و ستايش بي قياس خداي را سزاست که از الطاف خود در انسان دميد و او را اشرف مخلوق?ات خود قرار داد. حال ک?ه ب?ه لط?ف او توفي?ق تح?صيل عل?م و ک?سب دان?ش را پي?دا نم?ودم، از خداون?د متع?ال مي خواهم که قدمهايم را در راه خدمت به جامعه استوار گرداند تا بتوانم از آنچه در اين سالها آموختهام در م??سير پي??شرفت و آب??اداني ک??شور عزي??زم اس??تفاده نم??ايم . در پاي??ان برخ??ود لازم م??يدان??م از اس??اتيد
بزرگوار:
جناب آقاي دکتر منصور شيخان که در پيشرفت پروژه از راهنماييهاي ارزشمندشان اس?تفاده ش?د و به ويژه از جن?اب آق?اي دکت?ر ش?هريار ش?يرواني مق?دم ک?ه در نهاي?ت ص?بر و حوص?له و دل?سوزانه کلي?هي مراحل پروژه و جزئيات را برنامهريزي و هدايت نمودند، تشکر نمايم .
د
تقديم به :
همسر عزيزم که حمايت هاي او همواره پشتوانهام بوده است .
ه
فهرست مطالب
عنوان مطالب شماره صفحه
چکيده 1
مقدمه 2
فصل اول: مخابرات بي سيم و جايگاه آنتن هاي هوشمند ?
1-1 مقدمه 7
1-2 فيدينگ و تقسيم بندي آن 7
1-3 سيستم هاي آنتن هوشمند 9
1-3-1 آنتن آرايهاي 10
1-3-2 آنتن هوشمند 1?
1-3-3 اساس عملکرد سيستم آنتن هوشمند 1?
1-3-? انواع سيستم هاي آنتن هوشمند 17
1-3-?-1 سيستم آنتني با پرتو سوئيچ شده 17
1-3-?-2 سيستم آرايه تطبيقي 18
1-3-? روند تکامل فناوري آنتن هاي هوشمند 19
1-3-? کاربردهاي آنتن هوشمند 20
1-3-7 مزاياي استفاده از آنتن هاي هوشمند 21
1-3-8 معايب استفاده از آنتن هاي هوشمند 2?
فصل دوم: الگوريتم هاي شکل دهي تطبيقي آرايههاي آنتني 2?
2-1 معيارهاي بهينهسازي وزنهاي آرايه 2?
2-1-1 معيار MMSE 2?
2-1-2 معيار Max SIR 29
2-1-3 معيار LCMV 30
2-1-? ارتباط بين معيارهاي مختلف 32
2-2 الگوريتم هاي تطبيقي 33
2-2-1 الگوريتم هاي تطبيقي مبتني بر رشتهي آموزشي 3?
2-2-1-1 الگوريتم LMS 3?
2-2-1-2 الگوريتم DSMI 37
2-2-1-3 الگوريتم RLS 38
و
2-2-1-? الگوريتم گوس 39
2-2-2 الگوريتم هاي تطبيقي کور ?0
2-2-2-1 الگوريتم CM ?2
2-2-2-2 الگوريتم DD ??
2-2-2-3 الگوريتم هاي ايستاندوري ??
2-3 مقايسه الگوريتم هاي تطبيقي ??
2-3-1 مقايسه الگوريتم هاي تطبيقي مبتني بر رشتهي آموزشي ??
2-3-2 مقايسه الگوريتم هاي تطبيقي کور ?7
فصل سوم: روش هاي تخمين جهت ورود سيگنال ?9
3-1 مقدمه ?0
3-2 روشهاي تخمين طيفي ?1
3-2-1 روش بارتلت ?1
3-2-2 روش حداقل واريانس يا Capon ?1
3-2-3 روش تأخير و جمع ?2
3-2-? روش پيش بيني خطي ?3
3-2-? روش حداکثر آنتروپي ?3
3-2-? روش بيشينه درست نمايي ??
3-3 روشهاي تخمين مبتني بر ساختار ويژه ??
3-3-1 الگوريتم MUSIC ??
3-3-2 الگوريتم Beamspace MUSIC ??
3-3-3 الگوريتم Root- MUSIC ?7
3-3-? الگوريتم Unitary Circular Root-MUSIC ?7
3-3-? الگوريتم Minimum Norm ?7
3-3-? الگوريتم ESPRIT ?8
3-3-7 ساير الگوريتم ها ?9
3-? بررسي عملکرد و مقايسه الگوريتم ها و روش ها ?0
3-?-1 روش بارتلت ?0
3-?-2 روش تأخير و جمع ?0
3-?-3 روش Capon ?0
ز
3-?-? روش پيش بيني خطي ?1
3-?-? روش MUSIC ?1
3-?-? روش ESPRIT ?1
3-?-7 خلاصه عملکردي الگوريتم هاي مختلف ?2
فصل چهارم : شبيهسازي الگوريتم هاي MUSIC،LMS و CM ??
?-1 مقدمه ?7
?-2 تخمين زاويه ورود به آرايه با استفاده از الگوريتم MUSIC ?7
?-2-1 شبيهسازي الگوريتم MUSIC ?7
?-3 شبيهسازي الگوريتم هاي وزندهي عناصر آرايه 70
?-3-1 الگوريتم وزن دهي عناصر به روش LMS 71
?-3-1-1 شبيهسازي الگوريتم LMS 71
?-3-2 الگوريتم وزندهي عناصر به روش CM 78
?-3-2-1 شبيهسازي الگوريتم CM 79
فس?اصزل يپ?آننجهام : روشه?اي پي?شنهادي مبتن?ي ب?ر جه?ت و س?رعت حرک?ت و نت?ايج ش?بيه 87
?-1 مقدمه 88
?-2 تخمين وزنهاي آرايه بر اساس جهت و سرعت حرکت منبع 88
?ح-ر2ک-ت 1منشببع يهسازي الگوريتم تخمين وزنهاي آرايه مبتن?ي ب?ر جه?ت و س?رعت 90
?-2-1-1 شبيهسازي روش پيشنهادي با استفاده از الگوريتم LMS 91
?-2-1-2 شبيهسازي روش پيشنهادي با استفاده از الگوريتم CM 93
?-3 روشي با پيچيدگي ک?اهش يافت?ه در ش?کل ده?ي تطبيق?ي الگ?وي تشع?شعي 9? آرايهي آنتني (تخمين وزنهاي مؤثر)
ت?ش-ع3ش-ع1 شآربياهيهسيازآنينريو(تشخبماين پيچويزدنگيهايکاهمؤش ري)افته در شکل دهي تطبيق?ي الگ?وي 97
ح
?-3-1-1 ش??بيه س??ازي روش تخم??ين وزنه??اي م??ؤثر ب??ا اس??تفاده از الگ??وريتم 98
LMS
?-3-1-2 ش??بيه س??ازي روش تخم??ين وزنه??اي م??ؤثر ب??ا اس??تفاده از الگ??وريتم 107
CM
فصل ششم : نتيجهگيري نهايي و پيشنهادها 120
?-1 نتيجه گيري نهايي 121
?-2 پيشنهادها 12?
پيوست 127
برنامههاي نرمافزاري در محيط MATLAB 128
پ1.برنامه نرمافزاري الگوريتم MUSIC 128
پ2.برنامههاي نرمافزاري الگوريتم هاي LMS و CM 131
پ2-1.برنامه نرمافزاري الگوريتم LMS 131
پ2-2. برنامه نرمافزاري الگوريتم CM 13?
پ3. برنامههاي نرمافزاري روش پيشنهادي مبتني بر جهت و سرعت حرکت 138
پ3-1. برنامه نرمافزاري روش پيشنهادي با استفاده از الگوريتم LMS 138 پ 3-2. برنامه نرمافزاري روش پيشنهادي با استفاده از الگوريتم CM 1?1
پ?.برنامههاي نرمافزاري روش تخمين وزنهاي مؤثر 1??
پ?-1. برنامه نرمافزاري روش تخمين وزنهاي م?ؤثر ب?ا اس?تفاده از الگ?وريتم
1?? LMS
پ?-2. برنامه نرمافزاري روش تخمين وزنهاي مؤثر با اس?تفاده از الگ?وريتم 1?8
CM
فهرست علائم اختصاري 1?3
مقالات مستخرج از تز 1??
منابع و مآخذ 1??
فهرست منابع فارسي 1??
فهرست منابع انگليسي 1??
چکيده انگليسي 1?8
ط
فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه
جدول 2-1: مقايسه الگوريتم هاي تطبيقي مبتني بر رشتهي آموزشي ?8
جدول 2-2: مقايسه الگوريتم هاي تطبيقي کور ?8
جدول 3-1: خلاصه عملکرد روش بارتلت ?2
جدول 3-2: خلاصه عملکرد روش MVDR ?2
جدول 3-3: خلاصه عملکرد روش پيش بيني خطي ?2
جدول 3-?: خلاصه عملکرد روش حداکثر آنتروپي ?3
جدول 3-?: خلاصه عملکرد روش ML ?3
جدول 3-?: خلاصه عملکرد روش Beamspace MUSIC ?3
جدول 3-7: خلاصه عملکرد روش Root-MUSIC ??
جدول 3-8: خلاصه عملکرد روش Minimum-Norm ??
جدول 3-9: خلاصه عملکرد روش CLOSEST ??
جدول 3-10: خلاصه عملکرد روش ESPRIT ??
جدول ?-1: معيارهاي ارزيابي الگوريتم LMS در SNRهاي مختلف 77
جدول ?-2: معيارهاي ارزيابي الگوريتم CM در SNRهاي مختلف 8?
جدول ?-1: مقايسه روش معمول و روش پيشنهادي مبتني ب?ر جه?ت و س?رعت حرک?ت
9?
بر اساس نوع پردازش
جدول ?-2: معيارهاي ارزيابي روشهاي مختلف مبتني بر الگوريتم LMS 10? جدول ?-3: معيارهاي ارزيابي روشهاي مختلف مبتني بر الگوريتم CM 118
ي
فهرست شکل ها
عنوان شماره صفحه
1-1: بلوک دياگرام آنتن هاي آرايهاي ونحوه وزندهي آن 11
1-2: مقايسه سيگنال ورودي باخروجي در آنتن آرايهاي 11
1-3: آرايه خطي 12
1-?: آرايه مسطح 12
1-?: آرايه يکنواخت خطي 12
1-?: الگوي تشعشعي يک آرايه خطي 8 عنصري درمختصات قطبي 1?
1-7: الگوي تشعشعي يک آرايه خطي 8 عنصري درمختصات دکارتي 1?
1-8: دو تقسيم بندي سيستم آنتن هوشمند 17
1-9: سرويس دهي به دو کاربر در يک سلول با استفاده از سيستم هوشمند آرايهي تطبيقي 18
1-10: مقايسه سيستم آنتن هوشمند آرايهي تطبيقي و پرتو سوئيچ شده 19
1-11: کاربرد آنتن هوشمند در رد گيري کاربر در هر لحظه 20
1-12: قابليت ترکيب سيگنالهاي چند مسيره درآنتن هوشمند 20
1-13: قرار گرفتن ايستگاه پايه در کنار جادهها با استفاده از روش مرسوم 21
1-1?: قرار گرفتن ايستگاه پايه در کنار جادهها با استفاده از سيستم آنتن هوشمند 21
1-1?: مقايسه آنتن هاي همه جهته با آنتن هاي هوشمند از لحاظ سطح تحت پوشش يک 22
BTS
1-1?: افزايش کيفيت لينک راديويي و عدم تداخل در آنتن هاي هوشمند 23
2-1: صفحه سيگنال خطا بر حسب وزنهاي يک آرايه دو عنصره 3?
3-1: ساختار کلي در روش تأخير و جمع ?2
3-2: آرايه اي از عناصر به صورت دوبعدي ??
3-3: آرايه اي صفحهاي با ساختار هندسي دلخواه متشکل از m حسگر دوتايي ?8
ک
?-1: فلوچارت الگوريتم MUSIC ?7
ف?يد-ي2گ خبمريان يزياک ويهمنوبرع ود با استفاده از الگوريتم MUSIC در دو حالت با فيدينگ و بدون ?8 ف?يد-ي3ن:تخبمريان ي زداوويمهبوع رود با استفاده از الگوريتم MUSIC در دو حالت با فيدينگ و بدون ?8 ف?يد-ي?ن:تخبمريان ي زساهويمهنبوع رود با استفاده از الگوريتم MUSIC در دو حالت با فيدينگ و بدون ?9 ف?يد-ي?ن:تخبمريان ي زهافوت يه مونبرع ود با استفاده از الگوريتم MUSIC در دو حالت با فيدينگ و بدون ?9 ف?يد-ي?ن:خوطابديونSفيMدينگ تخبمريان يزياوک يه مونبرع وبدا تباکارساترفاد0ه0ا0زالباگرو.ريتم MUSIC در دو حالت با 70
?-7:فلوچارت الگوريتم LMS 71
?ح-ض8:ورموسقيعگينت ال متدنباع خلييدگرنااللگنوسربيتت م بSهMمLوقعيت در لحظه 0=t با سرعت ثابت ، بدون 72 ي?ک -9:سيمگونقاعلت تدامخنلبيع دسرگالناگلورنيستبت S بLMموقعيت در لحظه 0=t با سرعت ثابت ، با حضور 72 د?و-0س1ي:گنمالقتعديات خليمنبدع رساليگگونارلتنسSبت LMبه موقعيت در لحظه 0=t با سرعت ثابت ، با حضور 73 ا?س-تف1اد1ه: انزسابلت گورسييتگم ناSلMبهL نويز درخروجي آنتن هوشمند بدون حضور سيگنال تداخلي و 7? ا?س-تف2اد1ه: انزسابلت وسرييتگم ناMSبهL نويز درخروجي آنتن هوشمند با حضور يک سيگنال تداخلي و 7? ت?دا-خ3ل1ي: وسابست تفادسهگازنالالگبهورنويتيم زSبعMلاLوه تداخل درخروجي آنتن هوشمند با حضور دو سيگنال 7?
?-1? : خطاي الگوريتم LMS بدون حضور سيگنال تداخلي 7?
?-1?: خطاي الگوريتم LMS با حضور يک سيگنال تداخلي 7?
?-1?: خطاي الگوريتم LMS با حضور دو سيگنال تداخلي 77
?-17: فلوچارت الگوريتم CM 78
?ح-ض8و1ر: مسويقگعنيا?لت تدمانبخ??لع يسد??يرگانلاگلونر?سيتبم MبC??ه موقعي??ت در لحظ??ه 0=t ب?ا س??رعت ثاب??ت ، ب??دون 79
ل
ي?ک -19س:گمناولقعتيدت اخلمنيع درسيالگگناولرينتسم بت Cبه موقعيت در لحظه 0=t با س?رعت ثاب?ت ، ب?ا ح?ضور 80 د?و-0س2ي:گناملقتعديات خليمنبدع رساليگگونارلتنسبMت C به موقعيت در لحظه 0=t با سرعت ثاب?ت ، ب?ا ح?ضور 80 ا?س-تف1اد2ه: انزسبالت وسر?ييتگم نالM ب?Cه ن?ويز درخروج?ي آن?تن هوش?مند ب?دون ح?ضور س?يگنال ت?داخلي و 81
?سي-گ2نا2ل: نت??دسابخلت يسوياگسناتفلدبههزن?? اوليگزوبرعي??تلاوهMت??Cداخل در ورودي آن??تن هوش??مند ب??ا ح??ضور ي??ک 81
?سي-گ3نا2ل: تند??اسخبلت ي وس??ايسگتنفاالدهب?ا?هز نا?ل?وگيوزربيتعم ??لاMوهCت??داخل در ورودي آن??تن هوش??مند ب??ا ح??ضور دو 82
?سي-گ?نا2ل: تند?اسخبلت ي وس?ي اگسناتلفادبههازن?واليزوبرع?يتلام وهMتC?داخل در خروج?ي آن?تن هوش?مند ب?ا ح?ضور ي?ک 82
?سي-گ?نا2ل: تند??اسخبلت ي وس??ايسگتنفاالهب??اهزنا??لوگيزربيعت??م لاوCMت??داخل در خروج??ي آن??تن هوش??مند ب??ا ح??ضور دو 83
?-2?:خطاي الگوريتم CM بدون حضور سيگنال تداخلي 8?
?-27: خطاي الگوريتم CM با حضور يک سيگنال تداخلي 8?
?-28: خطاي الگوريتم CM با حضور دو سيگنال تداخلي 8?
ب?ه-م1:حومرسيآررايحهرکت منبع نسبت يه محور اصلي آرايه. الف : موازي. ب: با زاويه ي نسبت 89
?-2: فلوچارت الگوريتم پيشنهادي تخمين وزنهاي آرايه بر اساس جهت حرکت و 90 سرعت منبع
ا?س-تف3ا:دهخاطز?االيگوررويتشم SمبMتنL??ي ب??ر جه??ت حرک??ت و س??رعت منب??ع ب??دون س??يگنال ت??داخلي و ب??ا 91 و?-با?اسختفاطداهيازراولگشورميبتم يS بLMجهت حرکت و سرعت منبع با حضور ي?ک س?يگنال ت?داخلي 91 ب?ا -ا?س:فاخدهطاازي الرگووشريتمم بتSنيMبLر جهت حرکت و سرعت منبع با ح?ضور دو س?يگنال ت?داخلي و 92 ا?س-ت?فا:دهخاطز??االيگوررويتشم مMبتCن??ي ب??ر جه??ت حرک??ت و س??رعت منب??ع ب??دون س??يگنال ت??داخلي و ب??ا 93
م
و?-با7اسختفطاداهيازراولگشورميبتم يMبرC جهت حرکت و سرعت منبع با حضور ي?ک س?يگنال ت?داخلي 93 ب?ا -ا8س:فاخدهطاازي الرگووشريتمم بتنMيCبر جهت حرکت و سرعت منبع با حضور دو سيگنال ت?داخلي و9?
?-9: فلوچارت روش پيشنهادي وزندهي بعضي از عناصر باتوجه به مؤثر بودن آنها 97 ا?س-تف0اد1ه: اخطال??اگيرريتوشS پMيL??شندهارينس(بوت نسديگه?ن?ايل بعهنانصوي??زر Bم??ؤث?ر) ب??دون س??يگنال ت??داخلي و ب??ا 98 و?-با1ا1س:تفخادطه اايز ارلگووشريپتيم شSنهاMدLي(وزننبدت هيسيعگناالصبره نموؤيثزر ?dBا?ح?ضور ي?ک س?يگنال ت?داخلي 99 ب?ا -ا2ست1ف:دهخ اطزا ايگرووريشتم پيSشMنهLديد(رونزسنت هسييگعنناالصبهر نموؤيثزر)dBبا?ح?ضور دو س?يگنال ت?داخلي و 99 ا?س-تف3اد1ه: اخطال??اگيرريتوشS پMيL??شندهارينس(بوت نسديگه?ن?ايل بعهنانصوي??زر م??Bؤثر0)? ب??دون س??يگنال ت??داخلي و ب??ا 100 و?- ب1?ا:ستخفاطدها ايزرالوگشورپييتم شنSهاMديL (دورزنسدبهت يسعينگاناصلربهمؤنوثريز) Bباdح0ض?ور ي?ک س?يگنال ت?داخلي 100 ب?ا -ا?ست1ف:دهخ اطزا ايگرووريشتم پيSشMنهLديد(رونزسنت هسييگعناناصبهر نمو?يؤزرB) ب?ا0ح??ضور دو س?يگنال ت?داخلي و 101
?عن-ا?ص1:ر نمسؤبثت ر)سويگبانالسبتهفادنهويازز دالرگوخرريوتم جMSآنتL درونشسمبنت د سبرياگنيلربوشنوپييزشنBهادي?( وزن دهي 102
?عن-ا7ص1:ر نمسؤبثت ر)سويگبانالسبتهفادنهويازز دالرگوخرريوتم جMSآنتL درونشسمبنت د سبرياگنيلربوشنوپييزشنBهادي0(? وزن دهي 102
?-18: ن?سبت س?يگنال ب?ه ن?ويز بع?لاوه ت?داخل ، در ورودي آن?تن هوش?مند ب?ا ح?ضور ي?ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 103 LMS در نسبت سيگنال به نويز dB ?
?-19: نسبت سيگنال به ن?ويز بع?لاوه ت?داخل ، در خروج?ي آن?تن هوش?مند ب?ا ح?ضور ي?ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 103 LMS در نسبت سيگنال به نويز dB ?
?-20: ن?سبت س?يگنال ب?ه ن?ويز بع?لاوه ت?داخل ، در ورودي آن?تن هوش?مند ب?ا ح?ضور ي?ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 10? LMS در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
ن
?-21: نسبت سيگنال به ن?ويز بع?لاوه ت?داخل ، در خروج?ي آن?تن هوش?مند ب?ا ح?ضور ي?ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 10? LMS در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
?-22: ن?سبت س?يگنال ب?ه ن??ويز بع??لاوه ت?داخل ، در ورودي آن??تن هوش??مند ب?ا ح??ضور دو
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 10? LMS در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
?-23: ن?سبت س?يگنال ب?ه ن?ويز بع?لاوه ت?داخل ، در خروج?ي آن?تن هوش?مند ب?ا ح?ضور دو
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 10? LMS در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
ب?ا -ا?ست2ف:دهخ اطزا ايگرووريشتم پيMشنCهاددير ن(سوبزت ن دسهيگينالعنابهصنريمزؤثBر) ?بدون حضور سيگنال تداخلي و 108 و?-با?ا2س:تفخادطه اايز ارلگووشريپتيم شنMهاC يد(رزننسب دت هيسيگعنالصبره نموؤيثزر)B ب?ا?ح?ضور ي?ک س?يگنال ت?داخلي 108 ب?ا -ا?ست2ف:دهخ اطزا ايگرووريشتم پيMشنCهاددير(نوسزبنت دسهييگناعلنا بصه روميزؤثرd)B ب?ا حضور دو سيگنال ت?داخلي و 109 ب?ا -ا7ست2ف:دهخ اطزا ايگرووريشتم پيMشنCهاددير ن(سوبزت ن دسيهگينالعنابهصنريمزؤثBر) 0بد?ون حضور سيگنال تداخلي و 109 و?-با8ا2س:تفخادطه اايز ارلگووشريپتيم شنMهاC يد(رزننسب دت هيسيگعنالصبره نموؤيثزر)?d Bا0ح??ضور ي?ک س?يگنال ت?داخلي 110 ب?ا -ا9ست2ف:دهخ اطزا ايگرووريشتم پيMشنCهاددير(نوسزبنت دسهييگناعلنا بصه رنوميزؤثرd)B ب?0حضور دو سيگنال ت?داخلي و 110
?عن-ا0ص3:ر نمسؤبثت ر)سويگبانالسبتهفادنوه يازز دالرگوخرريوتم جيM آنتدن هنوسشبمت ن سيبگرناايل ربهونشويزپيشBنهاد?ي( وزن دهي 111
?عن-ا1ص3:ر نمسؤبثت ر)سويگبانالسبتهفادنهويازز دالرگوخرريوتم جيM آنتدن هنوسشبمت ن سيبگرانايل ربهونشويزپيشBنd اد0ي?( وزن دهي 112
?-32: ن??سبت س??يگنال ب??ه ن??ويز بع??لاوه ت??داخل در ورودي آن??تن هوش??مند ب??ا ح??ضور ي??ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 113 LMS درنسبت سيگنال به نويز dB ?
?-33: ن?سبت س?يگنال ب?ه ن?ويز بع?لاوه ت?داخل در خروج?ي آن?تن هوش?مند ب?ا ح?ضور ي?ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي( وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 113 LMS درنسبت سيگنال به نويز dB ?
س
?-3?: نسبت سيگنال به نويز بعلاوه تداخل در ورودي آنتن هوشمند با حضور دو سيگنال
ت?داخلي ب?راي روش پي?شنهادي (وزن ده?ي عناص?ر م?ؤثر) و ب?ا اس?تفاده از الگ?وريتم 11?CM در نسبت سيگنال به نويز dB ?
?-3?: ن??سبت س??يگنال ب??ه ن??ويز بع??لاوه ت??داخل در خروج??ي آن??تن هوش??مند ب??ا ح??ضور دو
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي (وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 11? CM در نسبت سيگنال به نويز dB ?
?-3?: ن??سبت س??يگنال ب??ه ن??ويز بع??لاوه ت??داخل در ورودي آن??تن هوش??مند ب??ا ح??ضور ي??ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي (وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 11? CM در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
?-37: ن?سبت س??يگنال ب?ه ن??ويز بع?لاوه ت??داخل در خروج?ي آن??تن هوش?مند ب??ا ح?ضور ي??ک
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي (وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 11? CM در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
?-38: نسبت سيگنال به نويز بعلاوه تداخل در ورودي آنتن هوشمند با حضور دو سيگنال
ت?داخلي ب?راي روش پي?شنهادي (وزن ده?ي عناص?ر م?ؤثر) و ب?ا اس?تفاده از الگ?وريتم 11?CM در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
?-39: ن??سبت س??يگنال ب??ه ن??ويز بع??لاوه ت??داخل در خروج??ي آن??تن هوش??مند ب??ا ح??ضور دو
سيگنال تداخلي براي روش پيشنهادي (وزن دهي عناصر مؤثر) و با اس?تفاده از الگ?وريتم 11? CM در نسبت سيگنال به نويز dB ?0
?سي-گ1ن:القتادياسخهليروش ارائه شده مبتني بر سرعت و حرکت با الگوريتم LMS ب?ا ح?ضور دو 123
?سي-گ2ن:القتادياسخهليروش ارائه شده مبتني بر س?رعت و حرک?ت ب?ا الگ?وريتم CM ب?ا ح?ضور دو 123
?سي-گ3نالمقتادياسخهيردورشنسابرت ائهسيشگدنهالخبهينن ويززBنها?ي مؤثر با الگوريتم LMS با حضور دو 12?
?سي-گ?نالمقتادياسخهليردورنسابرت ائهسيشگدناهلت بهمينون يزوزBنها0ي? مؤثر با الگوريتم CM با حضور دو 12?
?سي-گ?نالمقتادياسخهليردورشنسابرت ائهسيشگدنهالخبهمينن ويززdB ها?ي مؤثر با الگوريتم CM با حضور دو 12?
?سي-گ?نالمقتادياسخهليردورنسابرت ائهسيشگدنهالت بخهمينون يزوزBنها0ي? مؤثر با الگوريتم CM با حضور دو 12?
ع
چکيده :تداخل ايجاد شده در مخابرات بي سيم با استفاده از سيستم هاي مجهز به آنتن هوشمندميتواند کاهش يابد. امروزه به دليل انعطاف و کارايي بالا، در سيستم هاي راداري و مخابرات سيار مورد توجه قرار گرفته است .براي به دست آوردن الگوي تشعشعي مناسب الگوريتم هاي تطبيقي مختلفي وجود داردکه بر اساس يکي از معيارهاي MSE،Max-SIR ياحداقل واريانس استوارند.
هدف اين تحقيق ، ارائهي ايدههاي نو جهت تخمين وزنهاي آنتن آرايه تطبيقي، مبتني بر سرعت و جهت حرکت منبع سيگنال مطلوب است . در کنار اين هدف، نيل به پيچيدگي کاهش يافته و افزايش سرعت تنظيم الگوي تشعشعي، با استفاده از الگوريتم تطبيقي مبتني بر رشتهي آموزشي حداقل متوسط مربع خطا (LMS) و الگوريتم تطبيقي کور پوش ثابت (CM)مد نظر است . در اين تحقيق ابتدا تخمين DOA با استفاده از الگوريتم طبقه بندي سيگنال هاي چندگانه (MUSIC)شبيهسازي شده است . سپس الگوريتم هاي LMS و CM در محيط هاي نويزي خالص و با حضور يک و دو سيگنال تداخلي شبيه سازي شدهاند. مهمترين مزيت الگوريتم LMS سادهبودن اين الگوريتم و مهمترين عيب آن سرعت همگرايي پايين بخصوص براي آرايههاي با تعداد عناصر بالاست . همچنين اين الگوريتم نيازمند سيگنال آموزشي است . مهمترين مزيت الگوريتم CM عدم نياز به سيگنال آموزشي و مهمترين عيوب آن همگرايي تضمين نشده و سرعت همگرايي پايين نسبت به الگوريتم هايي است که از
معيار MMSE استفاده مي کنند. در ادامه دو ايده ارائه شده است که عبارتند از:
1. تخمين وزنهاي آرايه بر اساس جهت و سرعت حرکت منبع . در اين ايده نيازي به تخمين DOA
نيست و با استفاده از موقعيت دو نقطه قبلي، موقعيت جديد تخمين و وزنها به دست ميآيند. سپس در بازهي زماني بين دو نقطه، موقعيت دقيق کاربر به دست ميآيدو وزنها تخمين زده ميشوند.
چون عمده پردازش ها offline است ، پيچيدگي کاهش و سرعت تنظيم الگو افزايش مي يابد.
2. روشي با پيچيدگي کاهش يافته در شکل دهي الگوي تشعشعي آرايه آنتني. در اين ايده با توجه به دو موقعيت قبلي کاربر، وزنهايي که تأثير بيشتري در شکل دهي الگوي تشعشعي دارند مشخص شده و سپس اين وزنها براي موقعيت جديد کاربر تخمين زده ميشوند و شکل دهي انجام ميپذيرد.
براي کاهش خطا، در هر مرحله وزنهاي واقعي تعيين و بهنگام سازي مي شوند. چون تمامي وزنها محاسبه نمي شوند وعمده محاسبات در بازهي زماني بين دو موقعيت کاربر است ،محاسبات کاهش و سرعت تنظيم الگوي تشعشعي افزايش يافته است .
نتايج شبيهسازيها نشان ميدهد که کارايي اين روشهانزديک به LMS و CM متداول است .
1
مقدمه :
با معرفي تلفن همراه، در اوايل دههي هشتاد ميلادي به عنوان يک وسيله ارتباطي همگاني ، سير صعودي بهرهمندي از اين گونه سيستم ها با رشد همراه بود. با گسترش استفاده از سيستم هاي مخابرات سيار و شبکههاي بي سيم ، بخصوص در شهرهاي بزرگ و مکان هاي پر رفت و آمد، مشکل کمبود ظرفيت نمايان شد. اين کمبود با بالا رفتن توقع کاربران در کيفيت و تنوع سرويس هاي ارائه شده، نمود بيشتري پيدا کرد. استفاده از مخابرات باند پهن تا حدودي اين مشکل را حل کرده است ، ولي در اکثر سيستم هاي مخابراتي و اطلاعاتي ، طراحان با کمبود پهناي باند و افزايش تداخل روبرو هستند.
استفاده از آنتن هاي آرايهاي تطبيقي در سيستم هاي مخابراتي بي سيم و سيار سلولي ، مشکلات ناشي از تداخل ايجاد شده را کاهش مي دهد. با استفاده از آنتن هاي آرايهاي تطبيقي و تغيير وزن ها، ميتوان الگوي تشعشعي را در جهت سيگنال مطلوب و صفرها را در جهت سيگنالهاي مزاحم شکل دهي نمود. براي دستيابي به الگوي تشعشعي در جهتي خاص و نحوه ي کنترل و وزندهي عناصر
آرايه، الگوريتم هاي تطبيقي زيادي وجود دارد. اين الگوريتم هاي تطبيقي به دو صورت است :
1- الگوريتم هايي که نياز به يک سيگنال مرجع يا رشته آموزشي دارند و به اصطلاح الگوريتم هاي مبتني بر رشتهي آموزشي گفته مي شوند.
2- الگوريتم هايي که نياز به يک سيگنال مرجع يا رشته آموزشي ندارند و با استفاده از الگوريتم هاي DOA، جهت ورود سيگنال به آرايه تخمين زده مي شود و سپس از اين اطلاعات در تعيين وزنهاي آرايه استفاده مي شود،به اين الگوريتم ها، الگوريتم هاي کور گفته مي شود.
با استفاده از الگوريتم هاي مناسب تخمين جهت ورود سيگنال، مي توان به تخمين هاي قابل قبولي رسيد.
با معلوم بودن جهت سيگنال کاربر، دامنه و فاز سيگنالهاي دريافتي ، باعث تقويت سيگنال مطلوب و تضعيف تداخل مي شوند و اين خود باعث بهبود عملکرد و افزايش ظرفيت مي شود.
2

تحقيقات مختلفي در زمينهي آنتن هاي هوشمند، الگوريتم هاي تطبيقي شکل دهي الگويتشعشعي آرايه، و نيز روشها و الگوريتم هاي تخمين جهت ورود سيگنال به آرايه انجام شده است .در اينجا به
اختصار به برخي از موضوعات مطرح در اين تحقيقات اشاره مي شود:
· مطالعهي عملي جبرانسازي تزويج متقابل در آنتن هاي آرايه اي تطبيقي
· استفاده و بررسي الگوريتم هاي تطبيقي مختلف شکل دهي الگوي تشعشعي
· بهبود الگوريتم هاي تطبيقي مختلف شکل دهي الگوي تشعشعي
· ارائه الگوريتمي جهت استفاده از آنتن هاي آرايه اي در کانالهاي با فيدينگ انتخاب فرکانسي
· پيادهسازي آنتن هوشمند در GSM1800
· ارائه روشهايي جديد جهت تخمين وزنهاي آرايه با استفاده از ترکيب الگوريتم هاي تطبيقي مبتني بر رشتهي آموزشي و کور
· ارائه روشي جهت تخمين زاويهي ورود به آرايه براي منابع باند پهن
· بهبود الگوريتم هاي تخمين زاويهي ورود به آرايه جهت منابع همدوس
· ارائه روشي با پيچيدگي کم جهت تخمين زاويهي ورود به آرايه بر اساس کوواريانس
· تخمين دو بعدي جهت زاويهي ورود سيگنال به آرايه
با توجه به تحقيقات اخير ديده ميشود که در اکثر اين تحقيقات سرعت تنظيم الگوي تشعشعي لحاظ نگرديده است و در صورت لحاظ شدن کارايي مناسبي نداشته است .
در همين راستا هدف از اين تحقيق ، ارائهي روشهايي است که پيچيدگي محاسباتي در محاسبه
وزنهاي آرايه و افزايش سرعت تنظيم الگوي تشعشعي را در برخواهد داشت .
3

در اين تحقيق روشهاي جديدي جهت پيش گويي وزنهاي آنتن آرايهاي تطبيقي و تخمين وزن –
هاي مؤثر آنتن آرايهاي تطبيقي ، مبتني بر سرعت و جهت حرکت با استفاده از الگوريتم هاي LMS و
CM ارائه شده است و بر اساس معيارهايي ارزيابي شدهاند.
ساختار کلي اين پاياننامه به شرح ذيل است :
در فصل اول اين تحقيق به پديده فيدينگ ، سيستم آنتن هوشمند و مفاهيم مربوط به آنتن آرايهاي
تاريخچه، نحوهي عملکرد، کاربردها، مزايا و معايب سيستم آنتن هوشمند اشاره گرديده است .
در فصل دوم، معيارهاي بهينهسازي وزنهاي آرايه MMSE،MVDR و Max SIR، رابطه بين معيارهاي مختلف ، الگوريتم هاي تطبيقي مبتني بر رشتهي آموزشي LMS، (Direct Sample Matrix Inversion)DSMI (استفاده از ميانگين زماني به جاي استفاده از ميانگين آماري)، (Recursive Least Square)RLS (استفاده از نوعي روش بازگشتي)، گوس (استفاده از بسط روش کمينه ي مربعات غيرخطي ) و الگوريتم هاي تطبيقي کور CM (توسط گودارد ارائه شده و از خاصيت دامنه ي ثابت بعضي ازمدولاسيون ها استفاده مي کند)، (Decision Directed)DD ( از خاصيت محدود بودن الفباي مورد استفاده در ارسال سيگنال استفاده مي کند) و الگوريتم هاي ايستان دورهاي ( از خاصيت ايستان دوري بودن سيگنال هاي مخابراتي استفاده مي شود)، شکل دهي به الگوي تشعشعي آنتن هاي آرايهاي بررسي و مقايسه شده است .
فصل سوم اختصاص به تخمين جهت ورود سيگنال به آرايه و الگوريتم ها و روشهاي مختلف تخمين طيفي (مانندبارتلت ، روش تأخير و جمع ، روش پيش بيني خطي ، روش حداکثر آنتروپي و روش بيشينه درست نمايي ) و تخمين مبتني بر ساختار ويژه، بر اساس بردار و مقادير ويژه ماتريس همبستگي ورودي تخمين انجام مي گيرد،دارد.
?

فصل چهارم، شامل شبيهسازيهاي الگوريتم تخمين زاويه ورود، MUSIC (مزيت اصلي اين روش، ويژگي تفکيک پذيري بالاست )در شرايط مختلف ، خطاي زاويهاي الگوريتم هاي تطبيقي شکل دهي الگوي تشعشعي LMS و CM با مقادير سيگنال به نويز مختلف و بدون سيگنال تداخلي، با يک و دو سيگنال تداخلي است .
[unknown error.خطاي ناشناخته]
فصل اول
مخابرات بيسيم و جايگاه آنتن هاي هوشمند
?
1-1) مقدمه
استفاده از مخابرات بي سيم در سالهاي اخير بيشتر و گستردهتر شده است ، اگر چه طراحي سيستم ها و شبکههاي مخابراتي بي سيم داراي بازدهي بالا، همواره کاري مشکل تر از طراحي سيستم ها و شبکههاي سيمي است . به دليل اهميت فيدينگ در سيستم هاي مخابرات بيسيم ابتدا اين موضوع مورد بررسي قرار گرفته است و سپس سيستم هاي آنتن هوشمند بررسي شده است .
1-2) فيدينگ و تقسيم بنديهاي آن
کانالهاي بي سيم بر خلاف کانالهاي سيمي در معرض رفتارهاي بي قاعده و تصادفي قرار مي گيرند که اين پديده فيدينگ 1نام دارد. اساساً پديده فيدينگ به علت دريافت چند انعکاس از سيگنال ارسالي در گيرنده به وجود مي آيد و متأسفانه اين مشکل اساسي در مخابرات بي سيم ، طراحي و به کارگيري آن را در مقايسه با کانالهاي سيمي ، سخت تر مي کند. فيدينگ سبب مي شود که توان سيگنال دريافتي با زمان تغيير کند و استخراج اطلاعات اصلي از سيگنال دريافتي که شامل نويز و اثرات فيدينگ است کار پيچيدهاي خواهد بود و در صورت استخراج سيگنال، احتمال خطا نسبت به حالت بدون فيدينگ بالاتر است .
در يک سيستم مخابراتي بي سيم سيار، يک سيگنال ارسالي از فرستنده، روي چند مسير انعکاسي عبور مي کند و به گيرنده مي رسد. به اين مفهوم ((چند مسيري))2گفته مي شود. اين پديده مي – تواند باعث نوساناتي در دامنه، فاز يا زاويهي ورود سيگنال دريافتي شود. به عنوان نمونه اگر يک پالس بي نهايت باريک (به طور ايده آل يک پالس ضربه) را روي يک کانال متغير با زمان چند مسيره ارسال کنيم ، سيگنال دريافتي ممکن است قطاري از ضربهها شود. در نتيجه يکي از مشخصه – هاي محيط هاي چند مسيره، گستردگي زماني 3در سيگنال است .
به علت تغييرات زماني در ساختار محيط و کانال انتقال، چند مسيري يک پديدهي متغير با زمان است . اگر عمل ارسال پالس را چندين بار تکرار کنيم مي توانيم تغييرات قطار پالس دريافتي در گيرنده را مشاهده کنيم که تغييراتي در اندازه پالس ها نيز بوجود مي آيد. علاوه بر اين ، تغييراتي نيز در تأخيرهاي بين پالس ها و حتي تغييراتي در تعداد پالس ها مشاهده خواهد شد[1] و [2].
فيدينگ را مي توان به دو نوع اساسي تقسيم بندي کرد[3]:
?
1. فيدينگ در مقياس بزرگ 1-Fading
2-Multipath
3-Time Spreading
?-Large Scale Fading
7
2. فيدينگ در مقياس کوچک 1
فيدينگ در مقياس بزرگ بيانکنندهي تضعيف متوسط توان سيگنال يا افت چند مسيري به علت حرکت روي نواحي بزرگ است . اين نوع فيدينگ تحت تأثير عوامل برجسته و بزرگ زمين ( تپهها، جنگل ها، تعداد زيادي از ساختمانها و …) بين فرستنده و گيرنده ايجاد مي شود. تحت چنين عوارضي ، گيرنده سايهاي از سيگنالها را نيز مشاهده خواهد کرد.
فيدينگ در مقياس کوچک هم تغييرات قابل توجهي در دامنه و فاز سيگنال ايجاد مي کند که
نتيجهي تغييرات کوچک فضايي در مقايسه با طول موج سيگنال بين فرستنده و گيرنده است . فيدينگ
در مقياس کوچک را در دو مکانيزم مطرح کردهاند که عبارتند از:
1. گستردگي زماني سيگنال
2. رفتار متغير با زمان
همانطور که مي دانيد در کاربردهاي راديويي بي سيم سيار، کانال متغير با زمان است ، زيرا حرکت بين فرستنده و گيرنده باعث تغييرات در مسير انتشار مي شود. نرخ تغييرات در چنين شرايطي بيانگر سرعت فيدينگ است .
به فيدينگ در مقياس کوچک ، ((فيدينگ ريلي ))2نيز گفته مي شود. در اين نوع فيدينگ تعداد مسيرهاي انعکاسي زياد است و مؤلفه ((ديد مستقيم ))3سيگنال وجود ندارد. در اين نوع فيدينگ پوش سيگنال دريافتي از لحاظ آماري داراي تابع چگالي احتمال ريلي است .
وقتي که مؤلفه غير فيدينگي سيگنال غالب باشد (مثل مسير ديد مستقيم )، فيدينگ با مقياس کوچک داراي تابع چگالي احتمال ((رايس ))?خواهد بود. حرکت روي يک مسير وسيع مي تواند هر دو نوع فيدينگ با مقياس کوچک و فيدينگ با مقياس بزرگ را شامل شود.
به طور کلي سه مکانيزم اساسي وجود دارد که انتشار سيگنال در سيستم هاي مخابراتي
بي سيم سيار را تحت تأثير قرار مي دهد:
انعکاس ?
انکسار?
پراکندگي 7
انعکاس در برخورد امواج الکترومغناطيس به سطوح ثابت و در ابعاد خيلي بزرگ در مقايسه
با طول موج سيگنال فرکانسي راديويي اتفاق مي افتد. انکسار هنگامي اتفاق مي افتد که مسير راديويي
1-Small Scale Fading
2-Rayleigh Fading
3-Line Of Sight (L.O.S)
?-Rice
?-Reflection
?-Diffraction 8
7-Scattering
بين فرستنده و گيرنده توسط بدنه متراکمي (در مقايسه با طول موج سيگنال) مسدود مي شود. اين مانع سبب شکل دهي امواج ثانويه پشت بدنهي متراکم مي شود. به دليل عدم وجود ديد مستقيم بين فرستنده و گيرنده، سايهاي از امواج توليد مي شود.
پراکندگي در برخورد امواج راديويي به سطوح ناهموار يا هر سطحي ناهموار که ابعاد آن در حد lيا کوچک تر باشد، به وجود مي آيد و باعث پخش انرژي موج در همه جهت ها مي شود. مواردي مانند تيرهاي چراغ برق، شاخ و برگ درختان و … مي توانند باعث پراکندگي شوند.
با توجه به اين که سيستم هاي آنتن هوشمند در مکانهايي که تعدد کاربران، تداخل و پيچيدگي انتشاري و پديده چند مسيري وجود دارد بسيار کارآمد است در بخش بعدي به بررسي سيستم هاي آنتن هوشمند پرداخته شده است .
1-3) سيستم هاي آنتن هوشمند
در سالهاي اخير، تقاضا براي استفاده از شبکههاي مخابراتي بيسيم رشد فزايندهاي داشته است . اين افزايش تقاضا، در نسل دوم و سوم شبکههاي بيسيم بيشتر مشاهده مي شود و ممکن است در آيندهي نزديک به يک مشکل جدي منجر شود؛ اين مشکل جدي چيزي نيست جز پرشدن باند فرکانسي .
فناوري آنتن هاي هوشمند، مرحلهي جديدي از نبرد همهجانبه با اين مشکل جدي و استفاده بهينه از باند فرکانسي و افزايش ظرفيت در شبکههاي مخابراتي است . بدين منظور روشهاي پيشرفتهتري نيز در مرحلهي ظهور هستند، که مي توان به استفاده از سيتم آنتن هوشمند درگسترهي ارتباطات بي سيم مخابراتي و به خصوص انتقال دادهها اشاره کرد. به طور معمول، کلمهي آنتن به يک وسيلهي مکانيکي اطلاق مي شود که امواج الکترومغناطيسي را به جريان الکتريکي و بالعکس تبديل مي کند و را بيشتر به عنوان يک تشعشع کننده شناخته ميشود. اما در مبحث سيستم آنتن هوشمند، کلمهي آنتن مفهوم جامع تري دارد و شامل يک فرستنده و گيرندهي کامل است .با وجود اين که برخي از اصول آنتن هاي هوشمند بيش از چهل سال است که رواج دارند کاربردهاي جديد بي سيم که نيازمند فناوري آنتن هاي هوشمند هستند، به سرعت در حال رشد است . علاوه بر اين ، آخرين الگوريتم هايي که آنتن هاي هوشمند را کنترل مي کنند به حدي از بلوغ و تکامل رسيدهاند که به طور قابل توجهي در محيط هاي چند مسيرهي پويا و متفرقکننده کارآمد باشند. بنابراين امروزه آنتن هاي هوشمند در حال تبديل شدن به يک عامل کمکي بسيار حياتي براي افزايش عملکرد هزاران کاربر بي سيم هستند. اين فناوري جديد
9
نقشي اساسي در تمامي فناوريهاي بي سيم از تلفن هاي همراه گرفته تا سرويس هاي ارتباطات شخصي و رادار ايفا مي کند. اما سيستم آنتن هوشمند چيست و چه کاربردهايي دارد و گذشته از آن به راستي يک آنتن مي تواند هوشمند باشد؟ براي رسيدن به پاسخ چنين سؤالاتي بايد ابتدا به بررسي دستهاي خاص از آنتن ها، به نام آنتن هاي آرايهاي پرداخت .
در ادامهي اين فصل ابتدا آنتن هاي آرايهاي بررسي مي گرددو سپس به سيستم آنتن هوشمند و
کاربرد و مزاياي آن پرداخته مي شود.
1-3-1) آنتن آرايهاي [?]
آنتن آرايهاي مجموعهاي از آنتن هاي ساده است که به صورت همسان ياهمدوس 1در دريافت و ارسال امواج الکترومغناطيسي مورد استفاده قرار مي گيرند. هر آنتني که آرايه راتشکيل مي دهد،به عنوان يک عنصر آرايه شناخته مي شود. سيگنالهايي که در يک آنتن آرايهاي به عناصر مختلف آنتن القا مي شود،براي تشکيل خروجي آرايه باهم ترکيب مي شوند. اين عمل ترکيب سيگنالهاي عناصر مختلف را شکل دهي الگوي تشعشعي 2مي نامند. از جمله پارامترهايي که در تعيين الگوي تشعشعي آنتن هاي آرايهاي مهم است ،نحوه ي وزندهي 3، خروجي عناصر و نحوه ي تغذيه عناصر در حالت فرستندگي است .براي به دست آوردن الگوي تشعشعي مناسب ،نحوه ي کنترل و استفاده از وزنها، الگوريتم هاي تطبيقي ?ارائه گرديده است که در فصل دوم اين پاياننامه آورده شده است .
در اين راستا شماي بلوکي آنتن آرايهاي شکل (1-1) رادر نظر بگيريد. فرض کنيد اين آنتن آرايهاي از k عنصر تشکيل شده است . براي به دست آوردن پرتويتشعشعي مناسب ،وروديهاي هر يک از عناصر رادر اعدادخاصي ضرب مي کنيم ودرخروجي باهم جمع مي کنيم . همان طورکه قبلاً اشاره شداين عمل را وزندهي مي نامند.
سيگنال پس ازورودبه عنصر P1 در وزن 1 w ضرب مي شودکه اين عدد،سيگنال ورودي راازلحاظ دامنه وفازتغييرمي دهد. سپس مجموع کل سيگنالهايي که در وزنها ضرب شدهاند باهم جمع مي شوند (مطابق رابطه 1-1) وسيگنال خروجي راتشکيل مي دهند.
y ( n ) = x1w 1 + x2w 2 +L+x kwk (1-1)
1-Coherent
2-Beamforming
3-Weighting
?-Adaptive
10
شکل 1-1. بلوک دياگرام آنتن هاي آرايه اي ونحوه وزن دهي آن [?]
اساس توانايي آرايههادرتفکيک فضايي سيگنالهاست . تفکيک فضايي سيگنال به معناي تطبيق گلبرگ اصلي آنتن در جهت تابش سيگنال مطلوب (سيگنال اصلي )است .در ورودي عناصر،علاوه بر سيگنال اصلي ،سيگنالهاي تداخلي 1 ونويز2نيز وجوددارد.بنابراين براي تشخيص جهت سيگنال مطلوب، نمونهاي از سيگنالهاي ورودي وخروجي رامطابق شکل (1-2)، با هم مقايسه مي کنند.
اين نمونه به عنوان وزن تخمين زدهشده، در سيگنال ورودي ضرب مي شود.تفکيک فضايي خوب، نيازمند فاصله ي مناسب بين عناصر آنتن است . اما اين فاصله مناسب باعث تأخير فاز در سيگنالهاي واردشونده به عناصر ديگر آرايه مي شود. دونمونه از آرايهها، آرايههاي خطي 3و آرايههاي مسطح ? هستندکه در شکل هاي (1-3) و (1-?)نشان داده شدهاند.
ضرايب وزن
آنتن 1
خروجي آنتن 2
آنتن K
تخمين وزن
راستاي سيگنال مطلوب
شکل 1-2.مقايسه سيگنال ورودي باخروجي درآنتن آرايهاي [?]
1-Interference
2-Noise
3-Linear Array
?-Planar Array
11
شکل 1-3.آرايه خطي [?]
شکل 1-?.آرايه مسطح [?]
شکل 1-?. آرايه يکنواخت خطي [?]
12
· آرايه يکنواخت خطي
N عنصر راکه به فاصله d از هم قرار دارند و مطابق شکل (1-3) روي يک خط قرار گرفتهاند، آرايه يکنواخت خطي مي گويند. اگر يک جبهه موج الکترومغناطيسي واردآرايه شود ومطابق شکل باآن زاويهي ? بسازد، اين موج بااختلاف فاز d sinq- به عناصر بعدي (نسبت به عناصر قبلي ) وارد مي شود. اختلاف فاز رسيده، اساس کار آنتن هاي آرايهاي براي تشخيص جهت سيگنال ورودي است .
در شکل (1-?) اگر فاز سيگنال ورودي به اولين عنصر راصفر انتخاب کنيم و 2p.l =k
راعددموج در نظربگيريم ، اختلاف فاز عنصر n ام نسبت به عنصر اول برابر kd sinq خواهدبود.
اگرخروجي تمام عناصر آرايه راباهم جمع کنيم آنچه که به دست مي آيد عامل آرايه 1مي نامند.
( ) n =01 sin 0 1 * sin … 1* ( 1) sin (2-1)
F M wne jknd w w e jkd w M- ej M kd
q==? q + q ++ – q

که در اين رابطه w ها، وزنهاي مختلطي هستندکه به عناصر آرايه اعمال مي شوند. رابطه (1-2) به
صورت ضرب داخلي بردارهابازنويسي شده که به صورت معادلهي (1-3) خواهد بود:
F (q) =w´a(q) (3-1)
w =[w0,w 1,…,w M 1]T (?-1)

a(q) = [1,e jkd sin q,L,ej (M 1)kdsinq] (?-1)

(a)q از پارامترهاي مهمي است که بردار جهتي 2ناميده مي شود و گاه آن رابا (q)S هم نشان مي دهند. اين بردار را بردار جهتي مي نامند،زيرا حاوي اطلاعات مربوط به جهت ورود سيگنال به آرايه است . q زاويه ي ورودسيگنال به آرايه است .
وزن مختلط را به صورت A ejna=w نشان مي دهند. که در آن An نشاندهندهي
n n
اندازهي ضرايب و a نشاندهندهي فاز آن است . اگر اختلاف فاز بين عناصر خطي فرض شود، در
اين حالت مي توان عامل آرايه را به صورت زير بيان کرد:
M -1 ( jknd sin q na)
F (q)= ?Ane +
n =0 (? -1)
1-Array Factor
2-Streeing Vector
13

حال اگر در اين رابطه به جاي a در رابطه (1-?)، پارامتر kd sinq- را قرار دهيم ، در
راستاي q0 و (F)q بيشينهي مقدار خود (يعني گلبرگ اصلي آنتن ) را خواهد داشت . اکنون q0 از
رابطه (1-7) بهدست مي آيد:
q0 =sin( a) (7-1)

kd
بنابراين همانطور که مشاهده مي شودمي توان باتغيير وزنهاي مختلط و به عبارت ديگر با
تغيير مقدار زاويه (جهت )،گلبرگ اصلي آنتن راتغيير دهيم .
اگر (F)q رابر حسب q در صفحه مختصات دکارتي ياقطبي رسم کنيم ، همان الگوي تشعشعي آرايه به دست مي آيد.شکل (1-?) الگوي تشعشعي يک آرايه ي خطي 8 عنصري بافاصله ي عناصر برابر با d و طول موج برابر l را نشان مي دهد که 0 = a و 2 .l =d است .
همچنين شکل (1-7) الگويتشعشعي همان آرايه رادر مختصات دکارتي نشان مي دهد[?].
شکل 1-?. الگوي تشعشعي يک آرايه خطي 8 عنصري در مختصات قطبي [?]
شکل 1-7. الگوي تشعشعي يک آرايه خطي 8 عنصري در مختصات دکارتي [?]
1?
1-3-2) آنتن هوشمند
نظريه آنتن هاي هوشمند يا تطبيقي ، موضوع جديدي نيست و از اين آنتن ها سالها در جنگ هاي
الکترونيک استفاده شده است . اولين استفادهي عملي از آن به جنگ جهاني دوم (19?0) بر مي گردد.
آنتن هاي هوشمند در واقع تکامل يافتهي آنتن هاي آرايهاي هستند که در بخش (1-2) بررسي شد. آنتن – هاي



قیمت: تومان


پاسخ دهید