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1、信息与通信工程学院信息与通信工程学院电磁场与电磁波实验报告电磁场与电磁波实验报告题目：题目：校园无线信号场强特性的研究校园无线信号场强特性的研究姓名姓名班级班级学号学号序号序号xx20092111190921056x23xx20092111190921056x24一、一、实验目的实验目的1.掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法； 2.研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律； 3.掌握在室内环境下场强的正确测量方法，理解建筑物穿透损耗的概念； 4.通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系； 5.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。二、二、实验原理实验原理1.电磁波的传播方
2、式电磁波的传播方式 无线通信系统是由发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。对于接 受者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接受信号，此时，电波场强大 于等于接收机的灵敏度。因此基站的覆盖区的大小，是无线工程师所关心的。决定覆盖区 的大小的主要因素有：发射功率，馈线及接头损耗，天线增益，天线架设高度，路径损耗， 衰落， 接收机高度，人体效应，接收机灵敏度，建筑物的穿透损耗，同播，同频干扰等。 电磁场在空间中的传输方式主要有反射绕射散射三种模式。当电磁波传播遇到比波长 大很多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。 当电波传播空间中存在物
3、理尺寸小于电波波长的物体且这些物体的分布较密集时，产生 散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体树叶街道标志灯柱。 2.尺度路径损耗尺度路径损耗 在移动通信系统中， 路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接受功率之 间的（ dB） 差值， 根据理论和测试的传播模型， 无论室内或室外信道， 平均接受信 号功率随距离对数衰减， 这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离， 大尺度平均路 径损耗表示为： 010 log/0PL ddBPL dnd d即平均接收功率为： Pr010 log/0Pr010
4、log/0ddBmPt dBmPL dnd dddBmnd d其中，定义 n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度，d0 为近地参考距离， d 为发射机与接收机之间的距离。公式中的横杠表示给定值 d 的所有可能路径损耗的综合 平均。坐标为对数对数时，平均路径损耗或平均接收功率可以表示为斜率 10ndB /10 倍 程的直线。n 依赖于特定的传播环境，例如在自由空间，n 为 2；当有阻挡物时，n 比 2 大。决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它与接受点的电波传播条件密切相关。为此， 我们引进路径损耗中值的概念，中值是使实验数据中一半大于它而另一半小于它的一个数 值（对于正态分布中值
5、就是均值） 。 人们根据不同放入地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型。下边介绍几种常用 的描述大尺度衰落的模型。常用的电波传播模型： 1) 自由空间模型自由空间模型自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。我们所说的自由空间一是指真 空，二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体，电波是以直射线 的方式到达移动台的。自由空间模型计算路径损耗的公式是：其中 Lp 是以 dB 为单位的路径损耗，d 是以公里为单位的移动台与基站之间的距离，f 是 以 MHz 为单位的移动工作频点或工作频段的频率。 空气的特性可近似为真空，因此当发射天线与移动台距离地面都较高时，可以近似使用
6、自 由空间模型来估计路径损耗。2) 布灵顿模型布灵顿模型布灵顿模型假设发射天线和移动台之间的地面是理想平面大地，并且两者之间的距离 d 远大于发射天线的高度 ht，或移动台的高度 hr，此时的路径损耗计算公式为：其中距离 d 的单位是公里，天线高度 ht 及 hr 的单位是米，路径损耗 Lp 的单位是 dB。3) EgLi 模型模型前述的自由空间模型及布灵顿模型都是基于理论分析得出的计算公式。EgLi 公式则是 从大量实测结果中归纳出来的中值预测公式，属于经验模型，其计算式为：其中路径损耗 Lp 的单位是 dB，距离 d 的单位是公里，天线高度 ht 及 hr 的单位是米，工 作频率 f 的单
7、位是 MHz，地形修正因子 G 的单位是 dB。G 反应了地形因素对路径损耗的 影响。EgLi 模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度 h 有关，地形起伏越大，则路径 损耗也越大。当 h 用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：若将移动台的经典高度值 hr=1.5m 代入 EgLi 模型则有：4) Hata-Okumura 模型模型Hata-Okumura 模型也是根据实测数据建立的模型。当移动台的高度为典型值 hr=1.5m 时，按 Hata-Okumura 模型计算路径损耗的公式为： 市区内的 Hata 模型为：简化后为：5) CCIR 模型模型CCIR 给出了反映自由空间路径损耗和地
8、形引入的路径损耗联合效果的经验公式。具 体公式请参见模型计算部分。3.阴影衰落阴影衰落 在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物体对电波的遮挡。在测量 过程中，不同位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率也不同，这样就会观察到衰 落现象。由于这种原因造成的衰落也叫“阴影效应”或“阴影衰落” 。在阴影衰落的情况下， 移动台被建筑物所遮挡，它收到的信号是各种绕射反射，散射波的合成。所以，在距基站 距离相同的地方，由于阴影效应的不同，它们收到的信号功率有可能相差很大，理论和测 试表明，对任意的 d 值，特定位置的接受功率为随机对数正态分布即： PrPrsPr( 0)10 log(/0)
9、ddBmddBmXddBmnd dX其中，X为 0 均值的高斯分布随机变量，单位 dB；标准偏差，单位 dB。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同 T-R 距离时，不同的随机阴影效应。这样利 用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。正态分布，也叫高斯分布，概率密度函数为：2221()( )exp()22xf x 应用于阴影衰落时，上式中的表示某一次测量得到的接收功率，表示以 dB 表示x 的接收功率的均值或中值，表示接收功率的标准差，单位是 dB。阴影衰落的标准差同地形， 建筑物类型，建筑物密度等有关，在市区的 150MHz 频段其典型值是 5dB。 除了阴影效应外，大气变化也会导致阴影衰
10、落。比如一天中的白天，夜晚，一年中的春夏 秋冬，天晴时，下雨时，即使在同一个地点上，也会观察到路径损耗的变化。但在测量的 无线信道中，大气变化造成的影响要比阴影效应小的多。 下面是阴影衰落分布的标准差，其中(dB)是阴影效应的标准差。s（dB）准平坦地形不规则地形 （米）频率 （MHz）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821表 2.1阴影衰落分布的标准差（dB）s4.建筑物的穿透损耗的定义建筑物的穿透损耗的定义 建筑物穿透损耗的大小对于研究室内无线信道具有重要意义。穿透损耗又称大楼效应， 一般指建筑物一楼内的中值电场强度和室
11、外附近街道上中值电场强度 dB 之差。 发射机位于室外，接收机位于室内，电波从室外进入到室内，产生建筑物的穿透损耗，由 于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室内场强一定小于室外的场强，造成传输损耗。室外至室 内建筑物的穿透损耗定义为：室外测量的信号平均场强减去同一位置室内测量的信号平均 场强。用公式表示为：()()1111NM outsideinside ij ijPPPNM是穿透损耗，单位是 dB；P是在室内所测的每一点的功率，单位是，共个点；jPdB vM是在室外所测的每一点的功率，单位是，共个点。iPdB vN三、三、实验内容实验内容利用 DS1131 场强仪，实地测量信号场强。 1)研究具体现
12、实环境下阴影衰落分布规律，以及具体的分布参数如何。 2) 研究在校园内电波传播规律与现有模型的吻合程度，测试值与模型预测值的预测误 差如何。 四、实验步骤四、实验步骤1、实验对象的选择、实验对象的选择 由于对衰落的现象比较感兴趣，我们选择了室外作为实验场所，并且和另外一组采用 相同路线不同频率的方法测量，以便进行比较。我们从教一的东侧门出发，沿东西向走到 教四的西侧，经过西门到达教三楼西侧。之后，沿东西向走到教二的东侧后沿南北向回到 出发点。最后，为了研究开阔地段的信号衰落，我们还从教一正门沿南北向途径主楼前的 广场测量到教二正门。 在选频方面，我们决定采用交通台广播 103.9MHz，此时的
13、波长约为 2.898m，我们两 组一起进行，大约 1m（也即 2 步左右）读取一个数据。2、实验路线图示、实验路线图示3、数据采集及录入、数据采集及录入 我们将测量得到的数据录入 Excel 表格，得到一个由 8 张分表构成的总表：学 10 东侧、 新食堂东侧、学 8 东侧、学 4 东侧、学 2 东侧、教 4 东侧、花园东侧、教 3 东侧。每个地 点的数据按从北到南的测量顺序占据一个 sheet 表格的一列，共 9 个 sheet，578 个数据。 如下图所示。数据表格截图4、数据处理、数据处理流程流程 采集到的数据有 555 多组，需要对数据进行细致的处理以便得到明确的结论。下图所 示为数据
14、处理的流程图。数据采集数据整理和录入Matlab 读取数据场强空间分布统计分析、作图实验结论分析和报告整理场强概率统计分析、作图5、matlab 程序代码程序代码clear all; close all;%-从word中复制数据-% tb1etow=- 1.*42.7,39.2,45.2,44.5,48.6,48.2,52.8,48.2,47.3,49.6,42.4,45.2,4 8.6,57.0,48.1,43.1,40.7,46.6,49.0,43.9,42.4,48.2,45.1,40.2,41.2,4 0.2,47.3,38.4,47.2,41.5,43.9,47.8,45.5,55.
15、8,57.8,48.5,47.1,42.6,4 3.2,48.4,42.8,48.0,45.0,46.8,45.1,63.2; tb14mr=-1.*45.3,46.1,49.2,40.6,54.4,44.8,49.4,53.5,47.8; tb4etow=- 1.*48.8,45.8,54.5,49.2,50.1,48.6,55.0,58.8,52.2,53.4,56.1,56.2,5 3.2,56.5,48.3,47.3,48.6,47.4,50.3,53.5,48.4,50.8,49.1,46.7,48.6,4 6.2,48.5,46.6,47.7,40.2,50.9,44.6,53.3
16、,46.6,45.4,45.3,44.7,42.0,4 7.5,40.6,40.8,45.9,46.7,48.6,46.0,48.9,53.1,50.7,55.9,54.1,46.6,4 7.7,51.4,48.7,48.5,57.7,44.2,48.1,55.1,45.8,52.3,46.3,50.5,50.2,5 6.7,47.7,56.8,48.7,57.4,54.0,52.8,55.3,51.7,45.7,46.8,44.6,51.8,4 8.7,49.7,46.7,48.8,44.4,49.0,56.8,45.8,50.5,45.2,42.0,42.6,45.9,4 7.0,45.6,43.9,50.6,48.0; tb4wtotb3w=- 1.*46.6,45.7,43.5,44.8,52.0,46.9,41.0,51.0,42.7,38.2,52.9,38.3
