衰落[電磁波接收信號強弱變化的現象]

電磁波在傳播過程中，由於傳播媒介及傳播途徑隨時間的變化而引起的接收信號強弱變化的現象叫作衰落。譬如在收話時，聲音一會兒強，一會兒弱，這就是衰落現象。

簡介

衰落是由於隨機的多徑射線相干涉所引起的接收點場強發生隨機強起伏的現象。多徑傳播，是指由於傳播環境不均勻，從同一天線發射的電磁波循不同的選徑達到同一十接收點的情形。這些不同的途徑使電磁場的相移不同。當環境隨機變動時，多徑的相移也隨機起伏，因而各路徑的電場疊加結果隨時間作隨機強起伏。

短波經電離層反射時，由於電子濃度分布不均勻，到達接收點的射線可能不止一條尋常射線和一條異常射線，因而成為隨機多徑傳播。微波在對流層中傳播時，在不平的地面上可能有多個反射點。在特殊氣象條件下，大氣的折射指教可能發生較強的隨機起伏，因而引起衰落。在移動通信方面，由於街道縱橫，建築聳立或山區峰巒起伏，電磁波可能受到多重反射和散射，因而在通信範圍內電場強度隨地區而起伏。如用戶在通信時不隨時移動，多徑傳播只能使信號強弱隨地區而異，如用戶隨時移動，則信號也能發生衰落。

衰落的探度常常能達到幾十分貝，不能用自動增益控制的方法來彌補。但在十個波長左右的距離上，場強起伏的規律可能有明顯的差別。所以抗衰落的有效方法是分集通信，即在短波接收台或移動通信用戶台，用二或三副天線分別進行通信，而對信號進行適當的處理。

衰落一般都對頻率有選擇性，不同頻率的起伏是不同的，所以衰落不僅使信號幅度不穩，而且引起頻率畸變，因此衰落是限制信號頻寬的因素之一。

定義

所有的無線設備有一點是共同的，即沒有有線連線。通過空氣傳送的信號會由於氣候、環境、距離等各種因素的影響而失真，會因自然的和人為的障礙而中斷，也會因發射機和接收機的相對移動而進一步變化。這個變化的過程稱為衰落。衰落在現實環境中是不可避免的。而衰落根據其產生原因和特徵，也包括很多種類。

各類衰落

平坦性衰落和頻率選擇性衰落

傳送的信號頻寬在一定範圍內時，無論頻率如何變化，對接收信號衰落影響都是一致的，稱之為平坦衰落。所謂一致，就是在這個頻寬範圍內，無論傳送頻率變成多少，由於多徑傳播造成的接收信號疊加不是增強信號就是削弱信號，方向總是一樣。

當信號頻寬小於相干頻寬時，所產生的衰落就是平坦衰落。與之相反，當信號頻寬大於相干頻寬時，所發生的衰落就是頻率選擇性衰落，此時的信號衰落隨載波頻率f變化而變化，頻率不同則衰落的強弱不同。當為了提高傳輸速率而加大信號頻寬時，頻率選擇性衰落的影響就會增強。為了對抗頻率選擇性衰落，人們採用了正交頻分復用（OFDM）技術，該技術將寬頻信號分成很多子帶，頻域上分成很多子載波傳送出去，每個子帶的信號頻寬由於小於相干頻寬，從而減少甚至避免了頻率選擇性衰落。

快衰落和慢衰落

衰落通常分為慢衰落和快衰落兩種。其中，信號強度曲線的中值呈現慢速變化，稱為慢衰落；曲線的瞬時值呈快速變化，稱快衰落。可見快衰落與慢衰落並不是兩個獨立的衰落（雖然它們的產生原因不同），快衰落反映的是瞬時值，慢衰落反映的是瞬時值加權平均後的中值。慢衰落和快衰落的信號強度隨時間變化如圖1所示。

圖1 衰落信號強度隨時間變化示意圖

慢衰落：它是由於在電波傳輸路徑上受到建築物或山丘等的阻擋所產生的陰影效應而產生的損耗。它反映了中等範圍內數百波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，一般遵從對數常態分配。

慢衰落產生的原因有以下幾種：

l路徑損耗，這是慢衰落的主要原因。

l障礙物阻擋電磁波產生的陰影區。這種慢衰落也被稱為陰影衰落。

l天氣變化、障礙物和移動台的相對速度、電磁波的工作頻率等有關。

快衰落（又稱瑞利衰落）：它是由於移動台附近的散射體（地形，地物和移動體等）引起的多徑傳播信號在接收點相疊加，造成接收信號快速起伏的現象叫快衰落。

快衰落細分為：

時間選擇性衰落（快速移動在頻域上產生都卜勒效應而引起頻率擴散）

空間選擇性衰落（不同的地點、不同的傳輸路徑衰落特性不一樣）

頻率選擇性衰落（不同的頻率衰落特性不一樣，引起時延擴散）

快衰落產生的原因如下：

l多徑效應

時延擴展：多徑效應（同一信號的不同分量到達的時間不同）引起的接收信號脈衝寬度擴展的現象稱為時延擴展。時延擴展（多徑信號最快和最慢的時間差）小於碼元周期可以避免碼間串擾，超過一個碼元周期（WCDMA中一個碼片）需要用分集接收，均衡算法來接收。

相關頻寬：相關頻寬內各頻率分量的衰落時一致的也叫相關的，不會失真。載波寬度大於相關頻寬就會引起頻率選擇性衰了使接收信號失真。

l都卜勒效應

F（頻移）=V（相對速度）/（C（光速）/f（電磁波頻率））*cosa（入射電磁波與移動方向夾角）。都卜勒效應會引起時間選擇性衰落。由於相對速度的變化引起頻移也隨之變化，這時即使沒有多徑信號，接收到的同一路信號的載頻範圍隨時間不斷變化，從而引起時間選擇性衰落。交織編碼可以克服時間選擇性衰落。

快衰落和慢衰落都會對通信造成一定影響，典型的影響有：

慢衰落會降低SNR。慢衰落主要會導致整體信號的電平衰落，降低了接收的信號功率，從而降低了信噪比（SNR）。

快衰落會使傳送的基帶數據脈衝失真，可能會導致鎖相環同步問題。多徑和都卜勒效應導致的快衰落可能對通信的破壞力最強。

陰影衰落

無線電波在遇到面積比電磁波波長大得多的障礙物時，會發生反射，從而在障礙物另一側形成一片無線電波無法直接傳播到的“陰影”區域，稱為陰影效應，如圖2所示。

圖2 陰影效應

當終端移動到陰影區域中時，無線信號需要通過其它路徑傳播，造成了陰影區接收信號強度的下降。這種由陰影效應造成的衰落就是陰影衰落。

陰影衰落是一種慢衰落。慢衰落相對於多徑衰落那種信號幅度快速變化的快衰落而言，變化速度十分緩慢，一般以秒計數。通常可以通過調整設備參量來彌補，如調整發射功率，或者調整調製編碼格式。例如，對於陰影衰落對小區覆蓋範圍的影響，一般通過預留陰影餘量來解決，即額外增加一定的功率（陰影餘量）用以對抗陰影衰落。

陰影衰落是由於終端移動到陰影區域產生，所以其衰落的速率與工作頻率無關，而是取決於終端移動到陰影區域的速度。當終端移動陰影區域，信號變弱，當終端離開陰影區域，信號變強。由於終端移動速度相對電磁波速度要慢很多，所以陰影衰落是一種慢衰落。

多徑衰落

在無線通信中，無線電波在基站和移動終端之間的傳播過程，由於受大氣層以及各種大小不一、形狀各異的障礙物影響，存在直射、繞射、反射、散射等多種傳播情況。這多變的情況，造成了基站和移動終端存在多條傳播路徑，如圖3所示。

圖3 信號傳播路徑

因此，同一個信號從發射端通過多條路逕到達接收端。在接收端接收到這個信號時，接收信號的時間、幅度、相位都會發生變化。無線電波在傳播過程中存在損耗，在接收端為了還原出發射信號，會對接收到的信號進行矢量疊加。不同相位的接收信號在進行疊加時，同相位的信號強度會加強，反相位的信號強度會因抵消而減弱，即產生了衰落。這種多條路徑傳播的信號，疊加後而引起的衰落就稱為多徑衰落。

無線電波傳播的損耗主要由路徑損耗、慢衰落損耗（陰影衰落）和快衰落損耗（多徑衰落）所構成。多徑衰落是一種快衰落，它能造成接收信號快速起伏的現象，從而導致在接收端解調性能下降甚至無法解調，如圖4所示。

圖4 信號強度隨時間損耗示意圖

多徑衰落和符號間干擾（ISI）都是由多徑效應引起的。為了對抗多徑衰落所帶來的影響，人們通常採用的手段有交織技術、RAKE接收機、天線空間分集等。

對抗方法

目前，可以使用以下技術來對抗慢衰落：

空時分組碼（Space-TimeBlockCode，STBC）是近年來發展起來的一種新的編碼方法。STBC的一個顯著的特點是各天線發射的信號之間正交，這不僅能夠保證在平坦的慢衰落信道下獲得最大的分集增益，而且還可以降低解碼複雜度。

分集技術是指系統同時接收衰落互不相關的兩個或更多個輸入信號後，系統分別解調這些信號然後將他們相加，這樣系統可以接收到更多有用信號，克服衰落。減弱慢衰落採用空間分集，即用幾個獨立天線或在不同場地分別發射和接收信號，以保證各信號之間的衰落獨立。

可以使用以下技術來對抗快衰落：

均衡是一種常用技術，它用來消除頻率選擇性衰落導致的ISI。這個過程是調用一個脈衝回響與傳播信道相反的濾波器。因此，傳輸通道與接收濾波器相結合，產生平坦的線性回響。例如，GSM採用自適應均衡技術，來緩和失真。

交織技術和編碼技術，可以降低準確檢測信號所要求的Eb/No（能噪比）。編碼技術通過在正交碼道上傳送多個信號拷貝，提供了冗餘性。交織技術通過把誤碼分布到不同的時間，在鏈路中增加了穩定性，從而避免了大量連續數據丟失現象的發生，而這種現象可能會切斷無線鏈路。

某些傳輸技術具備的信號特性，可以避免衰落最常見的影響。例如，超寬頻傳輸技術，它傳送的脈衝周期如此之短，以致其不會受到信道時延展寬的影響。正交頻分復用技術通過把載波信號劃分成信息速率較低的子載波，來避免頻率選擇性衰落。