多徑效應

多徑效應

多徑效應,(multipatheffect),是電波傳播信道中的多徑傳輸現象所引起的干涉延時效應。在實際的無線電波傳播信道中(包括所有波段),常有許多時延不同的傳輸路徑。各條傳播路徑會隨時間變化,參與干涉的各分量場之間的相互關係也就隨時間而變化,由此引起合成波場的隨機變化,從而形成總的接收場的衰落。因此,多徑效應是衰落的重要成因。多徑效應對於數字通信、雷達最佳檢測等都有著十分嚴重的影響。

簡介

多徑效應工作原理
多徑效應移動體(如汽車)往來於建築群與障礙物之間,其接收信號的強度,將由各直射波反射波疊加合成。多徑效應會引起信號衰落。各條路徑的電長度會隨時間而變化,故到達接收點的各分量場之間的相位關係也是隨時間而變化的。這些分量場的隨機干涉,形成總的接收場的衰落。各分量之間的相位關係對不同的頻率是不同的。因此,它們的干涉效果也因頻率而異,這種特性稱為頻率選擇性。在寬頻信號傳輸中,頻率選擇性可能表現明顯,形成交調。與此相應,由於不同路徑有不同時延,同一時刻發出的信號因分別沿著不同路徑而在接收點前後散開,而窄脈衝信號則前後重疊。

描述

多徑效應多徑效應
多徑時延特性可用時延譜或多徑散布譜(即不同時延的信號分量平均功率構成的譜)來描述。與時延譜等價的是頻率相關函式。實際上,人們只簡單利用時延譜的某個特徵量來表征。例如,用最大時延與最小時延的差,表征時延譜的尖銳度和信道容許傳輸頻寬。這個值越小,信道容許傳輸頻帶越寬。

短波的多徑效應

多徑效應多徑效應
傳播的多徑效應經常發生而且很嚴重。它有兩種形式的多徑現象:一種是分離的多徑,由不同跳數的射線、高角和低角射線等形成,其多徑傳播時延差較大;另一種是微分的多徑,多由電離層不均勻體所引起,其多徑傳播時延差很小。對流層電波傳播信道中的多徑效應問題也很突出。多徑產生於湍流團對流層層結。在視距電波傳播中,地面反射也是多徑的一種可能來源。

影響

多徑效應多徑效應影響
多徑會導致信號的衰落和相移。瑞利衰落就是一種衝激回響幅度服從瑞利分布的多徑信道的統計學模型。對於存在直射信號的多徑信道,其統計學模型可以由萊斯衰落描述。
在電視信號傳輸中可以直觀地看到多徑對於通信質量的影響。通過較長的路逕到達接收天線的信號分量比以較短路逕到達天線的信號稍遲。因為電視電子槍掃描是由左到右,遲到的信號會在早到的信號形成的電視畫面上疊加一個稍稍靠右的虛像。
基於類似的原因,單個目標會由於地形反射在雷達接收機上產生一個或多個虛像。這些虛像的運動方式與它們反射的實際物體相同,因此影響到雷達對目標的識別。為克服這一問題,雷達接收端需要將信號與附近的地形圖相比對,將由反射產生的看上去在地面以下或者在一定高度以上的信號去除。
在數字無線通信系統中,多徑效應產生的符號間干擾(intersymbolinterference,ISI)會影響到信號傳輸的質量。時域均衡、正交頻分復用(OFDM)和Rake接收機都能用於對抗由多徑產生的干擾。

抵抗措施

多徑效應抗干擾措施
抗多徑干擾主要有如下幾個方面措施:

(1)提高接收機的距離測量精度,如窄相關碼跟蹤環、相位測距平滑偽距等;
(2)抗多徑天線;

智慧型天線利用多個天線陣元的組合進行信號處理,自動調整發射和接收方向圖,以針對不同的信號環境達到最優性能。智慧型天線是一種空分多址(SDMA)技術,主要包括兩個方面:空域濾波和波達方向(DOA)估計。空域濾波(也稱波束賦形)的主要思想是利用信號、干擾和噪聲在空間的分布,運用線性濾波技術儘可能地抑制干擾和噪聲,以獲得儘可能好的信號估計。

多徑效應多徑效應

智慧型天線通過自適應算法控制加權,自動調整天線的方向圖,使它在干擾方向形成零陷,將干擾信號抵消,而在有用信號方向形成主波束,達到抑制干擾的目的。加權係數的自動調整就是波束的形成過程。智慧型天線波束成型大大降低了多用戶干擾,同時也減少了小區間干擾。
(2)抗多徑信號處理與自適應抵消技術等。
多址干擾是由於在多用戶系統中採用傳統單用戶接收方案而造成的惡果。單用戶接收機採用匹配濾波器作為相關判決的工具,並不考慮多址干擾的存在,每個用戶的檢測都不考慮其他用戶的影響,是一種針對單用戶檢測的策略。一般說來,單個用戶傳輸時不存在多址干擾,但在多用戶環境中,當干擾用戶數增加或者他們的發射功率增加時,多址干擾將不容忽視。因此多用戶檢測技術應允而生,其算法有最優檢測算法和次優檢測算法。

CDMA系統中,多用戶檢測問題實際上就是從若干個隨機變數線性組合後加噪聲的觀察值中提取出目標隨機變數的過程。一般情況下,多用戶接收機不僅需要知道所有用戶的擴頻信息而且還需隨著系統的時變不斷更新。此外,還需估計用戶的幅值、相位以及定時信息用於接收端的檢測,這樣勢必造成計算複雜度的增加。由於這一限制,多用戶檢測大都套用於基站一側,若要將其套用於移動台一側,一種實現方法是傳送已知的訓練序列自適應地將接收機參數調整到理想的工作狀態。該方法有明顯的弊病:當信道回響突變或者用戶數目變化時,就必須重新傳送訓練序列,而頻繁傳送訓練序列會造成頻譜資源的極大浪費。鑒於以上原因,開發不需要所有用戶的擴頻信息,也不需要傳送訓練序列的盲多用戶檢測算法成為業界研究的新熱點。以線性檢測為例,線性盲多用戶檢測就是在不知道干擾用戶擴頻信息,也不需要訓練序列的情況下求出權向量的過程。由於所有用戶都以相同調製方式獨立工作,可以假設各用戶的信息碼元及同一用戶的不同碼元之間都是獨立同分布的,而幅度的差異可以反映在信道回響混合矩陣的係數中。

套用

多徑效應多徑效應
多徑效應不僅是衰落的經常性成因,而且是限制傳輸頻寬或傳輸速率的根本因素之一。在短波通信中,為保證電路在多徑傳輸中的最大時延與最小時延差不大於某個規定值,工作頻率要求不低於電路最高可用頻率的某個百分數。這個百分數稱為多徑縮減因子,是確定電路最低可用頻率的重要依據之一。對流層傳播信道中的抗多徑措施,通常有抑制地面反射、採用窄天線波束和分集接收等。

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