多徑效應（multipath effect）：指電磁波經不同路徑傳播後，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）。這種現象在以前看模擬信號電視的過程中經常會遇到，在看電視的時候如果信號較差，就會看到螢幕上出現重影，這是因為電視上的電子槍從左向右掃描時，用後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。多徑效應對於數字通信、雷達最佳檢測等都有著十分嚴重的影響。
基本介紹
- 中文名：多徑效應
- 外文名：multipath effect
- 套用學科：物理學
- 適用領域範圍：數字通信、雷達最佳檢測
簡介,現象,描述參數,時間色散,相關頻寬,都卜勒擴展,影響,抵抗措施,套用,補充,
簡介
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。
多徑效應
多徑效應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，從而產生多徑效應。
所謂多徑效應是指：無線信號在經過短距離傳播後其幅度快速衰落，以致大尺度影響可以忽略不計，而這種衰落是由於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，其變化程度取決於多徑波的強度、相對傳播時間以及傳播信號的頻寬。
現象
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。多徑產生於湍流團和對流層層結。在視距電波傳播中，地面反射也是多徑的一種可能來源。
多徑效應
多徑效應描述參數
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。
無線信道的多徑性，會導致小尺度衰落的多徑性，多徑傳播導致經過短距離或短時間傳播後信號強度的急速變化，對不同的多徑信號，存在著時變的都卜勒頻移引起的隨機頻率調製。
多徑信道的特性可以用以下一些參數描述：時間色散參數、頻寬、都卜勒擴展、相干時間以及衰落。時延展寬和相干頻寬是用於描述本地信道時間色散特性的兩個參數。然而，它們並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台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。都卜勒擴展和相干時間就是描述小尺度內信道時變特性的兩個參數。
時間色散
時延擴展是由反射及散射時傳播路徑引起的現象。多徑效應在時域上造成數位訊號波形的展寬。
假設基站發射一個極短的脈衝信號，經過多徑信道後，移動台接收到的信號呈現為一串脈衝，結果使脈衝寬度被展寬。這種因多徑傳播造成信號時間擴散的現象，稱為多徑時散。由於多徑性質是隨時間而變化的，如果進行多次傳送試驗，則接收到的脈衝序列是變化的，如圖3所示，圖中包括脈衝數量N的變化、脈衝大小的變化及脈衝時延差的變化。
圖3 時變多徑信道回響示例圖中(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
條路徑的衰減係數；
為第
條路徑的相對延時差。
由於實際上各個脈衝幅度是隨機變化的，它們在時間上可以互不重疊，也可以相互重疊，甚至隨移動台周圍散射體數目的增加，所接收到離散脈衝會變成有一定寬度的連續信號脈衝。
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。
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，市區的時延擴展要比郊區大，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/ 低得多。
相關頻寬
相干頻寬是一定範圍內頻率的統計測量值，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，相干頻寬是指一特定的頻率範圍，在該範圍內，兩個頻率分量有很強的幅度相關性。頻率間隔大於Bc的兩個正弦信號受信道影響大不相同。如果相干頻寬定義為頻率相關函式大於0.9的某特定頻寬，則相干頻寬近似為:
式中
為時延擴展。
如果將定義放寬到相關函式值大於0.5，則相干頻寬近似為：
到目前為止，相干頻寬與時延擴展之間不存在確定的關係。一般來說，譜分析技術與仿真可用於確定時變多徑系統對某一特定傳送信號的影響。因此，在無線套用中，設計特定的調製解調方式必須採用精確的信道模型。
都卜勒擴展
都卜勒擴展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範圍，在此範圍內接收的都卜勒譜有非0值。當傳送頻率為f的純無線信號時，接收信號譜即多譜勒譜在
至
範圍記憶體在分量，
是多譜勒頻移。如果基帶信號頻寬遠大於BD，則在接收機端可忽略都卜勒擴展的影響，這是一個慢衰落信道。
相干時間是都卜勒擴展在時域中的表示，用於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。
相干時間是信道衝激回響保持不變的時間間隔統計平均值。也就是說，相干時間是指一段時間間隔，在此間隔內，兩個到達信號有很強的幅度相關性。如果基帶信號頻寬的倒數大於信道相干時間，那么傳輸中的基帶信號可能會發生改變，導致接收機信號失真。如時間相關函式定義大於0.5時，相干時間近似為：
式中fm是都卜勒頻移。
影響
工作原理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（inter-symbol-interference，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。
時域均衡的基本思想是使用橫向濾波器在延遲時間內利用當前接收到的編碼序列判斷下一個編碼序列，去除判斷規則之外的錯誤編碼，從而消除編碼中存在的錯誤，減小碼間干擾。例如已知編碼序列11001的下一個應該是10，若出現01，則去除，接著判斷下一個序列，直到恢復正確的編碼序列。
正交頻分復用（OFDM）技術是LTE（UMTS標準的長期演進技術）採用的關鍵技術之一，它的基本思想是將數據流分解成若干個獨立的低速比特流，從頻域上說就是分成多個子載波，然後並行傳送出去。這樣可以有效地降低高速傳輸時，由於多徑傳輸而帶來的碼間干擾。為了最大程度地消除多徑效應和其他因素引起的碼間干擾，OFDM技術還在每個信號中設定一段空閒的傳輸時段，稱之為保護間隔，該時間段大於信道最大時延，從而不會對下一個信號產生延時引起的碼間干擾。如圖所示，虛線所示為無信號的空閒段，此時儘管由於多徑傳輸發生前後信號的重疊，但由於空閒段的無信號，因此重疊部分不會產生干擾。實際套用中，由於空閒傳輸時段無波形，此時若為多個載波的重疊部分，則破壞了正交性，會由於多徑傳輸引起信道間干擾（ICI，Inter Channel Interference），為此在空閒時間段也填入信號，稱之為循環前綴，接收時則將此段信號捨棄。圖中虛線部分加入信號波形後即成為循環前綴。
保護間隔圖示
保護間隔圖示抵抗措施
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；
多徑效應
多徑效應（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。
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。
（3）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。
多徑效應
多徑效應在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。圖中為多徑縮減因子與路徑長度的關係。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。
多徑效應影響
多徑效應影響補充
多徑效應在不同條件會使傳輸信號發生平坦衰落、時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落，主要還是頻率選擇性衰落。
抗干擾措施
抗干擾措施假設信號碼元長度為T，第i條傳輸路徑的信號時延與信號平均時延這差為△t,則二者的不同組合可產生三種不同的衰落現象。
〔1〕當信號碼元長度T較小，且△t<<T時，將引起“平坦衰落”；
〔2〕當信號碼元長度T較長，且△t<<T時，將引起“時間選擇性衰落”；
