2.6 电磁波传播特性

电磁波也叫无线电波，无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场方向和磁场方向在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速（c=3×108m/s）。在介质中的传播速度为：，式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于1。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速。移动通信系统基站和终端用户之间就是通过无线电波传播进行通信，无线电波的传播方式主要有反射、绕射、散射3种，无线电波传播有快衰落、慢衰落、多径衰落和多普勒频移等特性。

2.6.1 慢衰落和快衰落

无线电波传播情况如图2-22中的曲线所示，无线电波信号场强中值随距离增加而减弱，信号电平传输受到快衰落和慢衰落的影响。由于障碍物阻挡造成阴影效应，使得接收信号强度下降，但该场强中值随地理改变变化缓慢，故称慢衰落，又称为阴影衰落。慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置/地点相关，衰落的速度取决于移动台的速度。标准偏差对不同地形地物是不一样的，通常为6～8dB。快衰落是叠加在慢衰落信号上的，这个衰落的速度很快，每秒可达几十次。除与地形地物有关，还与移动台的速度和信号的波长有关，并且幅度很大，可达几十分贝，信号的变化呈瑞利分布。快衰落往往会降低话音质量，所以要预留快衰落的储备。

2.6.2 自由空间传播损耗

自由空间传播指在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反射、折射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。卫星通信和微波视距通信的传输环境是典型的自由空间传播。自由空间传播是电波传播研究中最基本最简单的一种。应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，传输损耗Ls的表达式为：

Ls=32.45+20lgf+20lgd

自由空间基本传输损耗Ls仅与频率f和距离d有关。当f和d扩大一倍时，Ls均增加6dB。

2.6.3 多径传播

陆地移动无线信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物、树木以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射及绕射等，无线信道是充满了反射、绕射、散射波的传播环境。

在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不只来自单一路径，而是许多路径传来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的传播距离不同，因而各个路径的反射波到达的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反向叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。

移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面来描述和测试。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而起伏的下降曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。

从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这样，如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，还包含它的各个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来测量。

一般来说，模拟移动系统中主要考虑多径效应所引起的接收信号的幅度变化。而数字移动系统中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。这是因为时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。

2.6.4 多普勒频移

当移动台在运动中通信时，接收信号频率发生变化的现象称为多普勒效应，多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示：

式中，α是入射电波与移动台运动方向的夹角；v是移动台运动速度，单位为m/s; λ是波长，单位为m。fd=v/λ称为最大多普勒频移fm。

多普勒效应的结果是，通过移动无线信道后的单频信号的频谱扩展为f±fd，相当于单频信号通过移动多径无线信道后成为随机调频信号（即相位发生随机变化）。