2015-04-24 15:12:53

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通信技术
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电磁波在传播过程中,由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。譬如在收话时,声音一会儿强,一会儿弱,这就是衰落现象。

基本信息

  • 中文名

    衰落

  • 外文名

    fading

  • 应用学科

    通信

折叠 编辑本段 简介

衰落是由于随机的多径射线相干涉所引起的接收点场强发生随机强起伏的现象。多径传播,是指由于传播环境不均匀,从同一天线发射的电磁波循不同的选径达到同一十接收点的情形。这些不同的途径使电磁场的相移不同。当环境随机变动时,多径的相移也随机起伏,因而各路径的电场叠加结果随时间作随机强起伏。

短波经电离层反射时,由于电子浓度分布不均匀,到达接收点的射线可能不止一条寻常射线和一条异常射线,因而成为随机多径传播。微波在对流层中传播时,在不平的地面上可能有多个反射点。在特殊气象条件下,大气的折射指教可能发生较强的随机起伏,因而引起衰落。在移动通信方面,由于街道纵横,建筑耸立或山区峰峦起伏,电磁波可能受到多重反射和散射,因而在通信范围内电场强度随地区而起伏。如用户在通信时不随时移动,多径传播只能使信号强弱随地区而异,如用户随时移动,则信号也能发生衰落。

衰落的探度常常能达到几十分贝,不能用自动增益控制的方法来弥补。但在十个波长左右的距离上,场强起伏的规律可能有明显的差别。所以抗衰落的有效方法是分集通信,即在短波接收台或移动通信用户台,用二或三副天线分别进行通信,而对信号进行适当的处理。

衰落一般都对频率有选择性,不同频率的起伏是不同的,所以衰落不仅使信号幅度不稳,而且引起频率畸变,因此衰落是限制信号带宽的因素之一。

折叠 编辑本段 定义

所有的无线设备有一点是共同的,即没有有线连接。通过空气传送的信号会由于气候、环境、距离等各种因素的影响而失真,会因自然的和人为的障碍而中断,也会因发射机和接收机的相对移动而进一步变化。这个变化的过程称为衰落。衰落在现实环境中是不可避免的。而衰落根据其产生原因和特征,也包括很多种类。

折叠 编辑本段 各类衰落

平坦性衰落和频率选择性衰落

发送的信号带宽在一定范围内时,无论频率如何变化,对接收信号衰落影响都是一致的,称之为平坦衰落。所谓一致,就是在这个带宽范围内,无论发送频率变成多少,由于多径传播造成的接收信号叠加不是增强信号就是削弱信号,方向总是一样。

当信号带宽小于相干带宽时,所产生的衰落就是平坦衰落。与之相反,当信号带宽大于相干带宽时,所发生的衰落就是频率选择性衰落,此时的信号衰落随载波频率f变化而变化,频率不同则衰落的强弱不同。当为了提高传输速率而加大信号带宽时,频率选择性衰落的影响就会增强。为了对抗频率选择性衰落,人们采用了正交频分复用(OFDM)技术,该技术将宽带信号分成很多子带,频域上分成很多子载波发送出去,每个子带的信号带宽由于小于相干带宽,从而减少甚至避免了频率选择性衰落。

快衰落和慢衰落

衰落通常分为慢衰落和快衰落两种。其中,信号强度曲线的中值呈现慢速变化,称为慢衰落;曲线的瞬时值呈快速变化,称快衰落。可见快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落(虽然它们的产生原因不同),快衰落反映的是瞬时值,慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。慢衰落和快衰落的信号强度随时间变化如图1所示。

慢衰落:它是由于在电波传输路径上受到建筑物或山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗,一般遵从对数正态分布。

慢衰落产生的原因有以下几种:

l路径损耗,这是慢衰落的主要原因。

l障碍物阻挡电磁波产生的阴影区。这种慢衰落也被称为阴影衰落。

l天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。

快衰落(又称瑞利衰落):它是由于移动台附近的散射体(地形,地物和移动体等)引起的多径传播信号在接收点相叠加,造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落。

快衰落细分为:

时间选择性衰落(快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散)

空间选择性衰落(不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样)

频率选择性衰落(不同的频率衰落特性不一样,引起时延扩散)

快衰落产生的原因如下:

l多径效应

时延扩展:多径效应(同一信号的不同分量到达的时间不同)引起的接收信号脉冲宽度扩展的现象称为时延扩展。时延扩展(多径信号最快和最慢的时间差)小于码元周期可以避免码间串扰,超过一个码元周期(WCDMA中一个码片)需要用分集接收,均衡算法来接收。

相关带宽:相关带宽内各频率分量的衰落时一致的也叫相关的,不会失真。载波宽度大于相关带宽就会引起频率选择性衰了使接收信号失真。

l多普勒效应

F(频移)=V(相对速度)/(C(光速)/f(电磁波频率))*cosa(入射电磁波与移动方向夹角)。多普勒效应会引起时间选择性衰落。由于相对速度的变化引起频移也随之变化,这时即使没有多径信号,接收到的同一路信号的载频范围随时间不断变化,从而引起时间选择性衰落。交织编码可以克服时间选择性衰落。

快衰落和慢衰落都会对通信造成一定影响,典型的影响有:

慢衰落会降低SNR。慢衰落主要会导致整体信号的电平衰落,降低了接收的信号功率,从而降低了信噪比(SNR)。

快衰落会使发送的基带数据脉冲失真,可能会导致锁相环同步问题。多径和多普勒效应导致的快衰落可能对通信的破坏力最强。

阴影衰落

无线电波在遇到面积比电磁波波长大得多的障碍物时,会发生反射,从而在障碍物另一侧形成一片无线电波无法直接传播到的"阴影"区域,称为阴影效应,如图2所示。

当终端移动到阴影区域中时,无线信号需要通过其它路径传播,造成了阴影区接收信号强度的下降。这种由阴影效应造成的衰落就是阴影衰落。

阴影衰落是一种慢衰落。慢衰落相对于多径衰落那种信号幅度快速变化的快衰落而言,变化速度十分缓慢,一般以秒计数。通常可以通过调整设备参量来弥补,如调整发射功率,或者调整调制编码格式。例如,对于阴影衰落对小区覆盖范围的影响,一般通过预留阴影余量来解决,即额外增加一定的功率(阴影余量)用以对抗阴影衰落。

阴影衰落是由于终端移动到阴影区域产生,所以其衰落的速率与工作频率无关,而是取决于终端移动到阴影区域的速度。当终端移动阴影区域,信号变弱,当终端离开阴影区域,信号变强。由于终端移动速度相对电磁波速度要慢很多,所以阴影衰落是一种慢衰落。

多径衰落

在无线通信中,无线电波在基站和移动终端之间的传播过程,由于受大气层以及各种大小不一、形状各异的障碍物影响,存在直射、绕射、反射、散射等多种传播情况。这多变的情况,造成了基站和移动终端存在多条传播路径,如图3所示。

因此,同一个信号从发射端通过多条路径到达接收端。在接收端接收到这个信号时,接收信号的时间、幅度、相位都会发生变化。无线电波在传播过程中存在损耗,在接收端为了还原出发射信号,会对接收到的信号进行矢量叠加。不同相位的接收信号在进行叠加时,同相位的信号强度会加强,反相位的信号强度会因抵消而减弱,即产生了衰落。这种多条路径传播的信号,叠加后而引起的衰落就称为多径衰落。

无线电波传播的损耗主要由路径损耗、慢衰落损耗(阴影衰落)和快衰落损耗(多径衰落)所构成。多径衰落是一种快衰落,它能造成接收信号快速起伏的现象,从而导致在接收端解调性能下降甚至无法解调,如图4所示。

多径衰落和符号间干扰(ISI)都是由多径效应引起的。为了对抗多径衰落所带来的影响,人们通常采用的手段有交织技术、RAKE接收机、天线空间分集等。

折叠 编辑本段 对抗方法

目前,可以使用以下技术来对抗慢衰落:

空时分组码(Space-TimeBlockCode,STBC)是近年来发展起来的一种新的编码方法。STBC的一个显著的特点是各天线发射的信号之间正交,这不仅能够保证在平坦的慢衰落信道下获得最大的分集增益,而且还可以降低译码复杂度。

分集技术是指系统同时接收衰落互不相关的两个或更多个输入信号后,系统分别解调这些信号然后将他们相加,这样系统可以接收到更多有用信号,克服衰落。减弱慢衰落采用空间分集,即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号,以保证各信号之间的衰落独立。

可以使用以下技术来对抗快衰落:

均衡是一种常用技术,它用来消除频率选择性衰落导致的ISI。这个过程是调用一个脉冲响应与传播信道相反的滤波器。因此,传输通道与接收滤波器相结合,产生平坦的线性响应。例如,GSM采用自适应均衡技术,来缓和失真。

交织技术和编码技术,可以降低准确检测信号所要求的Eb/No(能噪比)。编码技术通过在正交码道上发送多个信号拷贝,提供了冗余性。交织技术通过把误码分布到不同的时间,在链路中增加了稳定性,从而避免了大量连续数据丢失现象的发生,而这种现象可能会切断无线链路。

某些传输技术具备的信号特性,可以避免衰落最常见的影响。例如,超宽带传输技术,它传送的脉冲周期如此之短,以致其不会受到信道时延展宽的影响。正交频分复用技术通过把载波信号划分成信息速率较低的子载波,来避免频率选择性衰落。

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