多径传播和信号衰落的影响

在VHF、UHF移动信道中，电波传播方式除了上述的直射波和地面反射波之外，还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起的散射波。图1-2-9是移动信道传播路径示意图。

图1-2-9 是移动信道传播路径示意图

由于移动信道中电波传播的条件十分恶劣和复杂，因而其传播特性已不能简单地应用固定点无线通信的电波传播模式，要准确地计算信号场强或传播损耗是很困难的，通常采用分析和统计相结合的办法。因此必须根据移动通信的特点，按照不同的传播环境和地形特征，运用统计分析结合实际测量的方法，找到移动条件下的传播规律，以获得准确预测接收信号场强的方法。通过分析，了解各因素的影响；通过大量实验，找出各种地形、地物情况下的传播损耗与距离、频率、天线高度之间的关系。移动通信与固定通信的不同即在于通信时移动台所处的环境是移动的，这时移动台天线所收到的电磁波场强有着严重的衰落和相当大的多径时延以及多普勒频移。它们对移动通信影响很大，分别叙述如下：

在移动信道中，电波的多种传播方式同时存在。图1-2-9中，简单画出了移动信道电磁波的三条传播路径。图1-2-9中，h_b为基站天线高度（一般高于30m），h_m为移动台天线高度（为2～3m）；d为直射波的传播距离；d₁为地面反射波的传播距离；d₂为散射波的传播距离。移动台接收信号的场强为上述三种电磁波的矢量合成。为分析简便，假设反射系数R=-1（镜面反射），则合成场强E为

式中，E₀为直射波场强；a₁和a₂分别地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数。

Δd₁=d₁-d

Δd₂=d₂-d 1-2-32）

而在实际移动信道中，散射体很多，所以接收信号是由多个电磁波合成的。直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，使接收信号的幅度急剧变化，即产生了衰落现象。这种由多径传播引起的衰落，称为多径衰落。

图1-2-10所示为一个典型的多径信号。图1-2-10中，横坐标是时间或距离（d=vt，v为车速），纵坐标是相对信号电平（dB）。接收信号场强的变化速率与车速以及电磁波波长有关，信号电平的变化范围可达30dB。振幅每起伏一次，称为一次衰落，衰落的平均速率

为2v/λ，衰落一次的平均距离为

图1-2-10 典型的信号衰落特性(www.xing528.com)

1.衰落主要由多径传播产生

根据产生衰落的主要因素，可以细分为三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间、不同的频率和不同的时间其衰落特性是不一样的。

（1）空间选择性衰落。多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。角度展宽会增加信号的主要能量的角度范围，引起空间选择性衰落，衰落周期为T，波长λ，Δϕ为扩展宽度。

（2）频率选择性衰落。在不同频率上，电磁波的衰落特性不同。它是由于时延扩展引起的衰落，衰落周期与相对时延扩展成正比。

（3）时间选择性衰落。在不同的时间，电磁波的衰落特性不同。由于移动台的移动速度变化，使得接收的信号发生频率扩散，在接收点产生时间选择性衰落。有衰落周期与相对频移成反比。

在车辆行进时，还会发现信号的振幅除了快衰落以外，还有一种较缓慢地起伏，即快衰落叠加于这一缓慢起伏之上。这种慢起伏称为慢衰落。图1-2-10虚线表示的是信号的局部中值，其含义是在局部时间中，信号电平大于或小于它的时间各为50%。由于移动台的不断运动，电磁波传播路径上的地形、地物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变化所造成的衰落称为慢衰落，它比多径效应所引起的衰落要慢得多。

在移动信道中，电磁波传播路径上存在起伏地形、建筑物、树林等障碍物，这些障碍物的后面，形成电磁波的阴影区。当移动台在运动过程中穿过阴影区时，信号场强中值电平产生缓慢衰落。通常把这种现象称为阴影效应，由阴影效应产生的衰落又称为阴影衰落。

由于气象条件的变化，大气折射率发生平缓变化，使得同一地点处所收到的信号中值电平，随时间作慢变化。这种因气象条件造成的慢衰落，其变化速度更缓慢（衰落周期常以小时甚至天为量级），因此常可忽略不计。

由阴影效应和气象条件的变化，造成接收信号场强的缓慢变化，称为慢衰落。慢衰落近似服从对数正态分布，即以分贝数表示的信号电平为正态分布。

研究慢衰落规律的方法，通常是把同一类地形、地物中的某一段距离（1～2km）作为样本区间，每隔20m（小区间）左右观察信号电平的中值变动，以统计分析信号在各小区间的累积分布和标准偏差。

2.电磁波信号的多径时延

移动台所收到的是多径信号，它是同一信号经过不同路径而到达接收天线的，因而它到达的时间先后和强度会有所不同（电磁波走的路程长短不同，所以到达时间有先后，遭到的衰减也不同）。当发射台发送一个脉冲信号时，收到的可以是多个脉冲的综合结果，不同路径传来的脉冲到达接收天线时，相对于路径最短的那个脉冲（往往也是最强的）有着不同的时间差，这个差值称为多径时延，或叫差分时延。多个不同的时延构成了多径时延的扩展Δ。

时延扩展Δ的数值在陆地环境下约为数微秒，随环境地形、地物的状况而不同，一般它与频率无关，它对数字移动通信有着极其重要的影响。