Multipath-utbredning

Den här artikeln handlar om fenomenet elektromagnetisk utbredning. För användning i datoranvändning, se Multipath (disambiguation) .

I radiokommunikation är flervägsutbredningsfenomenet som resulterar i att radiosignaler når den mottagande antennen med två eller flera vägar . Orsaker till multipath inkluderar atmosfärisk ledning , jonosfärisk reflektion och brytning och reflektion från vattenkroppar och markbundna föremål som berg och byggnader. När samma signal tas emot över mer än en väg kan det skapa interferens och fasförskjutning av signalen. Destruktiv interferens orsakar blekning ; detta kan göra att en radiosignal blir för svag i vissa områden för att tas emot på ett adekvat sätt. Av denna anledning är denna effekt även känd som flervägsinterferens eller flervägsdistorsion .

Där storleken på signalerna som kommer via de olika vägarna har en fördelning som kallas Rayleigh-fördelningen , kallas detta Rayleigh-fading . Där en komponent (ofta, men inte nödvändigtvis, en siktlinjekomponent ) dominerar, ger en Rician-distribution en mer exakt modell, och detta kallas Rician-fading . Där två komponenter dominerar, modelleras beteendet bäst med tvåvågsfördelningen med diffus effekt (TWDP) . Alla dessa beskrivningar är vanligt förekommande och accepterade och leder till resultat. De är dock generiska och abstrakta/döljer/närmar sig den underliggande fysiken.

Interferens

Huvudartikel: Våginterferens

Koherenta vågor som färdas längs två olika vägar kommer att anlända med fasförskjutning , och därmed störa varandra.

vågornas fysik där en våg från en källa färdas till en detektor via två eller flera vägar och de två (eller flera) komponenterna i vågen interfererar konstruktivt eller destruktivt. Flervägsstörningar är en vanlig orsak till " spökbilder " i analoga tv-sändningar och till blekning av radiovågor .

Ett diagram över den idealiska situationen för TV-signaler som rör sig genom rymden: Signalen lämnar sändaren ( TX) och går genom en väg till mottagaren (TV-apparaten, som är märkt RX)

I den här illustrationen förorenar ett objekt (i detta fall ett flygplan) systemet genom att lägga till en andra väg. Signalen kommer till mottagaren (RX) med hjälp av två olika vägar som har olika längd. Huvudvägen är den direkta vägen, medan den andra beror på en reflektion från planet.

Förutsättningen är att vågens komponenter förblir koherenta under hela sin färd.

Störningen kommer att uppstå på grund av att de två (eller flera) komponenterna i vågen i allmänhet har färdats en annan längd (mätt med optisk väglängd – geometrisk längd och brytning (olika optisk hastighet)), och därmed anländer till detektorn ur fas med varandra.

Signalen på grund av indirekta banor interfererar med den erforderliga signalen i amplitud samt fas, vilket kallas flervägsfädning.

Exempel

I telefax och (analog) TV- sändning orsakar flervägs jitter och spökbilder, ses som en bleka duplicerad bild till höger om huvudbilden. Spöken uppstår när sändningar studsar mot ett berg eller annat stort föremål, samtidigt som de anländer till antennen via en kortare, direkt väg, där mottagaren plockar upp två signaler åtskilda av en fördröjning.

Radar-flervägsekon från ett verkligt mål gör att spöken dyker upp.

Vid radarbehandling orsakar flervägsspökmål att dyka upp, vilket lurar radarmottagaren . Dessa spöken är särskilt besvärande eftersom de rör sig och beter sig som de vanliga målen (som de ekar), och därför har mottagaren svårt att isolera rätt måleko. Dessa problem kan minimeras genom att införliva en markkarta över radarns omgivning och eliminera alla ekon som verkar ha sitt ursprung under marken eller över en viss höjd (höjd).

I digital radiokommunikation (som GSM ) kan flervägskommunikation orsaka fel och påverka kvaliteten på kommunikationen. Felen beror på intersymbolinterferens (ISI). Equalizers används ofta för att korrigera ISI. Alternativt kan tekniker såsom ortogonal frekvensdelningsmodulering och rake-mottagare användas.

GPS-fel på grund av multipath

I en Global Positioning System-mottagare kan flervägseffekter få en stationär mottagares utsignal att indikera som om den slumpmässigt hoppade omkring eller kryper. När enheten rör sig kan hoppningen eller krypningen döljas, men det försämrar fortfarande den visade noggrannheten för plats och hastighet.

I trådbundna media

Flervägsutbredning är liknande i kraftledningskommunikation och i lokala telefonslingor . I båda fallen orsakar impedansmissanpassning signalreflektion .

Höghastighetskommunikationssystem för kraftledningar använder vanligtvis multibärvågsmodulationer (såsom OFDM eller wavelet OFDM) för att undvika intersymbolinterferensen som flervägsutbredning skulle orsaka. ITU -T G.hn -standarden ger ett sätt att skapa ett lokalt nätverk med hög hastighet (upp till 1 gigabit per sekund) med hjälp av befintliga hemledningar ( kraftledningar , telefonlinjer och koaxialkablar ). G.hn använder OFDM med ett cykliskt prefix för att undvika ISI. Eftersom flervägsutbredning uppför sig olika i varje typ av tråd, använder G.hn olika OFDM-parametrar (OFDM-symbolvaraktighet, skyddsintervallvaraktighet) för varje media.

DSL-modem använder också ortogonal frekvensdelningsmultiplex för att kommunicera med sina DSLAM trots multipath. I det här fallet kan reflektionerna orsakas av blandade trådmätare , men de från brokranar är vanligtvis mer intensiva och komplexa. Om OFDM-träning är otillfredsställande kan bryggkranar tas bort.

Matematisk modellering

Matematisk modell av flervägsimpulssvaret.

Den matematiska modellen för flervägen kan presenteras med metoden för impulssvaret som används för att studera linjära system .

Antag att du vill sända en signal, ideal Dirac-puls av elektromagnetisk effekt vid tidpunkten 0, dvs.

$x(t)=\delta (t)$

På mottagaren, på grund av närvaron av flera elektromagnetiska vägar, kommer mer än en puls att tas emot, och var och en av dem kommer att anlända vid olika tidpunkter. Faktum är att eftersom de elektromagnetiska signalerna färdas med ljusets hastighet , och eftersom varje bana har en geometrisk längd som möjligen skiljer sig från de andras, finns det olika luftresor (tänk på att i fritt utrymme tar ljuset 3 μs att korsa ett 1 km spann). Således kommer den mottagna signalen att uttryckas av

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

där $N$ är antalet mottagna impulser (motsvarande antalet elektromagnetiska vägar, och möjligen mycket stora), $\tau _{n}$ är tidsfördröjningen för den generiska $n^{th}$ impuls, och $\rho _{n}e^{j\phi _{n}}$ representerar den komplexa amplituden (dvs. magnitud och fas) av den generiska mottagna pulsen. Som en konsekvens $y(t)$ också impulssvarsfunktionen $h(t)$ för den ekvivalenta flervägsmodellen.

Mer generellt, i närvaro av tidsvariation av de geometriska reflektionsförhållandena, är detta impulssvar tidsvarierande, och som sådan har vi

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

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

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

Mycket ofta används bara en parameter för att beteckna hur allvarliga flervägsförhållandena är: den kallas flervägstiden , TM { $displaystyle T_{M}} , och$ definieras som tidsfördröjningen mellan den första och den senast mottagna impulser

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

Matematisk modell av flervägskanalöverföringsfunktionen.

Under praktiska förhållanden och mätning beräknas flervägstiden genom att betrakta den första impulsen som sista impuls som tillåter mottagning av en bestämd mängd av den totala överförda effekten (skalad av atmosfäriska och utbredningsförluster), t.ex. 99%.

Genom att behålla vårt mål mot linjära, tidsinvarianta system kan vi också karakterisera flervägsfenomenet med kanalöverföringsfunktionen ${\displaystyle H(f)} ,$ som definieras som den kontinuerliga Fouriertransformen av impulssvaret $h(t)$

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

där den sista högra termen i föregående ekvation lätt erhålls genom att komma ihåg att Fouriertransformen av en Dirac-puls är en komplex exponentialfunktion, en egenfunktion för varje linjärt system.

Den erhållna kanalöverföringskarakteristiken har ett typiskt utseende av en sekvens av toppar och dalar (även kallade skåror ); det kan visas att i genomsnitt avståndet (i Hz) mellan två på varandra följande dalar (eller två på varandra följande toppar), är ungefär omvänt proportionell mot flervägstiden. Den så kallade koherensbandbredden definieras alltså som

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

Till exempel, med en flervägstid på 3 μs (motsvarande en 1 km extra flygresa för den senast mottagna impulsen), finns det en koherensbandbredd på cirka 330 kHz.

Se även

• Chokeringantenn , en design som kan avvisa främmande reflektionssignaler
• Mångfaldsprogram
• Dopplerspridning
• Fading
• Lloyds spegel
• Olivia MFSK
• Ortogonal frekvensdelningsmultiplexering
• Rician bleknar
• Signalflöde
• Tvåstrålande jordreflektionsmodell
• Ultra brett band

• MIL-STD-188
• Federal Standard 1037C

Den här artikeln innehåller material från allmän egendom från Federal Standard 1037C . General Services Administration . Arkiverad från originalet 2022-01-22.