抗多径干扰能力的分析

1、抗多径干扰能力的分析 一、多径干扰的影响 二、双波束、多波束对直接序列的影响 三、多波束信号对频率跳变系统的影响 四、扩频通信系统抗多径干扰的物理机理抗多径干扰能力的分析 一、多径干扰的影响 1、多径干扰： 电波在传播过程中，遇到各种发射体（电离层、对流层、高山和建筑物等）引起发射或散射，接收机收到的直接路径信号与这些群发射信号之间的随机干涉就形成多径干扰，多径干扰是乘性干扰，它在卫星通信、散射通信、移动通信、飞机与卫星通信中均产生相当严重的后果。 2、多径干扰对常规通信系统影响： 双波束（两径）传输模型：发收y1(t)y2(t)(a) 双波束传输模型y1(t)y2(t)2pf0ty(t)j)

2、(b)信号矢量图抗多径干扰能力的分析 接收端收到这两路信号为： 设两个传输路径的传输系数相同，仅仅路程不同。由于路程差使两个信号延迟差为t，因而信号之间有的相位差 。 则合成信号为 式 每一个波束的信号功率为 ，令合成信号的功率为 ，则式成为 式 分析：合成信号功率将随着因子（ ） 的变化而变化。只要 大于接收机所要求的功率值，系统正常工作。然而 实际上传播条件不断变化，各种反射不是固定不变的，它们都在一定范围内起伏而且起伏方式是随机的。当 时，合成信号的功率是0，这时通信中断。1020( )cos 2( )cos 2 ()y tAf ty tAf t)2cos()(0jtfxty222200

3、2cos(2)21 cos(2)xAAAfAfp tp t20/2PAt02 f2/2Px0021cos(2)PPfpt0ft0021cos(2)Pfpt0(21)/(2)nft抗多径干扰能力的分析 克服多径衰落常用的方法是采用分集技术。通过选择时间、工作频率或接收点的位置，使得 不能成立，即所谓的时间分集、频率分集或空间分集。利用分集的方法，从多个波束中选出其中最强的一束，同时把其他的波束抑制掉，从而避免了相互间的干涉。如利用两高度不同的接收天线来实现的二重垂直空间分集，就是利用了电场在不同高度的干涉场是不一样的，分集天线相对位置的安排，使得一个天线的接收信号处于场强的谷值时，另一天线正好处

4、于干涉场的峰值。但是由于体制中，多径衰落是一个难以解决的问题。传播路径的随机性，特别是在移动通信中，利用分集的方法克服多径衰落都不能达到比较理想的效果。0(21)/(2)nft抗多径干扰能力的分析 二、双波束、多波束信号对直接序列系统的影响 1、双波束信号对直接序列系统的影响 假设在高斯信道上，传输的最佳信号形式是具有白噪声统计特性的信号 的情形。接收机接收到的两路信号分别为 和 。 于是合成信号的功率为 式 式中， 是 的归一化自相关函数，且 是 的自相关函数，且 高斯白噪声的自相关函数具有 函数的性质，在 时有 ，这样就得到 ( )rt( ) t( ) t()tt( ) t( )( )(0

5、)RrRtt2220 ( )() ( ) ()2 ( ) ()21( )PEttEtEtEttPrtttt( ) ( ) ()REtttt( )Rt( ) t( ) t( )0rt0t0021( )2PPrPt抗多径干扰能力的分析 由此可见，利用具有高斯白噪声统计特性的信号传送信息，当取的任何值时，都为零，即这种通信系统不会发生干涉衰落，从而接收信号的平均功率因为没有干涉现象而恒定不变，因此这种通信系统是抗多径干扰的理想系统。在实际应用时，不可能找到理想的高斯白噪声信号，因而这只能是理论上的极限值。抗多径干扰能力的分析 因为在扩频系统中，使用伪噪声码来逼近白噪声信号的统计特性。具有和噪声相类似

6、的自相关函数： 式 在直接序列系统中，载波不是单一的正弦波，总的应该是有伪随机码和扩频码调制的： 合成的信号功率为： 其中 ， 将 带入该式子中，可得 式 1( )0ccccTTRTtttt22200 ( )() ( ) ()2 ( ) ()21( )cos(2)cPEttEtEtEttPRfttttpt20/2PA( )cRt00021 (1)cos(2)2cccTPfPTTPttptt)2cos()()(0tftActp抗多径干扰能力的分析 分析：伪随机码尖锐的相关特性使多径波束完全独立： 当 时，反射信号与有用信号叠加，使合成信号的功率发生起伏，起伏的大小与 和 的比值有关。所以只有当路

7、径传播时延小于伪随机编码的码元宽度时，直接序列系统才发生轻度衰落（相对于常规通信体制而言）。 当 时，反射信号与有用信号叠加，接收信号的功率不发生起伏衰落，此时 ，多径发射信号被直接序列系统当作噪声处理掉了。 因此扩频通信系统具有抗多径干扰能力，也即扩频系统对多径干扰不是很敏感。 cTttcTcTtcTt 0tcR抗多径干扰能力的分析2、多波束信号对直接序列系统的影响 以上讨论的是双路径情况，并假设了两路径传播损耗是完全相同的。但在实际工程中，电波的传播是要多于两径，并且每径的传播损耗都不可能相等，除直达波束外，其余到达接收机的波束经过一次或多次的反射或折射，传播损耗要大于直达波束的传播损耗。

8、 下面分析多径干扰对直接序列系统的影响：设发射信号为经过传播后到达接收机的信号为 002cosjptftctAdts jdjdjdMjjtfTtcTtdAtrjp012cos-抗多径干扰能力的分析 其中 为第 j径电波信号的幅度， 为第j径电波信号的传播延时， 为第 j 径电波信号的载波相移， 时的信号时所需要接收的信号, 时的信号为多径干扰信号。假设系统已经同步，即 , ,接收机本震信号为则混频器的输出为 式式中第一项是所期望的接收信号，第二项是多径干扰信号， jAjdTjdj1jMj, 3 , 2ddTT100ff dd11jj ddtfTtctb1012cos2jp djddjdjdMj

9、jdTtcTtcTtdATtdAtu11211cosjj抗多径干扰能力的分析由于二次项不能通过低通滤波器，在式中已被忽略。因为低通滤波器的带宽很窄，第二项中的高频分量不能通过，其低频分量为式中 为归一化延迟差，令 ，多径干扰信号通过低通滤波器的输出为假设 在 上均匀分布，则 的均值为 ， 的方差为 式didTtcTtc1/ didcicTtcTtcETR1cdidiTTT/1didid1jjj jdathTRTdAtvjdcicjdMjjcos22jdjp2,0 tv2 02tvE tv2 jjddhhRTRAddthathTdTdTRTRAAEtvDccjcMjjMiMjjdidjdidcj

10、ccicji 2222222coscos抗多径干扰能力的分析式 在频域表示为 当 时， （当扩频码长度N足够长时），到达接收机的多径信号通过相关解扩时，被作为随机干扰抑制掉了。当 由于 ，所以，多径干扰的影响消失了。 cjcMjjdcjcMjjvTRAdffHfSTRAP22222222221i02cicTR1j221jcjcTR4/, 11222MjjvjAP抗多径干扰能力的分析三、多波束信号对频率跳变系统的影响若跳频信号的载波频率数为N，则跳频信号可表示为 到达接收机的信号为 式 式中， 为所需要的接收信号， 为 多径干扰信号。接收机本地振荡器的输出为 mcCTNkkkmNTtkTtgtf

11、tAdtscjp12cos mccjdTNkjkjdMjjmNTtkTTtgtfTtdAtrcjp1012cos1jMj, 3 , 2 mccdTNkkIFkmNTtkTTtgtfftbcjp2cos21抗多径干扰能力的分析 假设接收机已与所需要的接收信号取得了同步，即 ，在忽略第二次项后，接收机混频器的输出为 式式中的第一项是所需要的信号通过混频器后的响应， 第二项是多径干扰信号通过混频器后的响应。只有当 时，多径干扰才能通过中频滤波器，所以多径干扰信号通过中频滤波器的输出为kkddkkTTff11,jjki1()()cos(2)jdIFutAdt Tf tp1211()cos2 ()MNN

12、jjdIFikijkjkiA d tTfffpjj1()()()ccTjdcTdccmgtTkT gtTiTtmNT抗多径干扰能力的分析jkkjkjjj1/2211( )()cos(2)()()()()MNjjdIFjkjkcjdccdccmvtA dTfgTTkTgTTkTmNTh tdpj 式中当 时，上式为0。在这种情况下，到达接收机的多径信号不会对接收机的输出产生影响。这一点很好理解，因为到达接收机的多径信号因延迟太大，接收机中本地振荡器输出的信号已经跳变到另一个频率上了。cdjdTTT1式抗多径干扰能力的分析令带入到式（11），有 下面求求解 的功率值。假设中频滤波器的带宽很窄，由式

13、（12）可以看出，只有 中的直流（缓变）分量与 频谱的卷积才能通过中频滤波器，而 的直流（缓变）分量为 1( )()()ccjkTjdcTdcGtgtTkT gtTkT2( )vt1( )NjkkGt1( )NjkkGt( )d t()cmtmNT/221( )()cos(2)( ) ()MNjjdIFjkjkjkv tA dTfGh tdpj式（11）式12）抗多径干扰能力的分析 假设 在 上均匀分布，则 的均值为0，由于 因此， 的方差为 2()v t/jkj1( )1NjkjkEGt式（式（13）0,2 p/cos(2)cos(2)IFjkIFjkEffpjpj1co s2()20IFf

14、pijkl其他2( )v t式（式（14）抗多径干扰能力的分析上式在频域表示为2222( )(1)()2cos2() ( )( )MjjdjIFAD v tRfhhd dp 222222221(1)()()22( )(1)4MjvjdIFdIFjMjjjAPSffSffAH fdf式（式（15）式（式（16）抗多径干扰能力的分析四、扩频通信系统抗多径干扰的物理机理扩频系统抗多径干扰的原因归纳如下：对于直接序列系统，由于伪随机码的自相关函数具有尖锐的峰值特性。当多径传播时延小于一个码元宽度时，反射信号与直接信号叠加，可看作信号的一部分，对有用信号产生影响，叠加在伪随机码上的信号只影响其幅度，二不产生对伪随机码宽度的展宽或压缩，所以不影响系统的信息传输。当多径时延超过一个码元宽度时，由于，表明反射信号和直接信号不相关，系统将其作为干扰噪声处理了。当伪随机码的码元宽度相当窄，并且码长N(周期)很长