短波无线传输中多径效应的应对方法及效果评估

一、短波无线传输中多径效应的产生机理与影响

1.1 多径效应的产生机理

短波信号在传输过程中，主要通过电离层反射和地面反射等方式到达接收端。由于电离层的高度、电子密度等参数随时间和空间不断变化，导致信号在电离层的反射点和反射路径具有随机性。同时，地面地形的复杂性也使得信号在传播过程中会发生多次反射和散射。因此，从发射端发出的同一信号会沿着多条不同长度、不同损耗的路径到达接收端，这些路径信号的时延差导致它们在接收端以不同的相位和幅度进行叠加，从而形成多径效应。

1.2 多径效应对短波传输的影响

多径效应会给短波无线传输带来诸多不利影响。首先，它会引起信号的衰落，包括快衰落和慢衰落。快衰落是由于多径信号的相位干涉造成的，接收信号的幅度会在短时间内发生剧烈变化；慢衰落则主要是由于电离层特性变化和传播路径损耗引起的。其次，多径效应会导致码间干扰（ISI），当多径信号的时延差大于信号码元周期时，后续码元的信号会干扰到当前码元的接收，严重影响数据传输的准确性。此外，多径效应还会降低信号的信噪比，增加误码率，限制系统的传输速率和通信距离。

二、短波无线传输中多径效应的应对方法

2.1 分集技术

2.1.1 空间分集

空间分集是通过在接收端或发射端设置多个天线，利用不同天线位置之间的信号不相关性来实现分集接收或发射。在接收端，各天线接收到的多径信号具有不同的衰落特性，将这些信号进行合并处理，能够有效降低衰落的影响。常见的合并方式有选择式合并、最大比合并和等增益合并等。例如，在某短波通信实验中，采用双天线空间分集接收，与单天线接收相比，误码率降低了约3 个数量级。

2.1.2 频率分集

频率分集是在发射端将同一信息调制到多个不同频率的载波上进行传输，由于不同频率信号的衰落特性相互独立，在接收端将这些信号进行合并，可减小衰落的影响。但频率分集需要占用较宽的频带资源，在频谱资源紧张的短波通信中应用受到一定限制。

2.1.3 时间分集

时间分集是通过在不同的时间间隔重复发送同一信号来实现分集。由于衰落具有时间上的随机性，只要重复发送的时间间隔足够大，各次发送信号的衰落就具有独立性。时间分集适用于慢衰落信道，但会降低系统的传输效率。

2.2 均衡技术

2.2.1 线性均衡器

线性均衡器是一种简单有效的均衡方法，它通过对接收信号进行线性加权处理，补偿信道的频率响应失真，减小码间干扰。常见的线性均衡器有横向滤波器等。然而，线性均衡器对于严重的信道非线性失真处理效果不佳。

2.2.2 非线性均衡器

非线性均衡器能够更好地处理信道的非线性失真问题，如判决反馈均衡器（DFE）。DFE 利用已判决的码元信息来抵消当前码元的部分干扰，在一定程度上提高了均衡效果，但存在误码传播的风险。

2.3 OFDM 技术

正交频分复用（OFDM）技术将高速数据流分解为多个低速子数据流，分别调制到多个相互正交的子载波上进行传输。由于每个子载波的符号周期相对较长，对多径效应引起的时延扩展具有较强的抵抗能力。同时，通过在符号间插入循环前缀（CP），可以进一步消除码间干扰。OFDM 技术在现代短波通信中得到了越来越广泛的应用，能够显著提高系统的频谱效率和抗衰落性能。

三、多径效应应对方法的效果评估

3.1 评估指标

3.1.1 误码率（BER）

误码率是衡量数据传输准确性的重要指标，它表示接收端错误接收的码元数与传输的总码元数之比。误码率越低，说明通信系统的可靠性越高。在评估多径效应应对方法时，误码率是最直观的性能指标之一。

3.1.2 信噪比改善程度

信噪比（SNR）反映了信号中有用信号功率与噪声功率的比值。通过比较采用应对方法前后的信噪比，可以评估该方法对信号质量的提升效果。信噪比改善程度越大，说明应对方法对多径效应的抑制效果越好。

3.1.3 系统吞吐量

系统吞吐量表示单位时间内系统成功传输的数据量。在多径效应的影响下，系统吞吐量会因衰落和码间干扰而降低。采用有效的应对方法后，系统吞吐量的提升情况能够反映其对系统传输效率的改善程度。

3.2 评估方法

为了准确评估各种应对方法的效果，通常采用仿真和实际测试相结合的方式。在仿真方面，利用 MATLAB 等软件搭建短波通信系统模型，模拟不同的多径信道条件，对各种应对方法进行性能仿真分析。在实际测试中，选择典型的短波通信场景，部署测试设备，采集实际传输数据，对误码率、信噪比等指标进行测量和分析，从而全面评估应对方法在实际应用中的效果。

四、实验与结果分析

4.1 实验设置

在实验室环境下，搭建短波通信测试系统。发射端采用功率为 10W 的短波发射机，接收端使用高性能的短波接收机。通过信道模拟器模拟不同参数的多径信道，包括时延扩展、衰落幅度等。分别测试未采用应对方法以及采用空间分集、均衡技术、OFDM 技术及其组合方法时的系统性能。

4.2 结果分析

实验结果表明，单独采用空间分集技术，在一定的衰落条件下，误码率可降低约 2 个数量级；使用线性均衡器后，信噪比改善约 3 -5dB ；而 OFDM 技术能够使系统吞吐量提高约 40% 。当采用空间分集与 OFDM 技术相结合的方法时，误码率进一步降低，系统在复杂多径信道环境下的稳定性和可靠性得到显著提升。通过对比不同方法的实验结果，可以清晰地看出各种应对方法的优势和局限性，为实际应用中选择合适的方法提供依据。

五、结论

本论文系统研究了短波无线传输中多径效应的应对方法及效果评估。通过分析多径效应的产生机理和影响，探讨了分集技术、均衡技术和 OFDM 技术等多种应对策略，并建立了以误码率、信噪比改善程度和系统吞吐量为核心的效果评估体系。实验结果表明，不同的应对方法在抑制多径效应方面各有优势，多种技术的合理组合能够取得更好的效果。然而，在实际应用中，还需要根据具体的通信场景、系统要求和资源限制等因素，综合选择和优化应对方法。未来，随着通信技术的不断发展，还需要进一步研究更高效的多径效应抑制技术，以满足短波通信日益增长的需求。

参考文献

[1] 薛晓 . 短波信道建模技术研究与仿真 [D]. 湖南大学 ,2020.DOI:10.27135/d.cnki.ghudu.2020.004426.

[2] 王太军 . 短波传播特性及盲区通信策略分析 [J]. 通信与信息技术 ,2019,No.242(06):48-54.

[3] 王金龙 , 陈瑾 , 徐煜华 . 短波通信技术研究进展与发展需求 [J]. 陆军工程大学学报 ,2022,1(01):1-7.