Multipath propagation

In radio communication, multipath is the propagation phenomenon that results in radio signals reaching the receiving antenna by two or more paths. Causes of multipath include atmospheric ducting, ionospheric reflection and refraction, and reflection from water bodies and terrestrial objects such as mountains and buildings. When the same signal is received over more than one path, it can create interference and phase shifting of the signal. Destructive interference causes fading; this may cause a radio signal to become too weak in certain areas to be received adequately. For this reason, this effect is also known as multipath interference or multipath distortion.

Where the magnitudes of the signals arriving by the various paths have a distribution known as the Rayleigh distribution, this is known as Rayleigh fading. Where one component (often, but not necessarily, a line of sight component) dominates, a Rician distribution provides a more accurate model, and this is known as Rician fading. Where two components dominate, the behavior is best modeled with the two-wave with diffuse power (TWDP) distribution. All of these descriptions are commonly used and accepted and lead to results. However, they are generic and abstract/hide/approximate the underlying physics.

Multipath interference is a phenomenon in the physics of waves whereby a wave from a source travels to a detector via two or more paths and the two (or more) components of the wave interfere constructively or destructively. Multipath interference is a common cause of "ghosting" in analog television broadcasts and of fading of radio waves.

الشرط الضروري هو أن تظل مكونات الموجة متماسكة طوال كامل نطاق انتقالها.

سينشأ التداخل بسبب أن المكونين (أو أكثر) للموجة قد قطعا، بشكل عام، طولًا مختلفًا (كما تم قياسه بطول المسار البصري - الطول الهندسي والانكسار (السرعة البصرية المختلفة))، وبالتالي يصلان إلى الكاشف خارج الطور مع بعضهما البعض.

تتداخل الإشارة الناتجة عن المسارات غير المباشرة مع الإشارة المطلوبة في السعة وكذلك الطور، وهو ما يسمى بتلاشي المسارات المتعددة.

في الإرسال التناظري للفاكس والتلفزيون ، يتسبب تعدد المسارات في حدوث تشويش وظهور صورة باهتة مكررة على يمين الصورة الرئيسية. تحدث هذه الظاهرة عندما ترتد الإشارات عن جبل أو جسم كبير آخر، بينما تصل في الوقت نفسه إلى الهوائي عبر مسار أقصر ومباشر، حيث يستقبل جهاز الاستقبال إشارتين يفصل بينهما تأخير زمني.

في معالجة الرادار ، يتسبب تعدد المسارات في ظهور أهداف وهمية، مما يخدع جهاز استقبال الرادار . وتُعدّ هذه الأهداف الوهمية مزعجة للغاية لأنها تتحرك وتتصرف مثل الأهداف العادية (التي تُصدر صدى لها)، وبالتالي يواجه جهاز الاستقبال صعوبة في عزل صدى الهدف الصحيح. ويمكن تقليل هذه المشاكل عن طريق دمج خريطة أرضية لمحيط الرادار وإزالة جميع الأصداء التي تبدو وكأنها تنشأ تحت سطح الأرض أو فوق ارتفاع معين.

في الاتصالات اللاسلكية الرقمية (مثل GSM )، قد يتسبب تعدد المسارات في حدوث أخطاء ويؤثر على جودة الاتصالات. وتنتج هذه الأخطاء عن تداخل الرموز (ISI). تُستخدم المعادلات عادةً لتصحيح تداخل الرموز. وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام تقنيات مثل تعديل تقسيم التردد المتعامد ومستقبلات الرايك .

في جهاز استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، قد تتسبب تأثيرات تعدد المسارات في ظهور إشارة من جهاز استقبال ثابت وكأنها تقفز أو تتحرك بشكل عشوائي. وعندما يتحرك الجهاز، قد لا تظهر هذه القفزات أو التحركات، لكنها مع ذلك تُقلل من دقة الموقع والسرعة المعروضة.

تتشابه ظاهرة انتشار الموجات المتعددة في الاتصالات عبر خطوط الطاقة وفي حلقات الهاتف المحلية . في كلتا الحالتين، يتسبب عدم تطابق المعاوقة في انعكاس الإشارة .

تستخدم أنظمة الاتصالات عبر خطوط الطاقة عالية السرعة عادةً تقنيات تعديل متعددة الموجات الحاملة (مثل OFDM أو OFDM الموجي ) لتجنب تداخل الرموز الناتج عن انتشار الإشارات عبر مسارات متعددة. يوفر معيار ITU-T G.hn طريقةً لإنشاء شبكة محلية عالية السرعة (تصل إلى 1 جيجابت في الثانية) باستخدام أسلاك المنازل الموجودة ( خطوط الطاقة ، وخطوط الهاتف، والكابلات المحورية ). يستخدم G.hn تقنية OFDM مع بادئة دورية لتجنب تداخل الرموز. ولأن انتشار الإشارات عبر مسارات متعددة يختلف باختلاف نوع السلك، يستخدم G.hn معلمات OFDM مختلفة (مدة رمز OFDM، ومدة فاصل الحماية) لكل وسيط.

تستخدم أجهزة مودم DSL أيضًا تقنية التضمين بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) للتواصل مع جهاز DSLAM الخاص بها رغم وجود مسارات متعددة. في هذه الحالة، قد تنتج الانعكاسات عن اختلاف مقاسات الأسلاك ، ولكن عادةً ما تكون الانعكاسات الناتجة عن نقاط التوصيل الجسرية أكثر كثافة وتعقيدًا. في حال عدم كفاية تدريب OFDM، يمكن إزالة نقاط التوصيل الجسرية.

يمكن تقديم النموذج الرياضي للمسارات المتعددة باستخدام طريقة استجابة النبضة المستخدمة لدراسة الأنظمة الخطية .

لنفترض أنك تريد إرسال نبضة ديراك مثالية واحدة من الطاقة الكهرومغناطيسية عند الزمن 0، أي

${\displaystyle x(t)=\delta (t)}$

عند جهاز الاستقبال، وبسبب وجود مسارات كهرومغناطيسية متعددة، سيتم استقبال أكثر من نبضة، وستصل كل منها في أوقات مختلفة. في الواقع، بما أن الإشارات الكهرومغناطيسية تنتقل بسرعة الضوء ، وبما أن لكل مسار طولًا هندسيًا قد يختلف عن المسارات الأخرى، فإن أزمنة انتقالها في الهواء تختلف (مع الأخذ في الاعتبار أن الضوء في الفضاء الحر  يستغرق 3 ميكروثانية لقطع  مسافة كيلومتر واحد). وبالتالي، سيتم التعبير عن الإشارة المستقبلة بـ

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

أين${\displaystyle N}$يمثل عدد النبضات المستلمة (وهو ما يعادل عدد المسارات الكهرومغناطيسية، وربما يكون كبيرًا جدًا)،${\displaystyle \tau _{n}}$يمثل التأخير الزمني للنموذج العام${\displaystyle n^{th}}$الدافع، و${\displaystyle \rho _{n}e^{j\phi _{n}}}$يمثل هذا المتغير السعة المركبة (أي المقدار والطور) للنبضة المستقبلة العامة. ونتيجة لذلك،${\displaystyle y(t)}$كما يمثل دالة استجابة النبضة${\displaystyle h(t)}$من نموذج المسارات المتعددة المكافئ.

وبشكل عام، في حالة وجود تغير زمني في شروط الانعكاس الهندسي، فإن استجابة النبضة هذه متغيرة زمنياً، وعلى هذا النحو لدينا

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

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

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

في كثير من الأحيان، يتم استخدام معيار واحد فقط للدلالة على شدة ظروف تعدد المسارات: ويسمى هذا المعيار انتشار التأخير .${\displaystyle T_{M}}$ويُعرَّف بأنه التأخير الزمني الموجود بين أول وآخر نبضة مُستلمة.

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

في الظروف العملية والقياس، يتم حساب انتشار التأخير من خلال اعتبار النبضة الأولى التي تسمح باستقبال كمية محددة من إجمالي الطاقة المرسلة (مقاسة بفقدان الغلاف الجوي والانتشار)، على سبيل المثال 99٪.

مع الحفاظ على هدفنا المتمثل في الأنظمة الخطية الثابتة مع الزمن، يمكننا أيضًا وصف ظاهرة تعدد المسارات بواسطة دالة نقل القناة.${\displaystyle H(f)}$، والذي يُعرَّف بأنه تحويل فورييه الزمني المستمر لاستجابة النبضة${\displaystyle h(t)}$

$// _{ن}}}}$

حيث يمكن الحصول بسهولة على الحد الأخير الأيمن من المعادلة السابقة من خلال تذكر أن تحويل فورييه لنبضة ديراك هو دالة أسية معقدة، وهي دالة ذاتية لكل نظام خطي.

تتميز خاصية نقل القناة المُحَصَّلة بمظهر نموذجي لسلسلة من القمم والوديان (وتُسمى أيضًا فجوات )؛ ويمكن إثبات أن المسافة (بالهرتز) بين واديين متتاليين (أو قمتين متتاليتين) تتناسب عكسيًا تقريبًا مع زمن تعدد المسارات. وبذلك، يُعرَّف ما يُسمى بعرض نطاق التماسك على النحو التالي:

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

على سبيل المثال، مع زمن متعدد المسارات يبلغ 3  ميكروثانية (يتوافق مع 1  كم من السفر الإضافي على الهواء لآخر نبضة مستلمة)، هناك عرض نطاق تماسك يبلغ حوالي 330  كيلو هرتز.

• هوائي الحلقة الخانقة ، وهو تصميم يمكنه رفض إشارات الانعكاس الخارجية
• برامج التنوع
• انتشار دوبلر
• تلاشي
• مرآة لويد
• أوليفيا إم إف إس كيه
• تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد
• تلاشي ريسيان
• تدفق الإشارة
• نموذج انعكاس الأرض ثنائي الأشعة
• نطاق ترددي فائق الاتساع
• مستقبل المشط

• MIL-STD-188
• المعيار الفيدرالي 1037C

 تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22 يناير 2022.