接收信號的衰落

1、電波傳播理論9-1第9章接收信號的衰落基本要求：1.接收信號衰落有關(guān)的基本概念；2.衰落的特性參數(shù)；3.產(chǎn)生衰落的相關(guān)機(jī)理以及克服衰落影響的應(yīng)對措施；4.主要的幾種衰落機(jī)理。第9章 接收信號的衰落1電波傳播理論9-2第9章 接收信號的衰落9.1 衰落與通信可靠度接收信號的衰落在無線電通信中，接收點(diǎn)后的信號電平不穩(wěn)定的、隨時(shí)間變化的變化。發(fā)射天線發(fā)出的信號功率電平是恒定的；射頻信號通過空間傳播到達(dá)接收點(diǎn)后，信號電平卻可能是不穩(wěn)定的、隨時(shí)間變化的；接收信號衰落期間，信號電平有時(shí)可高于自由空間電平；但絕大多數(shù)情況下，接收信號電平都遠(yuǎn)低于自由空間接收電平，甚至低4050dB以上。衰落是無線通信中一個(gè)重

2、要的、嚴(yán)重的問題。電波傳播引起的信號衰落現(xiàn)象對無線通信的質(zhì)量、對工程實(shí)施與設(shè)備研制的技術(shù)難度以及投資成本等方面都會(huì)帶來極大影響。2電波傳播理論9-3第9章 接收信號的衰落固定通信中接收信號衰落的本質(zhì)傳播介質(zhì)的亦即大氣的折射指數(shù)的隨機(jī)變化。大氣是個(gè)時(shí)變介質(zhì)，而在其中傳播的不同射線的的相位和幅度甚至極化都與介質(zhì)特性有關(guān)，因此接收點(diǎn)的合成場強(qiáng)必然隨介質(zhì)的變化而變化，這就出現(xiàn)信號的衰落。如果大氣是穩(wěn)定的，衰落現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。移動(dòng)通信中接收信號衰落的本質(zhì)大氣的折射指數(shù)的隨機(jī)變化以及移動(dòng)用戶的運(yùn)動(dòng)移動(dòng)用戶高速運(yùn)動(dòng)引起的電波傳播邊界條件和射線路徑的快速變化是產(chǎn)生移動(dòng)通信中接收信號衰落的重要原因。例如在城市移動(dòng)

3、通信中，在不同的街道、不同的位置，城市建筑對電波的阻擋和反射是不一樣的，甚至多徑射線的數(shù)目也不一樣。因此，當(dāng)移動(dòng)用戶的在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳播條件隨之發(fā)生快速的變化，從而引起接收信號的變化，即出現(xiàn)所謂的信號衰落。信號衰落的本質(zhì)無線電波傳播損耗的變化引起的。3電波傳播理論9-4第9章 接收信號的衰落信號的衰落和損耗：無線電波由發(fā)射天線到接收天線，在傳播過程中要遭受自由空間損耗以及地面、地物的繞射損耗和反射損耗以及大氣及其沉降物（如雨、霧、沙塵等）對電波的吸收和散射以及大氣層結(jié)引起的多徑傳播也會(huì)使無線電波產(chǎn)生損耗。自由空間損耗因?yàn)榭臻g擴(kuò)散引起功率通量密度隨距離的增加而降低所引起的損耗。傳輸損耗收、發(fā)設(shè)備

4、之間（包括天線以及饋線）的所有的損耗（包括天線的增益的影響）信號衰落（傳播損耗）在收發(fā)點(diǎn)之間的傳播過程中除了自由空間損耗之外的附加損耗。也就是僅僅因?yàn)閭鞑ッ劫|(zhì)的隨機(jī)變化所引起的那部分信號的衰落（不包括自由空間的損耗以及天線和饋線的影響。）4電波傳播理論9-5第9章 接收信號的衰落信號衰落（傳播損耗） 的數(shù)學(xué)表示： 在非自由空間傳播條件下，接收信號的功率電平 可以表示為： 或 其中 自由空間接收功率 自由空間損耗對于確定的電路發(fā)射功率、天線增益、饋線損耗、和自由空間損耗都是恒定的。信號衰落（傳播損耗）代表傳播路徑上傳播介質(zhì)和物體對電波的損耗，是自由空間損耗之外的附加損耗。傳播損耗的隨機(jī)變化才引起

5、了接收信號的衰落。（9.1）（2.38）（10.1）5電波傳播理論9-6第9章 接收信號的衰落描述通信質(zhì)量好壞的幾個(gè)概念：通信等級好、正常、差、通信中斷等。通信中斷指標(biāo)是傳播電路設(shè)計(jì)中最常遇到的需要滿足的指標(biāo)。在模擬通信的情況下，通信中斷與特定的門限電平或門限載噪比相對應(yīng)，低于該門限時(shí)，就要發(fā)生通信中斷；在數(shù)字通信中，通信中斷是用某個(gè)特定的誤碼率來體現(xiàn)的，通常定義，當(dāng)誤碼率小于1103時(shí)意味著通信中斷。中斷誤碼率（門限誤碼率）1103的誤碼率。中斷誤碼率是與一定的門限接收電平或一定的門限載噪比相對應(yīng)的。中斷率（中斷概率）可能出現(xiàn)通信中斷的時(shí)間百分?jǐn)?shù)傳播可靠度不發(fā)生傳播中斷的時(shí)間百分?jǐn)?shù)電波傳播的

6、介質(zhì)和環(huán)境的變化使得接收信號是隨時(shí)間隨機(jī)變化的。6電波傳播理論9-7第9章 接收信號的衰落嚴(yán)格說來，無線電通信傳播電路的通信質(zhì)量應(yīng)該是這樣來表達(dá)的：接收信號電平（或載噪比）大于某一規(guī)定值的時(shí)間概率（時(shí)間百分?jǐn)?shù)）應(yīng)該大于所要求的值；或者說，某一規(guī)定時(shí)間百分?jǐn)?shù)（累積時(shí)間概率）被超過的接收信號電平應(yīng)該大于為達(dá)到某一通信質(zhì)量水平所要求的最低接收信號電平（門限電平）。在公用GSM體制的移動(dòng)通信中，接收信號的載噪比大于9dB的時(shí)間概率應(yīng)該大于98；或者說，在98的時(shí)間內(nèi)接收信號的載噪比應(yīng)該大于9dB。在數(shù)字微波接力通信中，對于2500km的參考電路，接收信號誤碼率大于1103的總時(shí)間概率應(yīng)該小于0.054

7、，或者說，接收信號誤碼率小于1103的總時(shí)間概率應(yīng)該大于99.46。通信質(zhì)量等級與通信可靠度相關(guān)聯(lián)，合理地控制著傳播電路的整體通信質(zhì)量水平。7電波傳播理論9-8第9章 接收信號的衰落無線電鏈路通信質(zhì)量的概念的數(shù)學(xué)公式表示-1： 用接收信號的功率電平或載噪比表示 或 接收信號的功率電平或載噪比（隨機(jī)變量） 為保證通信質(zhì)量所要求的最低接收信號 功率電平（門限電平，保護(hù)電平） 或允許的最低載噪比（門限載噪比） 通信電路所要求達(dá)到的通信可靠度 隨機(jī)變量 大于或等于 的時(shí)間百分?jǐn)?shù)（9.2）（9.3）8電波傳播理論9-9第9章 接收信號的衰落無線電鏈路通信質(zhì)量的概念的數(shù)學(xué)公式表示-2： 用傳播損耗（信號衰

8、落）表示 傳播損耗（信號衰落） 為達(dá)到某一通信質(zhì)量等級所要求的最大傳播損耗 傳播電路上所要求的傳播可靠度 傳播損耗 的時(shí)間百分?jǐn)?shù) 自由空間接收電平 為達(dá)到某一通信質(zhì)量等級所要求的最低接收電平 （門限電平）（9.4）（9.5）9電波傳播理論9-10第9章 接收信號的衰落通信質(zhì)量與信號衰落關(guān)系：在通信電路與通信設(shè)備已經(jīng)確定的情況下，通信質(zhì)量等級以及傳播電路的通信可靠度完全取決于接收信號的衰落。衰落越嚴(yán)重，能達(dá)到規(guī)定通信質(zhì)量等級的時(shí)間百分?jǐn)?shù)就越小，可靠性就越差。對于移動(dòng)通信，除了要考慮接收信號的時(shí)間可變性之外，還要考慮地點(diǎn)可變性，也就是說，接收信號電平隨地點(diǎn)隨機(jī)變化。為此，與傳播電路的時(shí)間可靠度類似

9、，我們可以引入地點(diǎn)可靠度的概念，以描述接收信號隨地點(diǎn)的隨機(jī)變化特性。 10電波傳播理論9-11第9章 接收信號的衰落9.2 衰落的基本概念攜帶信息的射頻無線電波在隨機(jī)變化的介質(zhì)和環(huán)境中傳播時(shí)，射頻信號的場強(qiáng)幅度、接收功率或功率通量密度都是隨時(shí)間和地點(diǎn)變化的隨機(jī)的變量。除了幅度之外，接收信號的相位、極化、到達(dá)方向、傳播速度在某種程度上也是隨機(jī)變化的，特別是相位。這些變化反過來又要影響信號的幅度。我們將著重討論信號幅度的隨機(jī)變化，通常稱之為衰落。接收信號幅度衰落的特性用衰落深度、衰落持續(xù)時(shí)間或衰落頻率、衰落的頻率選擇性等參數(shù)來描述。11電波傳播理論9-12第9章 接收信號的衰落9.2.1 衰落的特

10、性參數(shù)9.2.1.1 衰落深度：淺衰落與深衰落衰落深度由于衰落的原因，接收信號電平相對于自由空間接收電平而言被衰減的分貝數(shù)，它表示接收信號電平衰落幅度的大小。 時(shí)間被超過的電平。接收信號電平有 的時(shí)間高于這個(gè)值，有 的時(shí)間低于這個(gè)值，或者說，接收信號電平高于這個(gè)值的時(shí)間概率為 ，低于這個(gè)值的時(shí)間概率為 接收電平的概率分布函數(shù)。 12電波傳播理論9-13第9章 接收信號的衰落接收信號電平隨時(shí)間變化的衰落現(xiàn)象的一個(gè)樣品示意圖：考慮到接收信號電平除與時(shí)間有關(guān)外，它而且還是地點(diǎn)的隨機(jī)函數(shù)，所以，嚴(yán)格說來，在確定的時(shí)域和空域，接收信號電平有 的時(shí)間和 的地點(diǎn)高于某個(gè)值，這個(gè)值可以表示為 。 13電波傳播

11、理論9-14第9章 接收信號的衰落 時(shí)間不被超過的衰落深度 的數(shù)學(xué)定義： 時(shí)間不被超過的衰落深度也可以說是 時(shí)間被超過的衰落深度。 被稱為衰落深度小于的時(shí)間概率， 則被稱為衰落深度大于的時(shí)間概率。 時(shí)間不被超過的衰落深度 等于自由空間接收電平 與 時(shí)間被超過的電平 之差。當(dāng)討論有用信號時(shí)，通常使用 時(shí)間不被超過的衰落深度；當(dāng)討論干擾信號時(shí)，通常更傾向于使用 時(shí)間被超過的衰落深度。 （9.6）14電波傳播理論9-15第9章 接收信號的衰落深衰落和淺衰落根據(jù)衰落深度的差別，衰落事件常常被分為深衰落和淺衰落。深而快的衰落通常服從瑞利分布，淺而慢的衰落則常常服從正態(tài)分布。衰落深度 大于某個(gè)確定值 的總

12、概率可以表示為： 淺衰落出現(xiàn)概率 深衰落的出現(xiàn)概率 淺衰落條件下衰落深度 大于 的條件概率 深衰落條件下衰落深度 大于 的條件概率在工程實(shí)踐中，常常會(huì)為信號的衰落留有相當(dāng)大的電平余量，以使在淺衰落時(shí)不會(huì)產(chǎn)生通信中斷。所以在只考慮深衰落的情況下，上式第一項(xiàng)對總概率的貢獻(xiàn)可以忽略，只需要關(guān)心上式的第二項(xiàng)。（9.7）15電波傳播理論9-16第9章 接收信號的衰落只需考慮深衰落時(shí)，衰落深度大于某個(gè)確定值的總概率：由于在深衰落的情況下，接收信號服從瑞利分布，所以有在只關(guān)心深衰落的情況下，影響衰落深度的關(guān)鍵是深衰落的出現(xiàn)概率 。（9.8）（9.9）16電波傳播理論9-17第9章 接收信號的衰落9.2.1.

13、2 衰落的動(dòng)力參數(shù)以及快衰落、慢衰落和閃爍衰落描述衰落現(xiàn)象參數(shù)還有衰落的持續(xù)時(shí)間、衰落頻率以及衰落的電平變化率。衰落的持續(xù)時(shí)間或衰落頻率以及衰落的電平變化率直接影響信號在無線電路上的傳輸質(zhì)量、通信的質(zhì)量和通信的可靠度，例如中斷的時(shí)間長短、無誤碼秒的時(shí)間、中斷發(fā)生的次數(shù)等等，也影響到分集合成方式的選擇。17電波傳播理論9-18第9章 接收信號的衰落衰落持續(xù)時(shí)間從衰落深度開始大于某個(gè)確定值起到衰落深度恢復(fù)到該值時(shí)止，一次衰落所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。所以，衰落持續(xù)時(shí)間顯然與所對應(yīng)的衰落深度值有關(guān)，另外還與頻率、電路長度、當(dāng)?shù)貧夂?、季?jié)和時(shí)間有關(guān)。衰落頻率衰落深度低于某一確定值 的衰落在單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)

14、。同樣，衰落頻率顯然與所對應(yīng)的衰落深度值有關(guān)，另外還與頻率、電路長度、當(dāng)?shù)貧夂颉⒓竟?jié)和時(shí)間有關(guān)。電平變化率對于某一特定的電平，在確定的短時(shí)間間隔內(nèi)單位時(shí)間電平的變化值。在不同的衰落深度上，電平的變化率是不一樣的。一般說來，電平變化率隨衰落深度、頻率、和電路長度的增加而增加。18電波傳播理論9-19第9章 接收信號的衰落快衰落衰落持續(xù)時(shí)間長、衰落頻率高、電平變化率大的衰落?？焖ヂ涞牡湫颓闆r如多徑干涉形成的深衰落。慢衰落衰落持續(xù)時(shí)間短、衰落頻率低、電平變化率小的衰落。慢衰落的典型情況如固定通信電路的繞射衰落。閃爍衰落一種衰落幅度很淺但衰落頻率卻很高的衰落現(xiàn)象。接收信號電平圍繞中值有數(shù)分貝的小幅度快

15、速變化。衰落的持續(xù)時(shí)間比較短，一般為幾分之一秒到數(shù)秒鐘，衰落的頻率比較高，通常為每秒鐘數(shù)次到數(shù)秒鐘一次。這種小幅度的快速起伏對于具有較大衰落儲(chǔ)備的特性系統(tǒng)并不會(huì)產(chǎn)生破壞性的影響，但是對于衰落儲(chǔ)備不多的通信系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)，閃爍衰落的影響就必須考慮。19電波傳播理論9-20第9章 接收信號的衰落9.2.1.3 衰落的頻率選擇性：平衰落和頻率選擇性衰落根據(jù)衰落與頻率的關(guān)系，接收信號的衰落現(xiàn)象可以分為在帶寬內(nèi)的衰落與頻率無關(guān)的平衰落和與頻率有關(guān)的頻率選擇性衰落。20電波傳播理論9-21第9章 接收信號的衰落平衰落接收信號帶寬內(nèi)總功率電平的衰減值，不必計(jì)較帶寬內(nèi)衰落深度與頻率的依賴關(guān)系。對于模擬通

16、信和窄帶數(shù)字通信，通常就只需要考慮接收信號平衰落效應(yīng)的影響。平衰落的影響是降低了接收信號的總功率電平，降低了載噪比和信噪比，因此而使通信質(zhì)量變壞，甚至造成通信中斷。平衰落是傳統(tǒng)意義上的衰落，可以用加大發(fā)射功率、提高天線增益、減少路徑損耗、降低接收機(jī)噪聲和干擾噪聲等方法來抵消它的破壞性影響。利用空間分集和頻率分集等辦法可以減少發(fā)生衰落的概率和降低衰落的深度，提高接收信號的載噪比。21電波傳播理論9-22第9章 接收信號的衰落頻率選擇性衰落在信號的帶寬內(nèi)，不同頻率點(diǎn)上的衰落深度是不一樣的?？梢杂脷w一化的傳輸函數(shù)來描述。頻率選擇性衰落實(shí)際上是接收信號帶寬內(nèi)的色散效應(yīng)。比如一個(gè)整齊的矩形脈沖信號通過空

17、間傳播到達(dá)接收點(diǎn)之后接收信號的形狀將會(huì)有所彌散且頂部變得圓滑。接收信號在時(shí)間域的展開稱為脈沖響應(yīng)，接收信號在頻率域的展開則被稱為接收信號的譜密度分布函數(shù)。根據(jù)傅立葉變換，信號的脈沖響應(yīng)與信號的譜密度函數(shù)是彼此對應(yīng)的。 如果從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的傳輸過程中沒有發(fā)生色散現(xiàn)象，則接收信號的譜密度函數(shù)的形狀與發(fā)射信號的譜密度函數(shù)的形狀是一樣的。在深衰落特別是多徑傳播時(shí)，頻率選擇性衰落或者帶內(nèi)色散現(xiàn)象不可避免地存在。對于模擬通信和窄帶數(shù)字通信，通常就只需要考慮接收信號平衰落效應(yīng)的影響。22電波傳播理論9-23第9章 接收信號的衰落頻率選擇性衰落的描述歸一化的傳輸函數(shù)歸一化的傳輸函數(shù) 的定義 正常情況下場強(qiáng)幅

18、度的譜密度函數(shù) 頻率選擇性衰落期間的場強(qiáng)幅度的譜密度函數(shù) 對于無衰落且無額外衰減的情況，其歸一化傳輸函數(shù)是與頻率無關(guān)的常數(shù)1；當(dāng)無衰落且額外衰減為恒定值時(shí)，此時(shí)歸一化傳輸函數(shù)是平行于頻率軸的一條直線。當(dāng)發(fā)生頻率選擇性衰落時(shí)，情況就不一樣了，一般情況下傳輸函數(shù)是一條曲線，也就是說傳輸函數(shù)是頻率的函數(shù)。（9.10）23電波傳播理論9-24第9章 接收信號的衰落接收信號電平在時(shí)間域的脈沖響應(yīng) 為相對于正常傳播時(shí)的時(shí)延以相對功率的形式表示的傳輸函數(shù)傳輸函數(shù) 的實(shí)質(zhì)意義是，接收點(diǎn)射頻信號功率譜密度相對于自由空間功率譜密度的衰減值，亦即射頻接收信號的相對功率譜密度。 （9.11）（9.12）24電波傳播理

19、論9-25第9章 接收信號的衰落一個(gè)頻率選擇性衰落期間傳輸函數(shù)的樣品示意圖微波信號分析儀或頻譜分析儀可用于測試接收信號的傳輸函數(shù)。25電波傳播理論9-26第9章 接收信號的衰落頻率選擇性衰落對通信質(zhì)量的影響：頻率選擇性衰落很嚴(yán)重時(shí)，也就是接收信號帶內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的色散現(xiàn)象，這反演到時(shí)域，將使原本規(guī)整的信號波形變得異常彌散，這對于高速率寬帶數(shù)字通信將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾，引起誤碼和誤判。在寬帶數(shù)字通信中，平衰落不能真正反映衰落對通信質(zhì)量的全部影響。有時(shí)平衰落深度并不很深，但是如果頻率選擇性衰落嚴(yán)重的話，還是會(huì)出現(xiàn)很高的誤碼率。所以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對于寬帶高速率數(shù)字通信系統(tǒng)，既要考慮平衰落的影響，

20、也要考慮頻率選擇性衰落的影響。于是，便引入了所謂的凈衰落儲(chǔ)備的概念，它是考慮帶內(nèi)色散效應(yīng)之后的實(shí)際有效的衰落儲(chǔ)備。26電波傳播理論9-27第9章 接收信號的衰落9.2.2 衰落的機(jī)理衰落按其產(chǎn)生的機(jī)理可以分為遮蔽和阻擋衰落、地反射衰落、多徑干涉衰落、平均折射效應(yīng)衰落和閃爍衰落等。遮蔽和阻擋衰落由于無線電波傳播的路徑被地面地形和地面覆蓋物阻擋且阻擋的程度隨時(shí)間或隨路徑發(fā)生變化而引起的衰落。在固定通信中，當(dāng)電路余隙不足時(shí)，地面、地物對電波的阻擋必然引起繞射損耗。隨著大氣條件的變化，電路余隙的變化導(dǎo)致繞射衰落也隨之變化。繞射衰落是緩變的，可能在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)接收信號都遠(yuǎn)低于正常的接收電平，引起長時(shí)

21、間的信號中斷。避免繞射衰落的辦法就是保持傳播電路具有足夠的余隙。在地面陸地移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)用戶在地面行進(jìn)時(shí)，移動(dòng)用戶與基站之間的傳播電路常?？赡苁艿铰愤厴淠镜恼诒魏偷孛娼ㄖ锏淖钃?，而且在移動(dòng)用戶處在不同位置將遭受不同的阻擋（繞射）損耗和遮蔽衰減，所以用戶在移動(dòng)時(shí)接收信號將出現(xiàn)衰落。27電波傳播理論9-28第9章 接收信號的衰落地反射衰落由于直接射線與地面或水面反射射線的合成所產(chǎn)生的二射線干涉衰落。如果地反射強(qiáng)烈使反射系數(shù)接近于 1 且直接射線與反射射線的相位相反時(shí)，接收信號將遭受很嚴(yán)重的衰減；當(dāng)直接射線與反射射線的相位相同時(shí)，可以使接收信號電平高于正常接收電平。隨著大氣折射條件的變化，直接

22、射線和地反射射線之間的相位關(guān)系和幅度出現(xiàn)緩慢的改變，從而引起信號的衰落。這種衰落總體上是緩慢變化的，可以長時(shí)間使接收信號電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常接收電平，所以地反射衰落也是應(yīng)該盡力避免的?？朔胤瓷渌ヂ涞淖钣行Т胧┦强刂频胤瓷潼c(diǎn)的位置，在空間分集的情況下選擇合適的天線高度分集間隔。28電波傳播理論9-29第9章 接收信號的衰落多徑干涉衰落由于無線通信的多徑傳播引起的多射線之間的干涉衰落。在無線通信中，絕大多數(shù)情況是多射線在接收點(diǎn)合成引起的多徑干涉衰落。所謂的多徑或多射線，除直接射線之外，大氣層結(jié)、地面和地面覆蓋物的反射和散射射線，這些射線經(jīng)歷不同的傳播路徑（故名多徑傳播），具有不同的幅度和相位，在接收

23、點(diǎn)合成統(tǒng)一的接收信號。由于相位的相干引起的多徑干涉衰落具有幅度深、變化快的特點(diǎn)，這是無線電通信最常見、最重要的衰落現(xiàn)象。29電波傳播理論9-30第9章 接收信號的衰落平均折射效應(yīng)引起的衰落（淺衰落）由于聚焦與散焦效應(yīng)、到達(dá)角與出射角起伏效應(yīng)所產(chǎn)生的。大氣密度和水汽密度空間分布的大尺度不均勻性，導(dǎo)致大氣折射指數(shù)空間分布的大尺度不均勻性，使得無線電射線在大氣中傳播時(shí)產(chǎn)生聚焦或散焦現(xiàn)象，聚焦時(shí)無線電信號增強(qiáng)，散焦時(shí)則信號減弱；沿射線路徑折射指數(shù)空間分布隨時(shí)間的變化會(huì)引起無線電波到達(dá)角和出射角的變化，在這種情況下，如果天線的波瓣圖比較尖銳，由于射線與天線波瓣圖的耦合作用，必然會(huì)引起接收信號電平的起伏。

24、這些平均折射效應(yīng)引起的衰落是在整個(gè)射線傳播路徑上累計(jì)的整體效應(yīng)，基本上都屬于變化比較緩慢的淺衰落效應(yīng)。對于留有較大衰落儲(chǔ)備的通信系統(tǒng)，這種衰落不會(huì)對通信產(chǎn)生多大的破壞性影響；但對于像衛(wèi)星通信這樣衰落儲(chǔ)備低的無線通信系統(tǒng)，這種影響使重要的。30電波傳播理論9-31第9章 接收信號的衰落閃爍衰落由于大氣密度、水汽密度、水凝體（雨、霧、云）和沙塵的小尺度不均勻性引起的信號衰落。射頻接收信號的衰落，除了深衰落和淺衰落外，事實(shí)上，還存在另一種幅度淺而衰落頻率高的衰落分量，這種衰落我們稱之為閃爍衰落。閃爍衰落是閃爍衰落總是圍繞信號的中值作小幅度的快速隨機(jī)變化。31電波傳播理論9-32第9章 接收信號的衰落

25、9.2.3 衰落的統(tǒng)計(jì)描述接收信號的衰落是隨機(jī)事件，不是確定性的事件。隨機(jī)事件沒有確定性的規(guī)律，但是服從統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，它不能預(yù)測事件的結(jié)果一定是什么，卻可以預(yù)測事件出現(xiàn)某一結(jié)果的可能性有多大，或有多大的可能性實(shí)現(xiàn)事件的某一結(jié)果。相對于確定性的事件的確定性規(guī)律而言，隨機(jī)事件的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律是另一種類型的規(guī)律。描述隨機(jī)事件的最基本手段是概率分布函數(shù)和概率分布密度函數(shù)。它們之間具有微分和積分的關(guān)系。在統(tǒng)計(jì)性規(guī)律中，隨機(jī)變量的中值、平均值和最可幾值是表征隨機(jī)變量數(shù)字特性的最常使用的三個(gè)特征值。隨機(jī)變量的均方根偏差或標(biāo)準(zhǔn)偏差反映隨機(jī)變量的離散特性，標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，隨機(jī)變量的分布越離散。32電波傳播理論9-33第

26、9章 接收信號的衰落9.3 繞射衰落有關(guān)衛(wèi)星陸地移動(dòng)通信中路邊樹木和建筑物的遮蔽效應(yīng)將在第20章中討論，本節(jié)著重討論地面固定通信業(yè)務(wù)中地形和建筑物等對電波阻擋所引起的衰落。繞射損耗的特點(diǎn)：繞射損耗是與傳播電路上障礙點(diǎn)的余隙大小息息相關(guān)的，電路余隙越小繞射損耗越大，接收信號功率電平越低。引起電路余隙變化的原因是無線電波的大氣折射效應(yīng)。當(dāng)出現(xiàn)超折射氣象條件時(shí)，射線離地面障礙物比較遠(yuǎn)，電路余隙較大，繞射損耗較小或者為零，接收信號電平上升，達(dá)到較高的值；相反，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)折射的氣象條件時(shí)，射線向下彎曲，射線比較靠近障礙的頂部，電路余隙變小，繞射損耗增大，接收信號電平降低，甚至達(dá)到最低的谷值點(diǎn)，出現(xiàn)接收信號

27、的衰落。33電波傳播理論9-34第9章 接收信號的衰落繞射衰落只是在出現(xiàn)欠折射和負(fù)折射時(shí)才能發(fā)生。與此相應(yīng)的氣象條件是，大氣折射指數(shù)梯度大于正常值（大約為-4010-6/km），接近于零，甚至為正值；出現(xiàn)繞射衰落時(shí)無線電波的射線曲率接近于零，甚至為負(fù)值，也就是說，射線比較平直，甚至向下彎曲，以至于傳播電路的余隙變小。繞射衰落是隨機(jī)事件，不是確定性的事件。由于某一確定地點(diǎn)的大氣折射指數(shù)梯度依賴于溫度、壓力和濕度沿高度的分布，是時(shí)間的隨機(jī)變量，所以在傳播電路上不同地點(diǎn)的大氣折射指數(shù)梯度也是不一樣的，它是空間的隨機(jī)變量。這就使得傳播電路上障礙點(diǎn)的余隙大小也是隨機(jī)的，因此與余隙大小息息相關(guān)的繞射衰落也

28、必然是隨機(jī)的。由于繞射衰落是傳播電路上各點(diǎn)大氣折射指數(shù)梯度的變化累積的總效果，所以必須采用等效折射指數(shù)梯度計(jì)算繞射衰落，它是傳播路徑上各點(diǎn)大氣折射指數(shù)梯度的平均值。繞射衰落是緩變的，衰落的持續(xù)時(shí)間較長，從十幾分鐘到數(shù)小時(shí)，屬于慢衰落。34電波傳播理論9-35第9章 接收信號的衰落等效折射指數(shù)梯度 傳播路徑上各點(diǎn)大氣折射指數(shù)梯度的平均值。等效折射指數(shù)梯度 和定點(diǎn)折射指數(shù)梯度 的關(guān)系：對于電路長度 小于20km的電路， 的分布與 的分布近似一樣。對于電路長度 大于20km的電路， 的分布與 的分布有所不同。例如：據(jù)無線電探空儀實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出的定點(diǎn)折射指數(shù)梯度為 且服從高斯分布，其均值為 ，方差為

29、，則電路長度大于20km的傳播電路上的等效折射指數(shù)梯度的均值 和方差 分別為 參考距離35電波傳播理論9-36第9章 接收信號的衰落一個(gè)典型的慢衰落樣品1984年10月13日07:1007:30在河南省新鄉(xiāng)市洪門電波觀測站至輝縣薊門山29公里長的電路上測試到的結(jié)果，工作頻率為7.6Ghz。36電波傳播理論9-37第9章 接收信號的衰落由圖可以看出，衰落的出現(xiàn)和信號的恢復(fù)都是緩變的過程，經(jīng)歷較長的時(shí)間，即繞射衰落是緩變的，衰落的持續(xù)時(shí)間較長，從十幾分鐘到數(shù)小時(shí)，屬于慢衰落。衰落期間接收信號電平總是低于自由空間接收電平，或者說，相對于自由空間的傳播損耗總是正值。如果采用空間分集天線接收的話，還會(huì)發(fā)

30、現(xiàn)，兩個(gè)天線接收到的信號具有明顯的同步衰落的趨勢，這是因?yàn)樵谪?fù)折射時(shí)，上、下天線的電路余隙都要變小，只是變小的程度有所不同而已，所以用空間分集的辦法克服繞射衰落是其效果是不理想的。在我國，各定點(diǎn)折射指數(shù)梯度的累積分布實(shí)測曲線是根據(jù)連續(xù)多年氣象探空數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的，具有一定的代表性。根據(jù)折射指數(shù)梯度的累積分布曲線，我們能夠預(yù)測發(fā)射繞射衰落的概率或衰落的深度。37電波傳播理論9-38第9章 接收信號的衰落9.4 地反射衰落及其克服辦法地反射損耗（第4章） 通常，可以認(rèn)為地反射系數(shù)是定值，但是，程差卻與傳播路徑上的大氣折射指數(shù)有關(guān)。具體計(jì)算中折射指數(shù)梯度應(yīng)該取電路上的平均折射指數(shù)梯度。當(dāng)出現(xiàn)極端負(fù)折射

31、時(shí)，地面障礙物對電波的阻擋引起的繞射損耗將其主要影響，此時(shí)，地反射可以不考慮。在正常折射、過折射和超折射的情況下，電路將由較大余隙，如果地反射沒有被抑制，那末，由于折射指數(shù)梯度的隨機(jī)變化，導(dǎo)致程差的變化，所以反射損耗將按式（9.17）發(fā)生隨機(jī)變化，從而引起接收信號的衰落，這就是地反射衰落。（9.12）38電波傳播理論9-39第9章 接收信號的衰落地反射衰落由于折射指數(shù)梯度的隨機(jī)變化，導(dǎo)致程差以及反射損耗的隨機(jī)變化所引起接收信號的衰落。衰落的范圍在 與 之間；當(dāng)直接射線與地反射射線同相時(shí)，反射衰落為負(fù)值，接收信號增強(qiáng)，而當(dāng)直接射線與地反射射線反相時(shí)，反射衰落達(dá)到最大值，接收信號達(dá)到最低的谷值。在

32、出現(xiàn)反射衰落時(shí)，信號可以高出自由空間電平，高出的數(shù)值由地反射系數(shù)的大小而定，由于地反射系數(shù)的最大值為1，所以高出的值不會(huì)大于6dB。反射衰落的最大深度也取決于地反射系數(shù)的大小，地反射系數(shù)越大衰落越深，例如，地反射系數(shù)為0.5和0.9時(shí)，最大衰落深度分別為6和20dB，當(dāng)?shù)胤瓷湎禂?shù)為0.95時(shí)，衰落深度更可以達(dá)到26dB。嚴(yán)重的地反射可能給通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害。39電波傳播理論9-40第9章 接收信號的衰落地反射衰落與繞射衰落一樣，也是由沿線等效折射指數(shù)梯度的變化引起的，只要等效折射指數(shù)梯度的變化引起的程差的變化可以與波長比擬就可能會(huì)出現(xiàn)反射衰落。所以頻率越高越容易出現(xiàn)反射衰落。在微波頻段，地

33、反射衰落的周期短，頻次高，數(shù)秒或數(shù)分鐘可以完成一次衰落。除占優(yōu)勢的地面反射之外，在實(shí)際的情況中，還可能存在許許多多的其它多徑射線以及散射波，如大氣層結(jié)的反射引起的射線，側(cè)向地面反射、地面物體的反射以及山坡的反射等等都可以引起多徑射線和散射波。當(dāng)?shù)胤瓷洳ㄅc直接射線相干涉而使合成場強(qiáng)削弱到一定程度而可以與其它多徑射線或散射波的幅度相比擬時(shí)，這二次干涉將使信號產(chǎn)生深而快的衰落。所以中等程度的地反射也是應(yīng)該盡可能避免的。40電波傳播理論9-41第9章 接收信號的衰落克服地反射衰落的根本辦法：在設(shè)計(jì)傳播電路時(shí)合理地選取發(fā)射和接收天線的高度，避免反射點(diǎn)落在水面或平坦的地面上，應(yīng)該使反射射線落在粗糙的地面上

34、，或者利用地形、地物阻擋地反射射線。在地形允許的情況下，使入射線或反射線與直接射線的夾角遠(yuǎn)大于天線波瓣的半功率角，也可削弱地反射引起的衰落。空間分集手段是克服地反射衰落的最后一個(gè)措施?？臻g分集在某種程度上可以降低地反射的影響，只要在設(shè)計(jì)空間分集的時(shí)候確保在正常情況下分別從上、下天線出發(fā)的直接射線的相位差彼此反相。41電波傳播理論9-42第9章 接收信號的衰落地反射損耗的概率分布函數(shù) 作為隨機(jī)變量的反射損耗的真數(shù) 假定地反射射線與直接射線之間的相位差在02之間服從均勻分布的情況下進(jìn)行的。在微波頻段，這要求地反射射線相對于直接射線的時(shí)延應(yīng)該遠(yuǎn)大于1毫微秒（ns），這種要求并不總是能夠滿足的，所以以

35、上導(dǎo)出的分布函數(shù)并不總是正確的。（9.20）（9.19）42電波傳播理論9-43第9章 接收信號的衰落9.5 多徑衰落9.5.1 固定和移動(dòng)通信中的多徑衰落在地面固定和移動(dòng)通信中，收、發(fā)天線之間不僅僅存在直接射線和地面反射射線，實(shí)際上，還存在其它各種各樣的多徑射線，特別是在城市的環(huán)境中，例如，建筑物墻壁、樓頂、街道、道路以及其它物體引起的反射和散射射線，另外還有大氣層結(jié)、大氣不均勻體引起的反射和散射射線，這些射線具有不同的幅度、不同的相位、不同的到達(dá)方向，甚至極化也有差別。所以接收機(jī)收到的信號是所有這些多徑射線合成的總效果。這些射線中，有一些射線的幅度可能很小，但是當(dāng)有其它兩條較強(qiáng)的射線相干而

36、使合成射線的幅度削弱到一定程度時(shí)，這些較弱的射線也可以在多徑衰落中扮演重要角色。 43電波傳播理論9-44第9章 接收信號的衰落固定通信中多徑衰落的特點(diǎn)：在固定通信業(yè)務(wù)中，最常引起嚴(yán)重多徑衰落的情況是當(dāng)大氣出現(xiàn)超折射和大氣波導(dǎo)傳播的時(shí)候。在地面波導(dǎo)傳播的情況下，地面與大氣超折射層之間形成多徑傳播現(xiàn)象，由于大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性，引起接收信號的衰落，如果地面的反射比較強(qiáng)烈，就可能出現(xiàn)深的衰落。在出現(xiàn)高空大氣波導(dǎo)傳播的情況下，即使沒有地面的反射，不管天線在大氣層結(jié)的內(nèi)部還是外部都會(huì)出現(xiàn)多徑傳播。44電波傳播理論9-45第9章 接收信號的衰落移動(dòng)通信中多徑衰落的特點(diǎn)：直接射線與道路地面、街道地面、建筑物

37、墻面、房頂和其他物體的反射和散射射線合成構(gòu)成多徑傳播。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接射線、反射射線和散射射線的幅度和路徑（時(shí)延或相位）都隨之變化，以致引起接收電平的變化。接收電平的變化包括兩個(gè)分量，即快衰落分量和慢衰落分量?？焖ヂ浞至科鹪从谙辔坏南喔尚?yīng)，特別是當(dāng)兩條主要的射線之間的幅度接近而相位相反時(shí)可以形成很深的快衰落。慢衰落主要是由于直接射線被地形、地物阻擋和遮蔽而產(chǎn)生的。在移動(dòng)通信中，瞬時(shí)接收信號電平（快衰落）服從瑞利分布，而在數(shù)十波長路徑上接收電平的平均值（慢衰落）則服從對數(shù)正態(tài)分布。45電波傳播理論9-46第9章 接收信號的衰落9.5.2 多徑傳播時(shí)的傳輸函數(shù)與多徑時(shí)延多徑傳播的特性參

38、數(shù)多徑射線的數(shù)目、射線的幅度、相對于直接射線的額外時(shí)延、到達(dá)角。這些特性是隨機(jī)變化的，所以，必須用統(tǒng)計(jì)的方法來描述多徑傳播的這些特性。多徑傳播的傳輸函數(shù)（幅頻特性）、平均時(shí)延和相關(guān)帶寬是影響大容量數(shù)字通信業(yè)務(wù)質(zhì)量的主要參數(shù)。46電波傳播理論9-47第9章 接收信號的衰落傳輸函數(shù)（幅頻特性）代表接收信號在帶寬內(nèi)的色散特性，也就是通常所說的頻率選擇性。多徑傳播的情況下，傳輸函數(shù)模型可以表示為 相對時(shí)延指的是每一條射線相對于正常傳播的程差，實(shí)驗(yàn)測試表明，射線的數(shù)目可以多到7條，但是一般認(rèn)為多于3條射線的情況是很少出現(xiàn)的。所以，對于實(shí)際的應(yīng)用，通常可以采用所謂的三射線模型（Rummler模型），即 平均時(shí)延 實(shí)際上是功率加權(quán)平均（9.23）（9.26）（9.27）47電波傳播理論9-48第9章 接收信號的衰落9.5.3 平衰落儲(chǔ)備與凈衰落儲(chǔ)備平衰落儲(chǔ)備正常接收電平與接收機(jī)門限電平之差被稱為衰落儲(chǔ)備。