电波衰落
微波在空间传输中将受到大气效应和地面效应的影响,导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化,我们把这种现象称为衰落。
衰落的大小与气候条件,站距的长短有关。衰落的时间长短不一,程度不一。有的衰落持续时间很短,只有几秒钟,称之为快衰落;有的衰落持续时间很长,几分钟甚至几小时则称之为慢衰落。衰落的出现将使得信号发生畸变。接收电平低于自由空间传播电平的称之为下衰落。而接收电平高于自由空间的传播的电平时,则称为上衰落。显然慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。
从衰落的物理因素来看,可以分成以下几种类型:
吸收衰落:就是大气中的氧分子和水分子能从电磁波吸收能量,这就导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗。
雨雾引起的散射衰落:这是由于雨雾中的大小水滴能够散射电磁波的能量,因而造成电磁波的能量损失而产生衰落。
K型衰落:这是由于多径传输产生的干涉型衰落,它是由直射波和反射波在到达接收端时,由于行程差,使它们的相位不一样,在叠加时产生的电波衰落。由于这种衰落与行程差Δr有关,而Δr是随大气的折射参数K值的变化而变化的,故称为K型衰落。这种衰落在水面,湖泊,平滑的地面时显得特别严重。除了地面的反射以外,大气中有时出现的突变层也能对电磁波产生反射和散射,也可以造成电波的多径传输,在接收点产生干涉型衰落。
波导型衰落:由于气象的影响,大气层中会形成不均匀的结构,当电磁波通过这些不均匀层时将产生超折射现象,称为大气波导传播。若微波射线通过大气波导,而收,发两点在波导层外,如下图所示。则接收点的电场强度除了有直线波和地面反射波以外,还有“波导层”以外的反射波,形成严重的干扰型衰落,造成通信的中断。
闪烁衰落:对流层中的大气常发生的体积大小不等,无规则的漩涡运动,这些称为大气湍流。大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数ε与周围的不同。当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时,将使电波向周围辐射,形成对流层散射。此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波,它们的振幅和相位是随机的,这就使接收点的场强的振幅发生变化,形成快衰落。由于这种衰落是由于多径产生的,因此称之为闪烁衰落。这种衰落持续时间短,电平变化小,一般不会造成通信的中断。
电波传播有严重的衰落现象,移动台因而受到城市高大建筑物的阻挡、反射、电离层的散射的影响,移动台收到的信号往往不是直接波,而是从各种途径来的散射波(称为多径效应),这种合成信号的幅度与相位都是随机的,其幅度是瑞利(Ravleigh)分布而相位在 [0-2π] 域内均匀分布,因此出现严重的衰落现象。
当移动台处于高速运动状态时,加快了衰落现象。据分析移动通信的衰落可达30dB左右。这就要求移动
台具有良好的抗衰落能力。
信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻,对于无线电波而言,它从发送端传送到接收端,其间并没有一个有形的连接,它的传播路径也有可能不只一条,但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作,我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接,把这条衔接通路称为信道。信道具有一定的频率带宽,正如公路有一定的宽度一样。
无线信道中电波的传播不是单一路径,而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同,因而各个路径来的反射波到达时间不同,也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时,移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成,我们称为时延扩展。同时由于各个路径来的反射波到达时间不同,相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加,有时迭加而加强(方向相同),有时迭加而减弱(方向相反)。这样,接收信号的幅度将急剧变化,即产生了快衰落。这种衰落是由多种路径引起的,所以称为多径衰落。
此外,接收信号除瞬时值出现快衰落之外,场强中值(平均值)也会出现缓慢变化。主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的,以致电波的折射传播随时间变化而变化,多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化,称为慢衰落。
而且,由于移动通信中移动台的移动性,如前所说那样,无线信道中还会有多普勒效应。在移动通信中,当移动台移向基站时,频率变高,远离基站时,频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然,由于日常生活中,我们移动速度的局限,不可能会带来十分大的频率偏移,但是这不可否认地会给移动通信带来影响,为了避免这种影响造成我们通信中的问题,我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。
综上所述,无线信道包括了电波的多径传播,时延扩展,衰落特性以及多普勒效应,在移动通信中,我们要充分考虑这些特性以及解决的方案。
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