在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性，导致接收信号呈衰落状态；这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的，而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源。对于数字通信、雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响。
- 中文名
- 多径衰落
- 外文名
- multipathDecline
- 领 域
- 信息科学
文献定义
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文献中对多径衰落的定义如下：
1、多径衰落是指在微波信号的传播过程中,由于受地面或水面反射和大气折射的影响,会产生多个经过不同路径到达接收机的信号,通过矢量叠加后合成时变信号.多径衰落可分为平衰落和频率选择性衰落。
2、信道时变多径特性造成接收信号电平的起伏现象被称为多径衰落.通常在移动信道中信号电平的起伏呈瑞利分布时这种信道称为瑞利衰落信道。
3、由于这种衰落由多径引起的所以称为多径衰落.在移动通信中多径衰落。以瑞利(Rayleigh)衰落为主，他是移动台在移动中受到不同路径来的同一信号源的折射或反射等信号所产生，他的变化是随机的,因此只能用统计或概率的观点来定量描述。
4、前者是由多径引起的，因此又称为多径衰落，它服从瑞利(Rayleigh)分布.它可能包含一段Text文本或一幅图片。g为真实重力值。
5、因此合成信号起伏很大，称为多径衰落。在分析卫星移动信道传播特性的概率分布模型时，多径效应主要是用瑞利分布描述衰落，简单的说是指接收点信号电平因受各种因素影响而随时间变化叫衰落。多径传播是由于无线传播环境的影响，在电波的传播路径上电波产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到接收天线时，信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。
图1 多径环境[2]产生原因
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图2 对流层散射传播路径[5]由于传播路径不同，反射体的性质不同，使得到达接收点的各反射波的幅度和相位都是随机的。可能存在的直射波和众多不同路径的反射波，在较小范围内不同位置的场强有时同相相加而变大，有时反相抵消而变小，形成驻波分布。而在移动通信环境中，即使周围环境不变，移动台在驻波场中的快速移动，也会造成接收天线接收的合成波的幅度快速和大范围的变化。这就形成了接收机所接收信号的多径快衰落现象。对于不同波段，不同传播方式，形成多径传播的机理不尽相同。三张附图说明了短波电离层反射信道与超短波、微波对流层散射信道和移动通信的多径衰落产生的原理。
主要分类
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瑞利衰落
如果各条路径传输时延差别不大，而传输波形的频谱较窄（数字信号传输速率较低），则信道对信号传输频带内各频率分量强度和相位的影响基本相同。此时，接收点的合成信号只有强度的随机变化，而波形失真很小。这种衰落称为一致性衰落，或称平坦型衰落。
如果发送端发射一个余弦波Acosωt，接收端接收到的一致性衰落信号是一个具有随机振幅和随机相位的调幅调相波，从频域来看，由单一频率变成了一个窄带频谱，这叫频率弥散。可见衰落信号实际上成为一个窄带随机过程，它的包络的一维统计特性服从瑞利分布，所以通常又称为瑞利衰落。
频率选择性衰落
如果各条路径传输时延差别较大，传输波形的频谱较宽（或数字信号传输速率较高），则信道对传输信号中不同频率分量强度和相位的影响各不相同。此时，接收点合成信号不仅强度不稳定而且产生波形失真，数字信号在时间上有所展宽，这就可能干扰前后码元的波形重叠，出现码间（符号间）干扰。这种衰落称为频率选择性衰落，有时也简称选择性衰落。
基本特性
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多径衰落的基本特性表现为信号幅度的衰落和时延扩展。
从空间角度考虑多径衰落时，接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落，其中本地反射物所引起的多径效应表现为较快的幅度变化（快衰落），而其局部均值是随距离增加而起伏的，反映了地形变化所引起的衰落以及空间扩散损耗（慢衰落）；
从时间角度考虑，由于信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，当基站发出一个脉冲信号时，接收信号不仅包含该脉冲，还将包括此脉冲的各个延时信号，这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象称为时延扩展。
分布特性
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在性质上，多径快衰落属于一种微观(以毫秒计的短时间内)的快速变化。在移动通信中，多径衰落是对解调信号质量影响最大的一种衰落。那么移动通信中的多径快衰落具有怎样的分布特性呢？
如果发射信号是单一频率的信号Acosωct，可能存在的直射波和经多个路径传播的反射波到达接收点时形成的合成信号为：
式中：Ri(t)为第i条路径的接收信号幅度；τi(t)为第i条路径的传输时间；i(t)=c(t)τi(t)。
事实上，Ri(t)和i(t)随时间的变化与发射信号的载波周期相比，通常要缓慢得多，所以Ri(t)和i(t)可以认为是缓慢变化的随机过程，故式(21-1)可以写成
则R(t)可写成
式中：U(t)和分别为合成波R(t)的包络和相位。
由于Ri(t)和i(t)是缓慢变化的，因此xR(t)、xS(t)及包络U(t)﹑相位也是缓慢变化的。于是合成波R(t)可视为一个窄带过程。
由式(2)可见，单一载频的确知信号c(t)，经多径传播后变成了包络和相位受到调制的窄带信号R(t)。所以多径效应在频谱上会引起色散。
xR(t)和xS(t)为R(t)的两个正交分量，由概率论中的大数定律，xR(t)和xS(t)应该是均值为零，方差为的高斯过程，其概率密度函数为：
它们的联合概率密度函数为：
为了得到U(t)的概率密度函数，可利用p(xR,xS)经适当变换得到合成信号R(t)的包络U(t)和相位的联合概率密度函数。再利用概率论中的边际概率公式可分别得到合成信号的包络U(t)和相位的概率密度函数为：
和
由式(21-3)和(21-4)可知，合成信号的幅度分布服从瑞利(Rayleigh)分布，而相位分布服从均匀分布。所以通常将移动通信中的多径快衰落称为瑞利衰落，又由于瑞利衰落对移动通信的影响最大，因而将移动通信信道称为瑞利信道。
当到达接收机的合成信号中有一个路径的信号明显较强时，可推导得到合成信号的包络将由瑞利分布变为莱斯(Ricean)分布：
式中
是当
时的零阶修正贝塞尔函数
莱斯分布也称广义瑞利分布。莱斯信道比瑞利信道要“友好”些。也就是说，信号通过莱斯信道比信号通过瑞利信道所受多径衰落的影响要小。
防范措施
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分集接收
衰落作为一种乘性干扰，严重影响着通信系统的性能，因此必须采取相应的措施加以克服。比较有效的抗衰落措施有：分集接收就是将在接收端分散接收到的几个衰落情况不同（相互统计独立）的合成信号，再以一定的方式将它们合并集中，使总接收信号的信噪比得到改善，衰落的影响减小。这是一种历史较久、应用较广的克服衰落影响的有效方法。可用的分集方式有：空间分集、频率分集，角度分集、极化分集、时间分集等。
信号设计
所谓信号设计就是针对信道的情况，设计具有较强抗衰落能力的信号，并在发端收端采用相应的调制和检测技术。如采用多进制信号、时频相调制技术以及时频调制信号、伪噪声编码（伪随机编码）等扩频通信技术。
自适应通信技术
主要自适应均衡技术，就是根据信道对信号的影响，调整接收机参数，以抵消上述影响。例如，在数字微波通信中等容量的系统中，常以频域自适应均衡器对信道的频率特性进行补偿。在大容量系统中，除采用频域均衡器外，还采用了对波形进行补偿的时域自适应均衡器，效果显著 [1]。
分集方式
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基本介绍
多径对数字信号通信的影响可分为包络衰落(平坦衰落或非选择性衰落)、时延散布(频率选择性衰落)和随机调频或调相(时间选择性衰落)。[9]信号经过移动通信信道传输所产生的误码，可以用增加发射机的功率来减小；但即使把功率增到无限大，也只能把差错减小到一定的程度。此时的比特差错率称为剩余比特差错率，或不可检比特差错率，其大小与移动台速度有关。速度越高，剩余比特差错率越大并可能超过实际要求的比特差错率，因而通常采用分集接收、自适应均衡及纠错码等技术来克服。
采用分集技术主要是充分利用传输中多径信号的能量来改善传输中的可靠性。实际上它是利用信号的基本参量在空间域、频率域和时间域中分散和收集的技术，因为“分”与“集”本身就是一对矛盾。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空间域、频率域和时间域的不同角度、不同的方法和措施来实现。
空间分集
空间分集主要是利用不同的接收空间(地点)所接收到信号衰落的独立性，来实现抗衰落的功能。空间分集的基本构成：发射端一副天线发送，接收端可用多副(如n副)天线来接收，各接收天线之间的距离为d。空间分集示意图如右图所示。
若空间分集中n副天线的尺寸、增益都相同，则空间分集除了可获得抗衰落的分集增益以外，还可获得每副天线3dB的设备增益。
带反馈的空间分集
适用于模拟调频方案，它的基地台发射机有多副天线，但工作时只使用一副天线。当移动台接收信号低于某一门限时立即反馈一信号，要求基地台更换天线。反馈信息最早是叠加于基带信息频谱之上传输的，在数据传输的分集方案中采用移动台向基地台发出的数字信号中每隔Ⅳ比特插入1比特转换信息(1或0)，以此来判断是否需要更换天线。为了转换时延，Ⅳ值不能太大，否则会降低信道利用率。这种方式虽然原理和设备都简单，但它的天线转换带有盲目性，不能保证每次天线转换一定都能改善通信质量。另外它只适用一个基地台到一个移动台之间的点对点通信，若对多信道共用天线的基地台，这种技术就难以实现了。
时分再传空间分集
最早用于DPSK通信系统。是在基地台用多副天线作为空间接收分集，同时测量各天线支路信号相位的延迟，然后反过来以这些相位信息对基地台发向各天线支路的信号进行预处理，以保证各天线支路所发出去的信号到达移动台接收点(单副天线)时能同相相加。这种方式缺点较多：①通信只能同频工作；②基地台要实时测量移动台的信号参数，必须由移动台向基地台改善基准载波，这就限定了双方要采用时分的方式相互交换信息，额外开销很大；⑧基地台与移动台天线高度、发射功率等都不同，故两个方向的传播条件也不同，会影响分集效果。
极化分集
极化分集是利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号，即对呈现出不相关的衰落特性进行分集接收。也就是在收端和发端的双方天线上安装水平与垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。极化分集的优点是天线结构比较紧凑，可以节省一些空间，但缺点则由于要把发射功率分配到两副天线上，困此有3dB损失。
角分集
图5 空间分集示意图[10]频率分集
图6 载波频率间隔△f[12]时间分集
对于一个随机衰落的信号来说，当采样时间间隔足够大时，两个采样点之间的衰落是互不相关的，因此可以利用这一特性可以来实现时间分集技术。
将需要发送的信号每隔一定时间间隔(大于时间相关区域AT)进行霞复发送，这样，在接收端就可以得到n条独立的分集支路。只要时间域卜的时间间隔垃大于时间相关区域△丁，即可实现时间分集。即：
△f≥A丁=1/B(3．18)其中8为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比。可见，时间分集对处r静止状态的移动台是不起作用的。
与空间分集相比，时间分集其优点是减少了接收天线数量，但缺点是要占用更多的时隙资源而降低了传输效率。
隐分集
上面介绍的空间分集、频率分集和极化分集、角分集等都属于显分集，因为它们明显地采用了多种设备在不同空问、不同频率和不同极化方向接收合并而来实现分集技术的，故称显分集。随着通信技术的迅速发展，分集技术也在不断发展，其中一种是利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号之中，这种方式称为隐分集。前面曾提到过的信道交织和抗衰落纠错编码等都属于隐分集技术，下面再作些补充介绍，另外多径分集的RAKE接收技术也是隐分集。
时频编码(时频调制)
这种方式是把频率域或时间域，或频率域，时间域划分成一些互不重叠的单元，然后将码元分散到这些单元中去传输，使各码元在传输时遭受的衰落各不相关而起到抗多径衰落的分集效果。
时频调制是在PSK基础上发展的，也叫TFSK。若是M元信号，则叫MTFSK。M=4时，则为4TFSK，它是在接收端分4个支路分别对4个频率进行检测和采样，在每个码元内有4×4=16个采样值。把这些采样值分别延迟到码元末尾并对齐，根据预定的编码规则进行组合和比较，选出最大的判决输出。4TFSK具有与四重频率分集相似的抗衰落性能，而功率不分散，但缺点是高频带宽要增大4倍，且设备也较复杂。
也有在时频编码基础上再加上相位调制，从而把传输速率提高一倍(也提高了频率利用率)，这种方式称时频相编码(或调制)。
跳频
跳频是一种抗干扰措施，在一定条件下也具有抗多径干扰的能力，若把跳频与其他抗衰落措施合用，还可获得抗多径衰落的能力。
图7调频抗多径示意图[11]当传播路径的一条为直射波，另一条为折射波时，两者时延差为AT。若F≤AT≤(^L1)丁，则由多径引起的码问串扰可以排除；若AT<丁，则两条路径到达接收点的信号将产生干涉性衰落而没有码间串扰。所以，跳频抗多径的条件是△丁≤(^L一1)r，但并没有解决干涉性衰落。
移动通信主要在几百兆赫频段，相应的传播多径时延通常为微秒级，跳频速率一般每秒为几百跳，即跳频时宽度为毫秒级，故多径引起的干扰不是丰要矛盾，而主要是抗多径衰落。在这个频段中已有一些通信系统采用跳频和交织编码与前向纠错一起使用来抗多径衰落，它们把码字按一定规律扩散和交织，并把码元分散到不同的频率一时间单元中去抗衰落，再加上载波频率是跳变(每秒l25跳)，跳距又较大(300kHz)，能较好地实现既抗多径干扰，又抗多径衰落。
6、多径分集
多径分集主要是采用扩展频谱技术来增大系统的带宽，提高信道传输速率，以达到分离多径和利用多径的目的。
利用扩频实现多径分集的RAKE接收技术，采用78．74b/s的数据传输速率，码元宽度丁为l2．7us，采用127位长的m序列扩频，子码宽度为l009s，由此系统带宽增大到l0MHz，当最大传输时延为lOus时，其最大可分辨的多径个数为8/Bo=BT=100(B0为信道的相干带宽)。RAKE接收技术结构复杂，调整困难，并且不适用于移动接收机，后来有人提出一种简化的称为检波后积分(PDI)接收机，能把分散到一定范围的多径分量收集，从而实现多径分集，但其系统性能比RAKE差。
使用多径分集也是有条件的，首先系统必须是宽带工作，因它是以宽带扩频为基础的，所以带宽应远大于相干带宽；其次扩频前信号码元宽度应大于或接近于信道传输的最大时延，否则信号经相关处理后，其相关峰会散布到多个码元间隔中，使前后相邻码元无法分布；第三是扩频后子码宽度不能太大，即信道传输速率不能太低，否则多径分量也将无法分离和利用。
RAKE接收技术在CDMAIS95系统中已经使用，这里不作介绍了。
7、分集合并技术
分集接收中，接收端从不同的n个独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。如果从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，而大部分是在中频上合并。合并也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。
合并主要可以分为3种，即：最大比值合并、等增益合并和选择式合并。
最大比值合并是在接收端由n个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。这种合并方式是信噪比越人，对合并后的信号贡献越大，它的合并增益与分集支路数量n成正比。
等增益合并是在最大比值合并方式中取某一个分集支路(如第i个分集支路)，并取第i个分集支路的信号幅度A：=1(il，2，…，n)。当n(分集重数)较大时，等增益合并与最大比值合并相差不多，约仅差1dB左右。另外，等增益合并实现比较容易，设备也比较简单。选择式合并是有/'/个接收机，接收端是i一1，2，minin的n个分集支路的接收机，在i个接收机巾利用选择逻辑来选择其中具有最大基带信噪比的某一路基带作为输出。但每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。
性能比较
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3种分集合并方式的性能比较如右图多径衰落中的曲线所示 [1]。
图8 分集合并方式的性能比较[13]
