Диверситет антенн

Диверситет антенн реализуют различными способами. В зависимости от окружающей среды и ожидаемых помех проектанты применяют один или несколько из них для улучшения качества сигнала. Часто используют комбинацию методов для повышения надёжности.

• Пространственный диверситет строится на применении нескольких антенн с одинаковыми характеристиками, разнесённых в пространстве. Для получения эффекта обычно достаточно разнести антенны на расстояние порядка длины волны, иногда требуются большие дистанции. Например, секторизация сотовых сетей — это разновидность пространственного диверситета, где антенны или базовые станции могут находиться на удалении в несколько километров. Такой подход особенно полезен для мобильных коммуникаций, позволяя многим пользователям разделять ограниченный диапазон частот и избегать внутриканальных помех.
• Диверситет диаграмм направленности заключается в использовании двух и более антенн, расположенных рядом, но отличающихся диаграммами излучения. Обычно применяют направленные антенны, разделённые на небольшое расстояние. Вместе они перекрывают больший угол пространства и могут обеспечивать больший усиление по сравнению с одной всенаправленной антенной.
• Диверситет по поляризации использует пары антенн с взаимно ортогональными поляризациями (например, горизонтальной/вертикальной, ±45° или круговой — левой/правой). Отражённые сигналы могут изменять поляризацию в зависимости от среды; отличие на 90° ведёт к ослаблению сигнала до 34 дБ. Сочетая дополняющие поляризации, этот метод защищает систему от нестыковок поляризации и связанных с ними замираний. Подобные схемы особенно эффективны на базовых станциях радиосвязи и мобильной связи, так как меньше зависят от произвольных положений передающих антенн^[1].
• Диверситет передачи/приёма предполагает использование двух раздельных, совмещённых антенн для передачи и приёма. Такая схема избавляет от необходимости в дуплексере и защищает чувствительные приёмные элементы от мощного сигнала на передаче.
• Адаптивные решётки — это либо отдельная антенна с активными элементами, либо массив аналогичных антенн, способный изменять комбинированную диаграмму направленности в зависимости от условий. Активные фазированные антенные решётки (AESA) управляют фазовращателями и аттенюаторами, обеспечивая практически мгновенное сканирование, управление диаграммой и поляризацией. Это особо ценно для радарных систем, позволяя одной антенне переключаться между режимами поиска, слежения, картографирования и подавления помех.

Все перечисленные выше схемы требуют специальной обработки сигнала для выделения полезного сообщения. Обычно применяют следующие методы:

• Переключение: приёмник работает с сигналом только одной антенны, пока его качество превышает заданный порог. При ухудшении сигнала приём переключается на другую антенну. Этот способ наиболее прост и энергосберегающ, однако во время переключения возможны кратковременные замирания и рассогласование приёмника.
• Выбор: как и в предыдущем случае, к приёмнику подаётся сигнал с одной антенны за раз, однако выбирается антенна, обеспечивающая наилучшее отношение сигнал/шум (SNR) среди всех доступных. Это требует предварительных измерений и кратковременного подключения всех антенн (как минимум в момент оценки SNR), что увеличивает энергопотребление. Выбор осуществляется, например, между пакетами данных; переключение возможно по каждому пакету.
• Комбинирование: все антенны всегда подключены, их сигналы объединяются и поступают на обработку. В простейшем случае проводится сложение с равными коэффициентами (equal gain), в более сложных — взвешенное и когерентное сложение (максимальное соотношение). Такой способ наилучшим образом борется с замираниями, но требует постоянной активной работы всех трактов и большего энергопотребления.
• Динамическое управление: динамический приёмник может по ситуации выбирать между перечисленными выше методами обработки, обеспечивая баланс между энергопотреблением и надёжностью. Переходы между режимами и антеннами инициируются в зависимости от оценки качества канала. При низком уровне замираний используется одна антенна, при ухудшении условий включаются более надёжные, но требовательные к ресурсам схемы.

Практически важным примером применения диверситета приёма являются беспроводные микрофоны и аналогичные электронные устройства, такие как беспроводные гитарные системы. Микрофон с приёмником только на одной антенне подвержен случайным замираниям, шумам и прочим помехам, особенно при движении передатчика. Использование диверситетного приёма (на двух антеннах) позволяет мгновенно (за микросекунды) переключиться на вторую антенну при ухудшении сигнала, что уменьшает число потерь и шумов вплоть до идеального варианта без выпадений сигнала.

Часто диверситет антенн применяется в оборудовании Wi-Fi и в беспроводных телефонах для компенсации искажений от многолучевости — приёмная станция выбирает одну из двух антенн, принимающую наилучший сигнал. Для максимального эффекта антенны располагают на расстоянии длины волны друг от друга. Для сантиметровых волн (до 100 см) возможна установка двух антенн рядом; для километровых волн расстояния достигают нескольких метров, делая такие схемы менее удобными.

Сотовые вышки также нередко используют диверситет — на каждой панели (секторе) размещают по две антенны: одна работает и на передачу, и на приём, вторая — только на приём. Для реализации диверситетного приёма используется два приёмника.

Использование мультиантенных систем на передаче и приёме приводит к реализации систем с множеством входов и выходов (MIMO, англ. multiple-input multiple-output). Совместное применение диверситетных схем на обоих концах канала называется пространственно-временным кодированием.

Пространственное кодирование (diversity coding) — это методы пространственного кодирования для систем MIMO в беспроводных каналах. Такие каналы особенно подвержены замираниям, что уменьшает надёжность декодирования данных. В простейшем случае пространственное кодирование предусматривает передачу нескольких копий сигнала через разные передающие антенны. Если один канал теряет информацию, другие могут быть использованы для её восстановления. MIMO тем самым обеспечивает пространственный диверситет и пространственное мультиплексирование.