什么是多徑效應_多徑效應的簡介及描述參數(shù)

　　什么是多徑效應？多徑效應（multipath effect）是指電磁波經(jīng)不同路徑傳播后，各分量場到達接收端時間不同，按各自相位相互疊加而造成干擾，使得原來的信號失真，或者產(chǎn)生錯誤。比如電磁波沿不同的兩條路徑傳播，而兩條路徑的長度正好相差半個波長，那么兩路信號到達終點時正好相互抵消了（波峰與波谷重合）。這種現(xiàn)象在以前看模擬信號電視的過程中經(jīng)常會遇到，在看電視的時候如果信號較差，就會看到屏幕上出現(xiàn)重影，這是因為電視上的電子槍從左向右掃描時，用后到的信號在稍靠右的地方形成了虛像。因此，多徑效應是衰落的重要成因。多徑效應對于數(shù)字通信、雷達最佳檢測等都有著十分嚴重的影響。

　　多徑效應簡介

　　多徑效應移動體（如汽車）往來于建筑群與障礙物之間，其接收信號的強度，將由各直射波和反射波疊加合成。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系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系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。在寬帶信號傳輸中，頻率選擇性可能表現(xiàn)明顯，形成交調。與此相應，由于不同路徑有不同時延，同一時刻發(fā)出的信號因分別沿著不同路徑而在接收點前后散開，而窄脈沖信號則前后重疊。

　　在無線通信的信道中，電波傳播除了直射波和地面反射波之外，在傳播過程中還會有各種障礙物所引起的散射波，從而產(chǎn)生多徑效應。

　　所謂多徑效應是指：無線信號在經(jīng)過短距離傳播后其幅度快速衰落，以致大尺度影響可以忽略不計，而這種衰落是由于同一傳播信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達接收機的信號相互干涉所引起的，這些波稱為多徑波，接收機天線將它們合成一個幅度和相位都急劇變化的信號，其變化程度取決于多徑波的強度、相對傳播時間以及傳播信號的帶寬。

　　多徑效應描述參數(shù)

　　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數(shù)。實際上，人們只簡單利用時延譜的某個特征量來表征。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帶寬。這個值越小，信道容許傳輸頻帶越寬。

　　無線信道的多徑性，會導致小尺度衰落的多徑性，多徑傳播導致經(jīng)過短距離或短時間傳播后信號強度的急速變化，對不同的多徑信號，存在著時變的多普勒頻移引起的隨機頻率調制。

　　多徑信道的特性可以用以下一些參數(shù)描述：時間色散參數(shù)、帶寬、多普勒擴展、相干時間以及衰落。時延展寬和相干帶寬是用于描述本地信道時間色散特性的兩個參數(shù)。然而，它們并未提供描述信道時變特性的信息。這種時變特性或是由移動臺與基站間的相對運動引起的，或是由信道路徑中物體的運動引起的。多普勒擴展和相干時間就是描述小尺度內(nèi)信道時變特性的兩個參數(shù)。

　　時間色散

　　時延擴展是由反射及散射時傳播路徑引起的現(xiàn)象。多徑效應在時域上造成數(shù)字信號波形的展寬。

　　假設基站發(fā)射一個極短的脈沖信號，經(jīng)過多徑信道后，移動臺接收到的信號呈現(xiàn)為一串脈沖，結果使脈沖寬度被展寬。這種因多徑傳播造成信號時間擴散的現(xiàn)象，稱為多徑時散。由于多徑性質是隨時間而變化的，如果進行多次發(fā)送試驗，則接收到的脈沖序列是變化的，如圖3所示，圖中包括脈沖數(shù)量N的變化、脈沖大小的變化及脈沖時延差的變化。

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　　圖中（a） N=3，（b）N=4，（c）N=5

　　在接收方收到的信號為N個不同路徑傳播的信號之和，即：

　　式中：為第條路徑的衰減系數(shù)；為第條路徑的相對延時差。

　　由于實際上各個脈沖幅度是隨機變化的，它們在時間上可以互不重疊，也可以相互重疊，甚至隨移動臺周圍散射體數(shù)目的增加，所接收到離散脈沖會變成有一定寬度的連續(xù)信號脈沖。

　　設E（t）為接收到的離散信號的歸一化包絡特性曲線，它是以不同的時延信號所構成的時延譜。E（t）的一階矩為平均多徑時延τ；E（t）的均方根為多徑時延散布，稱為時延擴展，記作，它表示多徑時延程度。

　　Δ越大時延擴展越嚴重；Δ越小時延擴展越輕。

　　在測定最大時延擴展時，一般是用包絡下降30dB時測定的時延值。通常情況下，市區(qū)的時延擴展要比郊區(qū)大，為了避免碼間干擾，在無抗多徑措施時，則要求信號的傳輸速率比1/ Δ低得多。

　　相關帶寬

　　相干帶寬是一定范圍內(nèi)頻率的統(tǒng)計測量值，是建立在信道上所有譜分量均以幾乎相同的增益及線性相位通過的基礎上的。也就是說，相干帶寬是指一特定的頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個頻率分量有很強的幅度相關性。頻率間隔大于Bc的兩個正弦信號受信道影響大不相同。如果相干帶寬定義為頻率相關函數(shù)大于0.9的某特定帶寬，則相干帶寬近似為：

　　式中σt為時延擴展。

　　如果將定義放寬到相關函數(shù)值大于0.5，則相干帶寬近似為：

　　到目前為止，相干帶寬與時延擴展之間不存在確定的關系。一般來說，譜分析技術與仿真可用于確定時變多徑系統(tǒng)對某一特定發(fā)送信號的影響。因此，在無線應用中，設計特定的調制解調方式必須采用精確的信道模型。

　　多普勒擴展

　　多普勒擴展BD是譜展寬的測量值，這個譜展寬是移動無線信道的時間變化率的一種量度。多譜勒擴展定義為一個頻率范圍，在此范圍內(nèi)接收的多普勒譜有非0值。當發(fā)送頻率為f的純無線信號時，接收信號譜即多譜勒譜在 fc-fd至fc+fd范圍內(nèi)存在分量，fd是多譜勒頻移。如果基帶信號帶寬遠大于BD，則在接收機端可忽略多普勒擴展的影響，這是一個慢衰落信道。

　　相干時間是多普勒擴展在時域中的表示，用于在時域中描述信道頻率色散的時變特性，用Tc表示，它與頻率成反比。

　　相干時間是信道沖激響應保持不變的時間間隔統(tǒng)計平均值。也就是說，相干時間是指一段時間間隔，在此間隔內(nèi)，兩個到達信號有很強的幅度相關性。如果基帶信號帶寬的倒數(shù)大于信道相干時間，那么傳輸中的基帶信號可能會發(fā)生改變，導致接收機信號失真。如時間相關函數(shù)定義大于0.5時，相干時間近似為：

　　式中fm是多普勒頻移。