Введение
Умные антенны (также известные как адаптивные антенные решетки, цифровые антенные решетки, многоэлементные антенны и, в последнее время, MIMO) – это антенные решетки с интеллектуальными алгоритмами обработки сигналов, используемые для идентификации пространственных сигнальных характеристик, таких как угол прихода сигнала (DOA), и для вычисления векторов формирования диаграммы направленности, которые применяются для отслеживания и наведения луча антенны на мобильный объект/цель. Умные антенны не следует путать с реконфигурируемыми антеннами, которые обладают схожими возможностями, но являются антеннами с одним элементом, а не антенными решетками. Технологии умных антенн широко применяются в обработке акустических сигналов, радиолокационных системах слежения и сканирования, радиоастрономии и радиотелескопах, а также преимущественно в сотовых системах связи, таких как WCDMA, UMTS, LTE и 5G NR. Умные антенны выполняют множество функций: оценка DOA, формирование диаграммы направленности, подавление помех и поддержание постоянной амплитуды.
Smart antennas (also known as adaptive array antennas, digital antenna arrays, multiple antennas and, recently, MIMO) are antenna arrays with smart signal processing algorithms used to identify spatial signal signatures such as the direction of arrival (DOA) of the signal, and use them to calculate beamforming vectors which are used to track and locate the antenna beam on the mobile/target. Smart antennas should not be confused with reconfigurable antennas, which have similar capabilities but are single element antennas and not antenna arrays. Smart antenna techniques are used notably in acoustic signal processing, track and scan radar, radio astronomy and radio telescopes, and mostly in cellular systems like W CDMA, UMTS, and LTE and 5G NR. Smart antennas have many functions: DOA estimation, beamforming, interference nulling, and constant modulus preservation.
Оценка направления прибытия (DOA)
Система интеллектуальной антенны оценивает направление прихода сигнала, используя такие методы, как MUSIC (MUltiple SIgnal Classification), оценка параметров сигнала посредством алгоритмов, основанных на ротационной инвариантности (ESPRIT), метод Matrix Pencil или один из их вариантов. Эти методы включают в себя определение пространственного спектра антенной решетки/массива датчиков и вычисление угла прихода сигнала (DOA) по пикам этого спектра. Данные вычисления требуют значительных вычислительных ресурсов. Метод Matrix Pencil особенно эффективен в системах реального времени и при наличии коррелированных источников сигнала.
Формирование балки
Формирование луча – это метод создания диаграммы направленности антенной решетки путем когерентного сложения фаз сигналов в направлении желаемых целей/мобильных объектов и подавления сигналов от нежелательных/помеховых целей. Это может быть реализовано с помощью простого фильтра с конечным импульсным откликом (FIR) с отводами. Коэффициенты фильтра FIR могут также изменяться адаптивно для обеспечения оптимального формирования луча, в смысле минимизации среднеквадратичной ошибки между желаемой и фактической диаграммой направленности. Типичными алгоритмами являются метод наискорейшего спуска и алгоритм наименьших квадратов. В цифровых антенных решетках с множеством каналов применяется цифровое формирование луча, обычно с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ) или быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Типы интеллектуальных антенн
Два основных типа интеллектуальных антенн включают в себя антенны с переключением диаграммы направленности и адаптивные антенные решетки. Системы с переключением диаграммы направленности имеют несколько доступных фиксированных диаграмм направленности. Выбор диаграммы направленности для использования в конкретный момент времени определяется требованиями системы. Адаптивные антенные решетки позволяют антенне направлять луч в любое интересующее направление, одновременно подавляя мешающие сигналы. Оценка направления луча может быть выполнена с использованием методов оценки направления прихода сигнала (DOA). В 2008 году американское агентство NTIA начало масштабную программу помощи потребителям при покупке цифровых телевизионных приставок. Благодаря этой программе многие люди впервые узнали о концепции интеллектуальных антенн. В сфере потребительской электроники "интеллектуальная антенна" – это антенна, соответствующая стандарту интерфейса EIA/CEA 909. В 2017 году израильская аэрокосмическая промышленность представила адаптивную антенную решетку ADA и заявила, что она уже введена в эксплуатацию и будет установлена на "ключевые платформы", используемые вооруженными силами Израиля.