Многолучевое распространение

В радиосвязи многолучевое распространение — это явление распространения , в результате которого радиосигналы достигают приемной антенны по двум или более путям. Причинами многолучевого распространения являются атмосферные каналы , ионосферное отражение и преломление , а также отражение от водоемов и наземных объектов, таких как горы и здания. Когда один и тот же сигнал принимается более чем по одному пути, это может создавать помехи и фазовый сдвиг сигнала. Деструктивное вмешательство вызывает замирание ; это может привести к тому, что радиосигнал в определенных областях станет слишком слабым для адекватного приема. По этой причине этот эффект также известен как многолучевая интерференция или многолучевое искажение .

Когда величины сигналов, поступающих по различным путям, имеют распределение, известное как распределение Рэлея , это называется замиранием Рэлея . Там, где доминирует один компонент (часто, но не обязательно, компонент прямой видимости ), распределение Райса обеспечивает более точную модель, и это известно как затухание Райса . Там, где доминируют две компоненты, поведение лучше всего моделировать с помощью двухволнового распределения диффузной мощности (TWDP) . Все эти описания широко используются и принимаются и приводят к результатам. Однако они носят общий характер и абстрактны/скрывают/аппроксимируют основную физику.

Помехи

Многолучевая интерференция — это явление в физике волн , при котором волна от источника движется к детектору по двум или более путям, и два (или более) компонента волны конструктивно или деструктивно интерферируют. Многолучевые помехи являются распространенной причиной « двоения » аналогового телевизионного вещания и затухания радиоволн .

Схема идеальной ситуации для телевизионных сигналов, движущихся в пространстве: сигнал покидает передатчик ( TX) и проходит по одному пути к приемнику (телевизору с маркировкой RX).

На этой иллюстрации объект (в данном случае самолет) загрязняет систему, добавляя второй путь. Сигнал поступает на приемник (RX) по двум разным путям разной длины. Основным путем является прямой путь, а второй обусловлен отражением от плоскости.

Необходимым условием является то, чтобы компоненты волны оставались когерентными на всем протяжении своего распространения.

Интерференция будет возникать из-за того, что два (или более) компонента волны, как правило, прошли разную длину (измеряемую длиной оптического пути - геометрической длиной и рефракцией (различной оптической скоростью)) и, таким образом, достигли детектора. в противофазе друг с другом.

Сигнал из-за непрямых путей мешает требуемому сигналу как по амплитуде, так и по фазе, что называется многолучевым замиранием.

Примеры

При аналоговой факсимильной и телевизионной передаче многолучевое распространение вызывает дрожание и ореолы, которые выглядят как блеклый дубликат изображения справа от основного изображения. Призраки возникают, когда сигналы отражаются от горы или другого крупного объекта, а также достигают антенны по более короткому прямому маршруту, когда приемник принимает два сигнала, разделенных задержкой.

При радиолокационной обработке многолучевое распространение вызывает появление призрачных целей, вводя в заблуждение радиолокационный приемник . Эти призраки особенно неприятны, поскольку они движутся и ведут себя как обычные цели (которые они отражают), и поэтому приемнику трудно выделить правильное эхо цели. Эти проблемы можно свести к минимуму путем включения карты местности вокруг радара и устранения всех эхо-сигналов, которые кажутся возникающими под землей или над определенной высотой (высотой).

В цифровой радиосвязи (например, GSM ) многолучевое распространение может вызывать ошибки и влиять на качество связи. Ошибки возникают из-за межсимвольной интерференции (ISI). Эквалайзеры часто используются для коррекции ISI. В качестве альтернативы могут использоваться такие методы, как модуляция с ортогональным частотным разделением и гребенчатые приемники .

Ошибка GPS из-за многолучевого распространения

В приемнике глобальной системы позиционирования эффекты многолучевого распространения могут привести к тому, что выходной сигнал стационарного приемника будет выглядеть так, как будто он случайно подпрыгивает или ползет. При движении юнита прыжки или ползание могут быть скрыты, но это все равно ухудшает отображаемую точность определения местоположения и скорости.

В проводных СМИ

Многолучевое распространение аналогично передаче по линиям электропередачи и в телефонных линиях . В любом случае несоответствие импедансов вызывает отражение сигнала .

Системы связи по высокоскоростным линиям электропередачи обычно используют модуляцию с несколькими несущими (например, OFDM или вейвлет OFDM), чтобы избежать межсимвольных помех , которые могут вызвать многолучевое распространение. Стандарт ITU-T G.hn предоставляет возможность создания высокоскоростной (до 1 гигабит в секунду) локальной сети с использованием существующей домашней проводки ( линии электропередачи , телефонные линии и коаксиальные кабели ). G.hn использует OFDM с циклическим префиксом , чтобы избежать ISI. Поскольку многолучевое распространение происходит по-разному в каждом типе проводов, G.hn использует разные параметры OFDM (длительность символа OFDM, длительность защитного интервала) для каждой среды передачи.

Модемы DSL также используют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов для связи со своим DSLAM, несмотря на многолучевое распространение. В этом случае отражения могут быть вызваны проводами смешанного сечения , но отражения от отводов моста обычно более интенсивны и сложны. Если обучение OFDM является неудовлетворительным, отводы моста могут быть удалены.

Математическое моделирование

Математическая модель многолучевого распространения может быть представлена с помощью метода импульсной характеристики , используемого при исследовании линейных систем .

Предположим , вы хотите передать одиночный идеальный импульс Дирака электромагнитной мощности в момент времени 0, т.е.

{\ displaystyle x (t) = \ delta (t)}

В приемнике из-за наличия нескольких электромагнитных путей будет получено более одного импульса, и каждый из них придет в разное время. Фактически, поскольку электромагнитные сигналы распространяются со скоростью света и поскольку каждый путь имеет геометрическую длину, возможно, отличную от длины других, существует разное время прохождения по воздуху (учтите, что в свободном пространстве свет занимает 3 мкс). пересечь участок длиной 1 км). Таким образом, принятый сигнал будет выражаться выражением

y(t)=h(t)=\sum _{n=0}^{N-1}{\rho _{n}e^{j\phi _{n}}\delta (t-\tau _{n})}

где - количество принятых импульсов (эквивалентное количеству электромагнитных путей и, возможно, очень большое), - временная задержка общего импульса и представляет собой комплексную амплитуду (т. е. величину и фазу) общего принятого импульса. Как следствие, также представляет собой функцию импульсного отклика эквивалентной модели многолучевого распространения. $N$ $\tau _{n}$ $n^{th}$ $\rho _{n}e^{j\phi _{n}}$ $y(t)$ $h(t)$

В более общем смысле, при наличии изменения во времени геометрических условий отражения, эта импульсная характеристика меняется во времени, и поэтому мы имеем

\tau _{n}=\tau _{n}(t)

\rho _{n}=\rho _{n}(t)

\phi _{n}=\phi _{n}(t)

Очень часто для обозначения серьезности условий многолучевого распространения используется всего один параметр: он называется временем многолучевого распространения и определяется как временная задержка, существующая между первым и последним полученными импульсами. $T_{M}$

T_{M}=\tau _{N-1}-\tau _{0}

В практических условиях и измерениях время многолучевого распространения рассчитывается путем рассмотрения в качестве последнего импульса первого импульса, который позволяет получить определенное количество общей передаваемой мощности (масштабируемое атмосферными потерями и потерями на распространение), например 99%.

Сохраняя нашу цель в линейных, инвариантных во времени системах, мы также можем охарактеризовать явление многолучевого распространения с помощью передаточной функции канала , которая определяется как непрерывное во времени преобразование Фурье импульсной характеристики. $H(f)$ $h(t)$

H(f)={\mathfrak {F}}(h(t))=\int _{-\infty }^{+\infty }{h(t)e^{-j2\pi ft}dt}=\sum _{n=0}^{N-1}{\rho _{n}e^{j\phi _{n}}e^{-j2\pi f\tau _{n}}}

где последний правый член предыдущего уравнения легко получить, если вспомнить, что преобразование Фурье импульса Дирака представляет собой комплексную экспоненциальную функцию, собственную функцию каждой линейной системы.

Полученная передаточная характеристика канала имеет типичный вид последовательности пиков и впадин (также называемых провалами ); можно показать, что в среднем расстояние (в Гц) между двумя последовательными впадинами (или двумя последовательными пиками) примерно обратно пропорционально времени многолучевого распространения. Таким образом , так называемая полоса когерентности определяется как

B_{C}\approx {\frac {1}{T_{M}}}

Например, при времени многолучевого распространения 3 мкс (что соответствует 1 км дополнительного пути в эфире для последнего полученного импульса) полоса когерентности составляет около 330 кГц.

Смотрите также