Многолучевое распространение

Концепция радиосвязи

В радиосвязи многолучевое распространение — это явление распространения , которое приводит к тому, что радиосигналы достигают приемной антенны двумя или более путями. Причинами многолучевого распространения являются атмосферные каналы , ионосферное отражение и рефракция , 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 создать помехи и сдвиг фазы сигнала. Деструктивная интерференция вызывает замирание ; это может привести к тому, что радиосигнал станет слишком слабым в определенных областях, чтобы его можно было адекватно принять. По этой причине этот эффект также известен как многолучевая интерференция или многолучевое искажение .

Если величины сигналов, поступающих по разным путям, имеют распределение, известное как распределение Рэлея , это известно как замирание Рэлея . Если доминирует один компонент (часто, но не обязательно, компонент прямой видимости ), распределение Райса обеспечивает более точную модель, и это известно как замирание Райса . Если доминируют два компонента, поведение лучше всего моделируется с помощью распределения двух волн с диффузной мощностью (TWDP) . Все эти описания широко используются и принимаются и приводят к результатам. Однако они являются общими и абстрактными/скрывают/приблизительно отражают лежащую в основе физику.

Вмешательство

Когерентные волны, распространяющиеся по двум разным путям, придут со сдвигом фаз и, следовательно, будут мешать друг другу.

Многолучевая интерференция — это явление в физике волн , при котором волна от источника распространяется к детектору по двум или более путям, и два (или более) компонента волны интерферируют конструктивно или деструктивно. Многолучевая интерференция — это распространенная причина « ореолов » в аналоговых телевизионных трансляциях и затухания радиоволн .

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

На этой иллюстрации объект (в данном случае самолет) загрязняет систему, добавляя второй путь. Сигнал поступает в приемник (RX) по двум разным путям, имеющим разную длину. Основной путь — прямой, а второй — из-за отражения от самолета.

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

Интерференция возникнет из-за того, что два (или более) компонента волны, как правило, прошли разное расстояние (измеренное по длине оптического пути – геометрической длине и преломлению (разная оптическая скорость)), и, таким образом, достигли детектора в противофазе друг с другом.

Сигнал, возникающий по косвенным путям, создает помехи требуемому сигналу как по амплитуде, так и по фазе, что называется многолучевым замиранием.

Примеры

В аналоговой факсимильной и телевизионной передаче многолучевое распространение вызывает дрожание и ореолы, которые видны как выцветшее дублирующее изображение справа от основного изображения. Призраки возникают, когда сигналы отражаются от горы или другого крупного объекта, а также достигают антенны по более короткому прямому маршруту, при этом приемник принимает два сигнала, разделенных задержкой.

Многолучевые отражения радара от реальной цели приводят к появлению призраков.

При обработке радара многолучевое распространение приводит к появлению призрачных целей, обманывая приемник радара . Эти привидения особенно надоедливы, поскольку они движутся и ведут себя как обычные цели (которые они отражают), и поэтому приемнику трудно выделить правильный эхо-сигнал цели. Эти проблемы можно свести к минимуму, включив наземную карту окрестностей радара и исключив все эхо-сигналы, которые, как кажется, возникают под землей или выше определенной высоты (высоты).

В цифровой радиосвязи (например, GSM ) многолучевое распространение может вызывать ошибки и влиять на качество связи. Ошибки возникают из-за межсимвольной интерференции (ISI). Для исправления ISI часто используются эквалайзеры . В качестве альтернативы могут использоваться такие методы, как ортогональная частотная модуляция и приемники Rake .

Ошибка GPS из-за многолучевого распространения

В приемнике Глобальной системы позиционирования эффекты многолучевого распространения могут привести к тому, что выход стационарного приемника будет показывать, что он беспорядочно прыгает или ползет. Когда устройство движется, прыжки или ползание могут быть скрыты, но это все равно ухудшает отображаемую точность местоположения и скорости.

В проводных СМИ

Многолучевое распространение похоже в линиях электропередачи и в телефонных местных линиях связи . В любом случае несоответствие импеданса вызывает отражение сигнала .

Высокоскоростные системы связи по линиям электропередач обычно используют модуляции с несколькими несущими (например, OFDM или вейвлет -OFDM), чтобы избежать межсимвольных помех , которые могут возникнуть из-за многолучевого распространения. Стандарт ITU-T G.hn предоставляет способ создания высокоскоростной (до 1 гигабита в секунду) локальной сети с использованием существующей домашней проводки ( линии электропередач , телефонные линии и коаксиальные кабели ). G.hn использует OFDM с циклическим префиксом, чтобы избежать ISI. Поскольку многолучевое распространение ведет себя по-разному в каждом виде провода, G.hn использует разные параметры OFDM (длительность символа OFDM, длительность защитного интервала) для каждой среды.

DSL-модемы также используют ортогональное частотное разделение мультиплексирования для связи с DSLAM , несмотря на многолучевое распространение. В этом случае отражения могут быть вызваны смешанными калибрами проводов , но отражения от мостовых ответвлений обычно более интенсивны и сложны. Если обучение OFDM неудовлетворительно, мостовые ответвления могут быть удалены.

Математическое моделирование

Математическая модель многолучевого импульсного отклика.

Математическая модель многолучевого распространения может быть представлена ​​с использованием метода импульсного отклика, применяемого для изучения линейных систем .

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

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

На приемнике, из-за наличия нескольких электромагнитных путей, будет получено более одного импульса, и каждый из них прибудет в разное время. Фактически, поскольку электромагнитные сигналы распространяются со скоростью света , и поскольку каждый путь имеет геометрическую длину, возможно, отличную от длины других путей, существуют различные времена перемещения по воздуху (учитывайте, что в свободном пространстве свету требуется 3 мкс, чтобы пересечь расстояние в 1 км). Таким образом, полученный сигнал будет выражен как

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

где — число полученных импульсов (эквивалентное числу электромагнитных путей и, возможно, очень большое), — временная задержка общего импульса, а — комплексная амплитуда (т. е. величина и фаза) общего полученного импульса. Как следствие, также представляет функцию импульсного отклика эквивалентной многолучевой модели. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \tau _{n}}$ ${\displaystyle n^{th}}$ ${\displaystyle \rho _{n}e^{j\phi _{n}}}$ ${\displaystyle y(t)}$ ${\displaystyle h(t)}$

В более общем случае, при наличии изменения во времени геометрических условий отражения, этот импульсный отклик изменяется во времени, и, как таковой, мы имеем

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

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

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

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

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

Математическая модель передаточной функции многолучевого канала.

В практических условиях и измерениях время многолучевого распространения вычисляется путем рассмотрения в качестве последнего импульса первого, который позволяет получить определенную часть общей передаваемой мощности (масштабированную с учетом атмосферных потерь и потерь при распространении), например, 99%.

Придерживаясь линейных, не зависящих от времени систем, мы также можем охарактеризовать явление многолучевого распространения с помощью передаточной функции канала , которая определяется как непрерывное временное преобразование Фурье импульсной характеристики. ${\displaystyle H(f)}$ ${\displaystyle h(t)}$

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

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

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

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

Например, при времени многолучевого распространения 3 мкс (что соответствует дополнительному расстоянию в 1 км по воздуху для последнего принятого импульса) полоса пропускания когерентности составляет около 330 кГц.

Смотрите также

• Антенна с кольцевым дроссельным кольцом , конструкция которой позволяет отсеивать посторонние отраженные сигналы.
• Схемы разнообразия
• Допплеровское распространение
• Выцветание
• Зеркало Ллойда
• Оливия МФСК
• Ортогональное частотное разделение каналов
• Райсианское затухание
• Поток сигнала
• Модель двухлучевого отражения от земли
• Сверхширокополосный
• Приемник граблей

Ссылки

• MIL-STD-188
• Федеральный стандарт 1037C

 В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22.