快衰落&慢衰落平坦衰落&频率选择性衰落(相干时间&相干带宽)

快衰落&慢衰落/平坦衰落&频率选择性衰落
（相干时间/相干带宽）
概述
快衰落示意图
快衰落主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term -fading）。

移动通信中信号随接受机与发射机之间的距离不断变化即产生了衰落。

其中，信号强度曲线的中直呈现慢速变化，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。

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做快衰落。

1多径效应
快衰落现象
（1）时延扩展：多径效应（同一信号的不同分量到达的时间不同）引起的接受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）需要用分集接受，均衡算法来接受。

（2）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。

2多普勒效应
衰落成因分类图
时间选择性衰落
是指快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散。

在不同的时间衰落特性不一样。

由于用户的高速移动在频域引起了多普勒频移，在相应的时域上其波形产生了时间选择性衰落。

最有效的克服方法是采用信道交织编码技术。

即将由于时间选择性衰落带来的大突发性差错信道改造成为近似性独立差错的AWGN 信道。

空间选择性衰落
是指不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样，它是由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落。

它通常由被称为平坦
瑞利衰落。

这里的平坦特性是指在时域、频域中不存在选择性衰落。

最有效的克服手段是空间分集和其他空域处理方法。

频率选择性衰落
是指不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散，在不同的频段上衰落特性不一样。

它是信道在时域的时延扩散而引起了在频域的选择性衰落。

最有效的克服方法有自适应均衡、OFDM及 CDMA系统中的RAKE接收等。

多径衰落可以影响移动接收机或固定接收机。

移动接收机以及在包含移动物体的信道中工作的接收机还必须处理影响信号幅度和相位的其它因素。

这些效应可以描述为时间变化或空间变化的函数。

如果接收机以恒定的速度移动，在不同时间上发送脉冲与在不同位置发送脉冲完全相同。

在变化的信道发送信号时，知道这些条件在多长时间内是稳定的非常重要。

根据相干时间还可以在频域中查看时间变化。

一直移动的接收机会经受频移，而这取决于接收信号的到达角度。

时间展宽会导致信号在时间上展宽；而时间（或空间）上的变化会导致信号在频率上展宽。

接收机并不是在一个频率上得到一个信号，而是在不同频率上得到信号的不同部分。

这种多普勒展宽与相干时间T0成负相关的关系。

时间展宽：平衰落
·传送一个符号的时间大于最大时延展宽（Ts > Tm）。

·信号带宽小于相干带宽（B < f0）。

·在一个符号的周期内收到所有多径分量。

时间展宽：频率选择性衰落
·传送一个符号的时间小于最大时延展宽（Ts < Tm）。

·信号带宽大于相干带宽（B > B（相干））。

·信道以不同方式改变信号的不同频谱成分，因此宽带信号的接收功率可能会在其带宽范围内随频率发生大的变化。

时间变化：快衰落
·符号周期长于相干时间（Ts > T0）。

·信号带宽小于多普勒展宽（B < fd）。

时间变化：慢衰落
·符号周期短于相干时间（Ts < fd）。

时间分布对信道的影响
发射机和接收机之间要能够成功地进行通信，在一定程度上取决于信号在其中传播的信道的衰落特性。

大范围衰落包括信号经过长距离传播的效应（几百个波长或更多波长）。

小范围衰落机制则影响着接收机附近的信号。

大范围衰落包括信号经过一段距离时信号的平均衰减（在理想的视距传播（LOS）条件下，它与距离的平方成正比），以及大型物体（如山脉或摩天大楼）导致的信号衍射。

小范围衰落是多径传播和多普勒频移两者作用的结果。

由于被发送信号在遇到信箱、树木和正在移动的车辆时导致反射、衍射和局部散射，而通过不同的路径到达接收机，所以会发生多径衰落。

因此，接收机在不同的到达时间获得信号的多个拷贝。

这些拷贝以不同的相位和功率电平进行接收，导致信号互相干扰而发生功率波动。

多普勒频移衰落是移动的结果。

如果接收机相对于发射机正在移动，那么进入接收机的信号频率会发生变化，具体取决于接收机相对于发射机移动的方向和速度。

沿着接收机正前方的路径到达的信号拷贝，其检测到的频率将高于发送的信号，而沿着移动接收机后方的路径到达的信号拷贝，其检测到的频率将较低。

因此，多径反射和多普勒频移会改变（衰落）发送的信号，使得接收机很难精确地理解该信号。

根据信道环境（市区或农村）、信号波长和发射机/接收机
快衰落的影响
大范围衰落主要会导致整体信号的电平衰落。

路径衰减极其依赖于距离。

它对设备的影响是，由于降低了接收的信号功率，从而降低了信噪比（SNR）。

阴影效应和大范围反射表现为在这种平均路径衰减上的偏差。

多径和多普勒效应导致的小范围衰落可能对通信的破坏力最强。

频率选择性衰落会导致码间干扰（ISI），使得精确地理解收到的符号变得更加困难。

平衰落会使SNR恶化，因为反射会导致矢量成分互相抵消。

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。

慢衰落也会降低SNR。

SNR的降低要求无线设备的设计人员在确定链路要求时要增加“衰落余量“；信号功率必须足够强，或者接收机的灵敏度要足够高，以便在衰落情形下能够正常工作。

那么，如何降低快衰落的影响呢？
只有在没有信道损伤时，才能实现理想的无线链路性能。

但是加性白色高斯噪声（AWGN）的存在则会使得无线信道不可能完全没有干扰。

不过，在设计无线设备时可以采用许多技术，来降低衰落的影响。

这些技术降低了最坏情况下的衰落曲线的误码概率，使其更接近最好情况下的AWGN曲线。

不同形式的衰落对误码率有不同的影响。

频率选择性衰落和快衰落会明显影响误码率，而平衰落和慢衰落对误码率的影响较小。

在设计可以容忍衰落对信号恶化的无线链路时，确定信道中的衰落类型非常重要。

然后，可以选择信息速率，减少能够避免的误码。

由于符号频率与符号周期呈倒数的关系，因此改变信号速率以补偿频率选择性衰落也会改变其在衰落速度方面的性能。

为避免频率选择性衰落，传输速率应低于信道的相干带宽。

换句话说，频率选择性衰落确定了信号带宽的上限，快衰落则确定了信号带宽的下限。

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。

CDMA技术使用Rake接收机减轻ISI的影响。

Rake接收机使用专用滤波器，检测展宽信号里的成分，将这些成分收集起来，并将它们相干地叠加起来（对早到路径采用比晚到路径更多的延时）。

还可以使用交织技术和编码技术，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。

通信相干时间，相干带宽
相干带宽
定义相干带宽一般是用来划分平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的量化参数。

如果信道的最大多径时延扩展为Tm，那么信道的相干带宽Bc=1/Tm；若发射信号的射频带宽B<Bc，那么认为接收信号经历的是平坦衰落，此时接收信号的包络起伏变化，但是一般不存在码间串扰，其信号模型为
r(t)=h(t)s(t)+n(t)，其中h(t)一般为瑞利分布的随机变量；若发射信号的射频带宽B>Bc，那么认为接收信号经历的是频率选择性衰落，此时除了接收信号的包络起伏变化，一般还存在码间串扰，其信号模型为
r(t)=h(t-tao0)s(t-tao0)+h(t-tao1)s(t-tao1)+...+n(t)，其中tao0、tao1、...等为可分辨多径的时延，每个h(t-tao)一般为瑞利分布的随机变量。

相干时间
定义相干时间一般是用来划分时间非选择性衰落信道和时间选择性衰落信道，或叫慢衰落信道和快衰落信道的量化参数。

如果信道的最大多普勒频移为fm，那么信道的相干时间Tc=0.423/fm。

若发射信号的符号周期T<Tc，那么认为接收信号经历的是慢衰落，即h(t)在若干个符号间隔内保持不变；若发射信号的符号周期T>Tc，那么认为接收信号经历的是快衰落，即h(t)的变化速度快与符号速率，此时如果对信道进行比较精确的估计或是均衡都是十分困难的。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 信道扩展主要可以分为三方面：多径（时延）扩展；多谱勒扩展；角度扩展．
相干带宽：
相干带宽是描述时延扩展的：相干带宽是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。

通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。

从频域看，如果相干带宽小于发送信道的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值可以增强，而另外一些频率成分信号的幅值会被削弱。

定义相干带宽一般是用来划分平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的量化参数。

如果信道的最大多径时延扩展为Tm，那么信道的相干带宽Bc=1/Tm；
相干时间：
相干时间是描述多谱勒扩展的：相干时间在时域描述信道的频率色散的时变特性。

相干时间与多普勒扩展成反比，是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。

如果基带信号的符号周期大于信道的相干时间，则在基带信号的传输过程中信道可能会发生改变，导致接收信号发生失真，产生时间选择性衰落，也称快衰落；如果基带信号的符号周期小于信道的相干时间，则在基带信号的传输过程中信道不会发生改变，也不会产生时间选择性衰落，也称慢衰落。

定义相干时
间一般是用来划分时间非选择性衰落信道和时间选择性衰落信道，或叫慢衰落信道和快衰落信道的量化参数。

如果信道的最大多普勒频移为fm，那么信道的相干时间Tc=0.423/fm。

对于两个平稳信号S1（t）和S2（t），它们的相关系数的绝对值大于0小于1时，两个信号相关。

相关系数等于1时，两个信号相干。

当两个信号相干时，它们之间只相差一个复常数。

复常数既一有幅度成分，又有频率成分。

由此我们可见，若是两个信号相干，它们其中一个可以看作是另一个的幅度的衰减，频率上衰落造成的，其实二者可以看作同一个信号。

相关系数越是接近1，相关性越大。

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当两个信号相干时，它们之间只相差一个复常数。

复常数既一有幅度成分，又有频率成分。

由此我们可见，若是两个信号相干，它们其中一个可以看作是另一个的幅度的衰减，频率上衰落造成的，其实二者可以看作同一个信号。

相关系数越是接近1，相关性越
大。

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若这几路信号的时间间隔在相干时间之内，那么他们具有很强的相关性，接收机都可以认为是有用信号，若大于相干时间，则接收机无法识别，只能认为是干扰信号。

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相干时间和相干带宽都是描述信道特性的参数，当两个发射信号的频率间隔小于信道的相干带宽，那么这两个经过信道后的，受到的信道传输函数是相似的，由于通常的发射信号不是单一频率的，即一路信号也是占有一定带宽的，如果，这路信号的带宽小于相干带宽，那么它整个信号受到信道的传输函数是相似的，即信道对信号而言是平坦特性的，非频率选择性衰落的。

同样在相干时间内，两路信号受到的传输函数也是相似的特性，通常发射的一路信号由于多径效应，有多路到达接收机，若这几路信号的时间间隔在相干时间之内，那么他们具有很强的相关性，接收机都可以认为是有用信号，若大于相干时间，则接收机无法识别，只能认为是干扰信号。

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