Многолучевое распространение

Многолучево́е распростране́ние — это эффект, наблюдаемый при распространении сигналов. Возникает при условии существования в точке приема радиосигнала не только прямого, но и ещё одного или целого ряда отражённых или/и преломлённых^[1] лучей. Другими словами, на антенну приёмника приходят не только прямые лучи (непосредственно от самого источника), но и отражённые (от земной поверхности, зданий, строений и прочих объектов).

Многолучевое распространение присутствует в большинстве радиолиний и может вносить погрешности, искажающие определение параметров радиосигнала. Возникновение отраженных, задержанных по времени прихода, сигналов приводит к искажению формы корреляционного пика сигнала и, как следствие, к смещению в оценке истинной задержки. Явление многолучевого распространения может вызвать флуктуации амплитуды, фазы и угла прибытия, что приводит к эффекту замирания.

• Если задержка распространения всех лучей мала по сравнению с длительностью канального символа, то возникает только интерференция волн, приводящая к замираниям.
  • Методы борьбы: увеличение мощности, разнесенный прием, АРУ
• Если задержка распространения всех лучей сравнима с длительностью канального символа, то возникает наложение предыдущих канальных символов на последующие (межсимвольная интерференция).
  • Методы борьбы: канальный эквалайзер, широкополосные сигналы, управление диаграммой направленности, увеличение защитных интервалов между символами.

Таким образом можно выделить два основных последствия многолучевого эффекта распространения сигналов: замирание огибающей, межсимвольная интерференция.

Межсимвольная интерференция (МСИ) является эффектом наложения в приемнике символов друг на друга. Особенностью многих линий радиосвязи (например, тропосферных, спутниковых, мобильных и т. п.) является многолучевой характер распространения радиосигнала. В точке приёма сигнал является суммой большого числа элементарных сигналов различных амплитуд со случайным временем запаздывания. Отдельные лучи могут запаздывать друг относительно друга на существенную величину (большая разность хода различных лучей в радиоканале), что и вызывает эффект МСИ.

МСИ — искажение сигнала за счет откликов на другие (более ранние) символы, которые могут проявляться как помехи. Так же этот эффект может наблюдаться из-за ограниченной полосы пропускания радиотракта. По степени искажения формы импульса межсимвольные помехи могут быть большими или малыми, а сама эта степень при наложении сигналов зависит от разности времени прихода сигналов в точку приёма. Разницу времени распространения по максимальному и минимальному путям обычно называют временем многолучевости.

Как правило, многолучевое распространение сигналов ухудшают характеристики системы связи. Однако, при принятии специальных мер и способов приема сигналов, характеристики системы могут быть улучшены по отношению к характеристикам при однолучевом распространении. В частности, такая ситуация реализуется в системах с rake-приемниками.

При многолучевом распространении сигналы, приходящие различными путями, слабо коррелированы. Влияние замираний можно снизить, если скомбинировать такие сигналы. Но для этого необходимо разделить сигналы, приходящие по различным лучам.

Рассмотрим широкополосный сигнал с полосой ${\displaystyle W_{1}}$, превышающей полосу когерентности канала ${\displaystyle W_{2}}$. При соответствующем выборе модуляции сигнала можно добиться разрешения принимаемых многолучевых компонент, имеющих следующую разность прихода ${\displaystyle 1/W_{1}}$. Здесь ${\displaystyle Tmax}$- максимальное время рассеяния. Таким образом, при максимальном времени рассеяния ${\displaystyle Tmax}$ может существовать ${\displaystyle N=W_{1}\cdot Tmax}$ компонент сигнала. ${\displaystyle Tmax\simeq 1/W_{2}}$… Поэтому на приёмной стороне может быть получено ${\displaystyle W_{1}/W_{2}}$ разделимых сигнальных компонент.

Чтобы сдвинутые во времени многолучевые компоненты наблюдались раздельно на выходе линейного фильтра приёмника, необходимо, чтобы отклик фильтра на каждую компоненту сигнала был кратковременным по сравнению с их взаимным временным сдвигом. В качестве приёмного фильтра лучше всего принимать согласованный, так как отклик этого фильтра на сигнал есть автокорреляционная функция (АКФ) сигнала. Для разделения многолучевых компонент больше пригодны сигналы с острой АКФ. Поэтому для многолучевого разнесения используются широкополосные сигналы: сигнал имеет большую длительность, но фильтр укорачивает его. Сигнал, искажённый многолучевым каналом (а), подаётся на согласованный фильтр, и, если сигнал синтезирован правильно, на выходе фильтра наблюдаются компоненты в виде острых неперекрывающихся пиков. Эти пики напоминают своим внешним видом садовые грабли («rake» в переводе с английского). Поэтому устройство, осуществляющее многолучевое разделение, назвали rake-приёмником (или приёмник разнесённых сигналов).

Rake-приёмник был разработан Р. Прайсом (англ. Robert Price) и П. Грином (англ. Paul Green) в 1958 году в США. Внедрение такой технологии в промышленных масштабах стало приниматься сравнительно недавно, при этом вместо дорогих согласованных фильтров используются эквивалентные простые параллельные корреляторы с числом каналов, равным количеству разделяемых лучей.

Принимаемое колебание r(t) поступает на M параллельных корреляторов, на входы которых подаются сигналы-опоры ${\displaystyle s(t-k\cdot \tau )}$, k = 1 … M, представляющие собой копии сигнала со временными сдвижками. На выходе каждого коррелятора формируется отсчёт отклика на соответствующую компоненту входного сигнала. Далее полученные отсчёты поступают на устройство комбинирования. Требование к широкополосности сигнала является необходимым, но не достаточным. Среди множества широкополосных сигналов подходящими для rake-приёмника являются лишь обладающие «острой» АКФ.

• Модель Салеха-Валенсуэлы

• http://sernam.ru/book_tec.php?id=114
• https://web.archive.org/web/20111004011613/http://study.ustu.ru/view/aid/47/1/rake.html

• «ГЛОНАСС принципы построения и функционирования» Издание четвёртое, перераб. и доп. Под редакцией А. И. Перова, В. К. Харисова «Радиотехника» Москва, 2010
• «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение» Второе издание, исправленное. Б. Скляр «Вильямс» Москва-Санкт-Петербург-Киев, 2003
• Быховский М. А. Пионеры информационного века: История развития теории связи — М.: Техносфера, 2006. — 376 с. — (История электросвязи и радиотехники; Вып.4).