多径效应

多径效应（multipath effect）：指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。比如电磁波沿不同的两条路径传播，而两条路径的长度正好相差半个波长，那么两路信号到达终点时正好相互抵消了（波峰与波谷重合）。这种现象在以前看模拟信号电视的过程中经常会遇到，在看电视的时候如果信号较差，就会看到屏幕上出现重影，这是因为电视上的电子枪从左向右扫描时，用后到的信号在稍靠右的地方形成了虚像。因此，多径效应是衰落的重要成因。多径效应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。

简介

多径效应移动体(如汽车)往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。多径效应会引起信号衰落。各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。因此，它们的干涉效果也因频率而异，这种特性称为频率选择性。在宽带信号传输中，频率选择性可能表现明显，形成交调。与此相应，由于不同路径有不同时延，同一时刻发出的信号因分别沿着不同路径而在接收点前后散开，而窄脉冲信号则前后重叠。

在无线通信的信道中，电波传播除了直射波和地面反射波之外，在传播过程中还会有各种障碍物所引起的散射波，从而产生多径效应。

所谓多径效应是指：无线信号在经过短距离传播后其幅度快速衰落，以致大尺度影响可以忽略不计，而这种衰落是由于同一传播信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的，这些波称为多径波，接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间以及传播信号的带宽。

现象

传播的多径效应经常发生而且很严重。它有两种形式的多径现象：一种是分离的多径，由不同跳数的射线、高角和低角射线等形成，其多径传播时延差较大；另一种是微分的多径，多由电离层不均匀体所引起，其多径传播时延差很小。对流层电波传播信道中的多径效应问题也很突出。多径产生于湍流团和对流层层结。在视距电波传播中，地面反射也是多径的一种可能来源。

描述参数

多径时延特性可用时延谱或多径散布谱（即不同时延的信号分量平均功率构成的谱）来描述。与时延谱等价的是频率相关函数。实际上，人们只简单利用时延谱的某个特征量来表征。例如，用最大时延与最小时延的差，表征时延谱的尖锐度和信道容许传输带宽。这个值越小，信道容许传输频带越宽。

无线信道的多径性，会导致小尺度衰落的多径性，多径传播导致经过短距离或短时间传播后信号强度的急速变化，对不同的多径信号，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制。

多径信道的特性可以用以下一些参数描述：时间色散参数、带宽、多普勒扩展、相干时间以及衰落。时延展宽和相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。然而，它们并未提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由移动台与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展和相干时间就是描述小尺度内信道时变特性的两个参数。

时间色散

时延扩展是由反射及散射时传播路径引起的现象。多径效应在时域上造成数字信号波形的展宽。

假设基站发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，移动台接收到的信号呈现为一串脉冲，结果使脉冲宽度被展宽。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。由于多径性质是随时间而变化的，如果进行多次发送试验，则接收到的脉冲序列是变化的，如图3所示，图中包括脉冲数量N的变化、脉冲大小的变化及脉冲时延差的变化。

图中(a) N=3，(b)N=4，(c)N=5

在接收方收到的信号为N个不同路径传播的信号之和，即：

式中：为第条路径的衰减系数；为第条路径的相对延时差。

由于实际上各个脉冲幅度是随机变化的，它们在时间上可以互不重叠，也可以相互重叠，甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接收到离散脉冲会变成有一定宽度的连续信号脉冲。

设E(t)为接收到的离散信号的归一化包络特性曲线，它是以不同的时延信号所构成的时延谱。E(t)的一阶矩为平均多径时延τ；E(t)的均方根为多径时延散布，称为时延扩展，记作，它表示多径时延程度。

越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻。

在测定最大时延扩展时，一般是用包络下降30dB时测定的时延值。通常情况下，市区的时延扩展要比郊区大，为了避免码间干扰，在无抗多径措施时，则要求信号的传输速率比1/ 低得多。

相关带宽

相干带宽是一定范围内频率的统计测量值，是建立在信道上所有谱分量均以几乎相同的增益及线性相位通过的基础上的。也就是说，相干带宽是指一特定的频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。频率间隔大于Bc的两个正弦信号受信道影响大不相同。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽近似为:

式中为时延扩展。

如果将定义放宽到相关函数值大于0.5，则相干带宽近似为：

到目前为止，相干带宽与时延扩展之间不存在确定的关系。一般来说，谱分析技术与仿真可用于确定时变多径系统对某一特定发送信号的影响。因此，在无线应用中，设计特定的调制解调方式必须采用精确的信道模型。

多普勒扩展

多普勒扩展BD是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。多谱勒扩展定义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱有非0值。当发送频率为f的纯无线信号时，接收信号谱即多谱勒谱在至范围内存在分量，是多谱勒频移。如果基带信号带宽远大于BD，则在接收机端可忽略多普勒扩展的影响，这是一个慢衰落信道。

相干时间是多普勒扩展在时域中的表示，用于在时域中描述信道频率色散的时变特性，用Tc表示，它与频率成反比。

相干时间是信道冲激响应保持不变的时间间隔统计平均值。也就是说，相干时间是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中的基带信号可能会发生改变，导致接收机信号失真。如时间相关函数定义大于0.5时，相干时间近似为：

式中fm是多普勒频移。

影响

多径会导致信号的衰落和相移。瑞利衰落就是一种冲激响应幅度服从瑞利分布的多径信道的统计学模型。对于存在直射信号的多径信道，其统计学模型可以由莱斯衰落描述。

在电视信号传输中可以直观地看到多径对于通信质量的影响。通过较长的路径到达接收天线的信号分量比以较短路径到达天线的信号稍迟。因为电视电子枪扫描是由左到右，迟到的信号会在早到的信号形成的电视画面上叠加一个稍稍靠右的虚像。

基于类似的原因，单个目标会由于地形反射在雷达接收机上产生一个或多个虚像。这些虚像的运动方式与它们反射的实际物体相同，因此影响到雷达对目标的识别。为克服这一问题，雷达接收端需要将信号与附近的地形图相比对，将由反射产生的看上去在地面以下或者在一定高度以上的信号去除。

在数字无线通信系统中，多径效应产生的符号间干扰（inter-symbol-interference，ISI）会影响到信号传输的质量。时域均衡、正交频分复用（OFDM）和Rake接收机都能用于对抗由多径产生的干扰。

时域均衡的基本思想是使用横向滤波器在延迟时间内利用当前接收到的编码序列判断下一个编码序列，去除判断规则之外的错误编码，从而消除编码中存在的错误，减小码间干扰。例如已知编码序列11001的下一个应该是10，若出现01，则去除，接着判断下一个序列，直到恢复正确的编码序列。

正交频分复用（OFDM）技术是LTE（UMTS标准的长期演进技术）采用的关键技术之一，它的基本思想是将数据流分解成若干个独立的低速比特流，从频域上说就是分成多个子载波，然后并行发送出去。这样可以有效地降低高速传输时，由于多径传输而带来的码间干扰。为了最大程度地消除多径效应和其他因素引起的码间干扰，OFDM技术还在每个信号中设置一段空闲的传输时段，称之为保护间隔，该时间段大于信道最大时延，从而不会对下一个信号产生延时引起的码间干扰。如图所示，虚线所示为无信号的空闲段，此时尽管由于多径传输发生前后信号的重叠，但由于空闲段的无信号，因此重叠部分不会产生干扰。实际应用中，由于空闲传输时段无波形，此时若为多个载波的重叠部分，则破坏了正交性，会由于多径传输引起信道间干扰（ICI，Inter Channel Interference），为此在空闲时间段也填入信号，称之为循环前缀，接收时则将此段信号舍弃。图中虚线部分加入信号波形后即成为循环前缀。

抵抗措施

抗多径干扰主要有如下几个方面措施：

（1）提高接收机的距离测量精度，如窄相关码跟踪环、相位测距、平滑伪距等；

（2）抗多径天线；

智能天线利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能。智能天线是一种空分多址(SDMA)技术,主要包括两个方面：空域滤波和波达方向(DOA)估计。空域滤波(也称波束赋形)的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布，运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信号估计。

智能天线通过自适应算法控制加权，自动调整天线的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而在有用信号方向形成主波束，达到抑制干扰的目的。加权系数的自动调整就是波束的形成过程。智能天线波束成型大大降低了多用户干扰，同时也减少了小区间干扰。

（3）抗多径信号处理与自适应抵消技术等。

多址干扰是由于在多用户系统中采用传统单用户接收方案而造成的恶果。单用户接收机采用匹配滤波器作为相关判决的工具，并不考虑多址干扰的存在，每个用户的检测都不考虑其他用户的影响，是一种针对单用户检测的策略。一般说来，单个用户传输时不存在多址干扰，但在多用户环境中，当干扰用户数增加或者他们的发射功率增加时，多址干扰将不容忽视。因此多用户检测技术应允而生，其算法有最优检测算法和次优检测算法。

在CDMA系统中，多用户检测问题实际上就是从若干个随机变量线性组合后加噪声的观察值中提取出目标随机变量的过程。一般情况下，多用户接收机不仅需要知道所有用户的扩频信息而且还需随着系统的时变不断更新。此外，还需估计用户的幅值、相位以及定时信息用于接收端的检测，这样势必造成计算复杂度的增加。由于这一限制，多用户检测大都应用于基站一侧，若要将其应用于移动台一侧，一种实现方法是发送已知的训练序列自适应地将接收机参数调整到理想的工作状态。该方法有明显的弊病：当信道响应突变或者用户数目变化时，就必须重新发送训练序列，而频繁发送训练序列会造成频谱资源的极大浪费。鉴于以上原因，开发不需要所有用户的扩频信息，也不需要发送训练序列的盲多用户检测算法成为业界研究的新热点。以线性检测为例，线性盲多用户检测就是在不知道干扰用户扩频信息，也不需要训练序列的情况下求出权向量的过程。由于所有用户都以相同调制方式独立工作，可以假设各用户的信息码元及同一用户的不同码元之间都是独立同分布的，而幅度的差异可以反映在信道响应混合矩阵的系数中。

应用

多径效应不仅是衰落的经常性成因，而且是限制传输带宽或传输速率的根本因素之一。在短波通信中，为保证电路在多径传输中的最大时延与最小时延差不大于某个规定值，工作频率要求不低于电路最高可用频率的某个百分数。这个百分数称为多径缩减因子，是确定电路最低可用频率的重要依据之一。图中为多径缩减因子与路径长度的关系。对流层传播信道中的抗多径措施，通常有抑制地面反射、采用窄天线波束和分集接收等。

补充

多径效应在不同条件会使传输信号发生平坦衰落、时间选择性衰落和频率选择性衰落，主要还是频率选择性衰落。

假设信号码元长度为T，第i条传输路径的信号时延与信号平均时延之差为△t,则二者的不同组合可产生三种不同的衰落现象。

〔1〕当信号码元长度T较小，且△t<

〔2〕当信号码元长度T较长，且△t<

〔3〕当信号码元长度T比较小，而△t比较大，且不满足△t<时间间隔内，引起码间干扰，因此，频率选择性衰落对于高速数据传输危害最大。

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