Tương thích tham chiếu không gian dựa trên thông tin liên quan hướng đến của tín hiệu mong muốn và các thành phần đa đường của chúng. Có một số các phương pháp khác nhau để đạt được ước tính thông tin DOA với sự hỗ trợ của các tín hiệu dàn ănten thu được. Các kỹ thuật ước tính số lượng sóng dựa trên sự phân tích ma trận tương quan đầu ra dàn, R E x t x t= [ ( ) H( )], các vấn đề bao gồm các ước tính tương quan giữa các tín hiệu tại các phần tử dàn ănten trong hình 1.5. Thuật toán được gọi là phân loại đa tín hiệu (Multiple Signal Classification – MUSIC) và ước tính các tham số tín hiệu b λi kỹ thuật bất biến luân chuyển (ESPRIT) đều sử dụng phươngpháp này. Tuy nhiên, các thuật toán này không hiệu quả trong việc tìm kiếm các tín hiệu coherent. Các kỹ thuật ước tính tham số thường chủ yếu là kỹ thuật ước tính gần giống lớn nhất (MLE) dựa trên các thuật toán, trong đó ước tính ML của các tham số mong muốn, ví dụ như góc đến, là hàm gần giống phải được tối đa hoá. Các kỹ thuật này có tính phức tạp tính toán cao và cũng yêu cầu dàn ănten phải được định cỡ một cách chính xác. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu thuật thoán định cỡ ănten.
Thủ tục định cỡ ănten được kết hợp chặt chẽ trong một dàn tạo búp sóng số, để dễ dàng lấy các mẫu ănten lựa chọn cao có các búp sóng phụ cực thấp. Việc tự định cỡ là một ưu điểm nhưng trong thực tế cũng có thể là một yêu cầu thiết yếu đối với hệ thống sử dụng một dàn các bộ thu con được tạo nên b λi các phần tử tích cực phân tầng. Một số các kỹ thuật sẵn có như phép đơn ảnh các tín hiệu thử nghiệm tần số vô tuyến chính xác tại các lối vào của bộ nhận, tập trung vào các nguồn tại một vị trí đã biết trong vùng xa hay gần, hay việc sử dụng một bộ tán xạ cụ thể của tín hiệu được phát.
Để cải thiện SIR của tín hiệu nhận được b λi một dàn ănten tương thích, các nút sóng có thể được tạo ra trong mẫu phát xạ của dàn ăten trong hướng nhiễu đồng kênh mạnh.
Tuy nhiên, vị trí gốc và độ sâu của các nút sóng này là rất nhạy đỗi với lỗi pha và biên độ trong dàn ănten. Hiệu năng của các thành phần RF nói chung khác nhau theo nhiệt độ, thời gian và tần số. Do đó, một thủ tục định cỡ trực tuyến yêu cầu có thể diễn ra, trong khi đó các trạm gốc tiếp tục hoạt động bình thường. Chỉ khi các thành phần tích cực phải được định dạng, các thành phần thụ động được giả thiết là ít bị ảnh hư λng của thời gian và nhiệt độ. Sau khi định cỡ sự không tương thích biên độ được giới hạn đến
±0.04 dB và sự không tương thích pha đến ±0.40.
Quá trình định cỡ của một dàn ănten thu 8 x 8 phần tử được phục vụ cho việc thử nghiệm trường pan- European TSUNAMI (II) SDMA được mô tả b λi Passman và Wixforth trong. Mục đích của thủ tục định cỡ là giảm lỗi pha nhỏ hơn 30 và lỗi biên độ ít hơn 0.5 dB. Dàn ănten thu, như biễu diễn trong hình 3.13, gồm 10 dàn con tích cực không gian tuyến tính, mỗi một dàn gồm 8 phần tử ănten đơn được phân chia theo chiều dọc. Dàn con thứ 1 và thứ 10 hoạt động như các phần tử giả để duy trì sự ghép lẫn nhau giữa các dàn con trong toàn dàn. Việc cung cấp mạch để cho phép chấp nhận cả hai tín hiệu dao động theo phương ngang và phương thẳng đứng tại mỗi một dàn con có thể chấp nhận 16 phương dao động khác nhau. Việc định cỡ ănten có thể được chia làm hai giai đoạn, đó là định cỡ offline sau khi sản xuất và định cỡ online được thực hiện trong quá trình vận hành. Định cỡ offline đo các đặc tính của các thành phần thụ động trong đường tín hiệu và giả thiết là bộ chia Wilkinson 16:1 và các coupler hướng 20dB là ổn định theo thời gian và nhiệt độ. Cụ thể hơn nữa, thủ tục định cỡ online sử dụng bộ chia Wilkinson và coupler hướng để đưa một tín hiệu định cỡ vào trong mỗi một đường truyền tín hiệu được dành riêng cho phương nằm ngang và 8 đường truyền theo phương thẳng đứng. Đáp ứng về pha và biên độ của 16 đường tín hiệu này được đo trong băng tần cơ s λ để đặc tính hoá toàn bộ hệ thống ănten. Tuy nhiên, việc đặc tính hoá một cách đầy đủ bộ thu dàn ănten này tại tất cả các tần số cần thiết có thể tạo ra một số lượng lớn dữ liệu và đòi hỏi một thời gian không thực tế.
Thật may mắn là, có thể sử dụng một tập các phép đo được giảm . Các phép đo chức năng chuyển giao đến của dàn ănten, S21, giữa cổng định cỡ trung tâm và 16 cổng thu cho các tín hiệu dao động theo phương thẳng đứng và nằm ngang là rất cần thiết cho việc đặc tính hoá mạng định cỡ. Sự khác biệt về pha lên đến 200 và biến đổi biên độ 2 dB được đo giữa 2 đường tín hiệu định cỡ có vẻ giống nhau. Các phép đo khác của S21
giữa mỗi một cổng dàn con và tất cả các cổng dàn con khác, để đạt được sự kết hợp lẫn nhau giữa các dàn cho thấy mức kết hợp dưới -30 dB giữa tất cả các cổng. Do đó, việc đặc tính hóa mạng định cỡ cần 16 giá trị cường độ và pha, trong khi đó việc ghép đôi lẫn nhau giữa các dàn con cần nhiều hơn 256 số ghi. Ngoài ra, bất cứ sự mất hiệu chỉnh nào giữa các giàn con về cường độ, các mẫu phát xạ trên tất cả các góc phương vị cụ thể và góc ngẩng phải được đo, dẫn đến một khối lượng thông tin đáng kể phải được xử lý.
Bé t¹o bóp sãng Bé t¹o bóp sãng
§iÒu khiÓn ph©n cùc C¸c bé khuyÕch ®¹i C¸c bé läc
T¸m dµn con
phÇn tö gi¶
PhÇn tö gi¶
8 phÇn tö
Cupler cã híng 20dB HÖ thèng ®Þnh cì
§iÒu khiÓn ph©n cùc C¸c bé khuyÕch ®¹i C¸c bé läc
Bé chia Wilkinson 16:1
Hình 2.15: Sơ đồ khối của bộ thu dàn ănten 8x8 phần tử và hệ thống định chuẩn vốn có của Passman và Wixforth cho thấy các cổng phân cực phương ngang và phương thẳng
đứng 2.2.5 Thuật toán mô đun hằng (CM)
Tương thích mù các trọng số dàn có một số ưu điểm hơn so với hai hệ thống dựa trên kỹ thuật tham chiếu thời gian và kỹ thuật tham chiếu không gian. Hệ thống được hỗ trợ tham chiếu thời gian chắc chắn đạt được sự đồng bộ và thực hiện giải điều chế trước khi tương thích trọng số có thể bắt đầu, trong khi đó hệ thống được hỗ trợ b λi kỹ thuật tham chiếu không gian yêu cầu phần cứng cần được định cỡ cẩn thận và dựa trên thông tin DoA. Tuy nhiên, việc trải góc lớn điển hình của tín hiệu đến trong picocells nhỏ sẽ gây ra những khó khăn. Ngược lại, trong một lược đồ tương thích mù không cần các chuỗi tuần tự hay bất cứ thông tin nào liên quan đến hình học của dàn ănten. Việc phân phối có tham chiếu hay chuỗi tuần tự dẫn đến tốc độ dữ liệu tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, sử dụng thuật toán tương thích môđun hằng có thể thu được tín hiệu gây nhiễu thay thế cho tín hiệu mong muốn. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu thuật toán mô đun hằng.
Thuật toán môđun hằng (Constant Modulus-CM) hoạt động dựa trên nguyên lý là biên độ của đầu ra dàn ănten thu phải được giữ nguyên, trừ phi nhiễu gây ra dao động.
Nếu tín hiệu phát, s(n), có một đường bao hằng, thì đầu ra bộ kết hợp, y(n) trong hình
3.10, cũng phải có một đường bao hằng. Tuy nhiên, nếu xuất hiện nhiễu đa đường, thì đầu ra bộ kết hợp y(n) sẽ có một đường bao dao động. Mục tiêu của tạo búp sóng CM là lưu giữ đầu ra dàn thành một tín hiệu có đường bao hằng tính theo trung bình. Điều này có thể đạt được bằng cách dịch chuyển vectơ trọng số dàn, ω, làm tối thiểu một hàm chi phí nhất định nào đó.
Sử dụng thuật toán CM để thực hiện hiệu chỉnh kênh mù, tiêu chuẩn để làm tối thiểu các hàm D(p), được gọi là độ tiêu tán của thứ tự p (p là số nguyên > 0), được định nghĩa b λi:
( )p ( ) ( ( )p p( ))2
D n =E y n −R n , (2.77)
Với Rp là hằng số dương thực được cho b λi : [ ( ) ]2
( ) [ ( ) ]
p
p p
E a n
R n = E a n , (2.78)
Trong đó a(n) là ký tự dữ liệu được phát đi. Hàm chi phí chuẩn là:
( )p ( ) ( ( )p ( ) )p 2
G n =E y n − a n , (2.79)
Không được sử dụng trong tương thích trọng số dàn mù, độc lập với pha của sóng mang nhưng phụ thuộc vào giá trị của tín hiệu đầu ra dàn ănten, y(n) , và giá trị của tín hiệu phát, a(n). Ngược lại, hàm D(p), được sử dụng trong thuật toán CM lại phụ thuộc vào cả pha của sóng mang và giá trị của ký tự dữ liệu.
Trường hợp thực tế được sử dụng nhiều nhất đó là p = 2, trong đó
D(2)( )n =E( ( )y n 2 −R n2( ))2, (2.80) Với
4
2 2
[ ( ) ] [ ( ) ] E a n
R = E a n , (2.81)
Và hàm chi phí, D2(n), là lỗi bình phương trung bình giữa giá trị của tín hiệu đầu ra dàn ănten được bình phương và hằng R2(n). Do đó, một lần nữa, sự khác nhau chủ yếu giữa hàm chi phí truyền thống của phương trình 2.79 và hàm chi phí của thuật toán môđun hằng trong phương trình 2.77 đó là thuật toán môđun hằng không sử dụng những
đối với hằng số R2(n), cái này liên quan đến các mô men của ( )a n cho b λi phương trình 3.81. Nói cách khác, thuật toán tạo búp sóng CM hướng đến đầu ra của bộ kết hợp theo một đường bao hằng.
Hàm chi phí được cho dưới dạng sau:
2 2 2
0
( ) 1 [( ( ) ) ]
J n = 2E y n −y , (2.82)
Trong đó y0 là biên độ tín hiệu không có nhiễu.
Mục tiêu là tìm ra một tập các giá trị của vectơ trọng số dàn, ω, để tối thiểu hàm chi phí đã cho. Điều này có thể đạt được sử dụng phương trình sau:
2 2
(n 1) ( ) 2 ( ( )n y n y y n x n0) ( ) ( 1)
ω + =ω − µ − + , (2.83)
Hay sử dụng công thức cập nhật:
(n 1) ( )n R np( ) y n( )2 y n x n( ) ( )
ω + =ω +µ − , (2.84)
Phương trình được sử dụng trong phương pháp giảm bậc để cập nhật các trọng số dàn và đồng nhất, tách từ phương trình 2.83 sử dụng mẫu hiện có (x n+1) của đầu ra dàn, trong khi đó phương trình 2.84 sử dụng mẫu trước, ( )x n . Những phương trình này đồng nhất với chế độ cập nhật của phương trình 2.35 được sử dụng trong thuật toán LMS, chỉ khác nhau về thuật ngữ lỗi.
Có hai điều kiện, cái có thể dẫn đến tình huống gradient bằng không, để thuật toán dừng tương thích. Thứ nhất là điều kiện y(n) =1, biểu diễn sự tối ưu hội tụ mong muốn. thứ 2 là điều kiện của y(n) =0, để gradient bằng 0. Tuy nhiên , thật may mắn vì đây không phải là một vấn đề thực tế, vì y(n) = 0 không phải là sự cân bằng cố định và tạp âm hệ thống làm thay đổi vectơ trọng số từ điểm građient bằng 0. Một vấn đề khác trong môi trường phađinh gây nhiễu là bộ tạo búp sóng có thể lựa chọn nhiễu như tín hiệu để xử lý, để duy trì một môđun hằng hơn là tín hiệu mong muốn.