北邮电磁场及电磁波实验报告

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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 25 127 2015 年 5 月 10 日 目目录录 一、实验目的一、实验目的1 二、实验原理二、实验原理1 1、电磁波的传播方式1 2、尺度路径损耗 .1 3、 阴影衰落2 4、建筑物的穿透损耗的定义.3 三、实验内容三、实验内容3 四、实验步骤四、实验步骤4 1、实验对象的选择4 2、数据采集5 3、数据录入5 4、数据处理6 五、实验五、实验结结果果与与分析分析7 1、各道路处理结果.7 2、场强情况汇总

2、及分析16 六、误差分六、误差分析析19 七、分工安排七、分工安排20 八、心得体会八、心得体会20 九、附表一：原始测量数据九、附表一：原始测量数据.21 一、实验目的一、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、实验原理二、实验原理 1、电磁波的传播方式、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

3、， 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

4、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： （式 1） 010 log/0PL ddBPL dnd d 即平均接收功率为： Pr010 log/0Pr010 log/0ddBmPt dBmPL dnd dddBmnd d （式 2） 其中，

5、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

6、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 2) 布灵顿模型 3) EgLi 模型 4) Hata-Okumura 模型 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

7、意的 d 值，特定位置的接受功率为随机对数正态分布即： （式 3） PrPrsPr( 0)10 log(/0)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： （式 4） 2 2 2 1() ( )exp() 2 2 x f 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 表示的接x 收功率的均值或中值，表示接收功率的标准差，单位是 dB。

8、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50150300 1503.55.54791113 45067.5111518 9006.58141821 表 1. 阴影衰落分布的标准差（dB） s

9、 4、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： （式 5） ()() 11 11 NM outsideinside ij ij PPP NM 是穿透损耗，单位是 dB；P 是在室

10、内所测的每一点的功率，单位是，共个点； j PdB vM 是在室外所测的每一点的功率，单位是，共个点。 i PdB vN 三、实验内容三、实验内容 利用 DS1131 场强仪，实地测量信号场强。 1) 研究具体现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 在频点的选择方面，我们决定采用音乐台广播 90.0MHz，此时的波长约为 3.33m，每隔半 个波长记录一个数据，也即大约 1.5m（2 步左右）读取一个数据。 由于对阴影衰落现象比较

11、感兴趣，我们选择了室外作为实验场所。我们的记录路线如下图 示。我们从教四的东南角出发，沿教四南侧道路自东向西测量，而后到达 ATM 机处，再沿西 门东侧道路继续测量，然后再沿着教三南侧道路自西向东测量，最后沿着主干道自南向北测量 并回到出发点。 校医院 教三楼 主 草坪 草坪 主席像 校训石 西门 干 草坪 草坪 起点 道 教四楼 测量地点及测量路径 2、数据采集、数据采集 利用场强仪 DS1131 测量无线信号的强度（单位：dBmw），以半个波长为测量周期进行 测量， 原始数据测量情况见附表 1。 3、数据录入、数据录入 因为后期对数据的处理会用到 matlab，会有对数据的调用，因此我们将

12、数据重新录入到 excel 表格中，并根据四条道路分别建立了相应的表格，部分情况如下。一共测量有 533 个数 据。 4、数据处理、数据处理流程流程 采集到的数据有 535 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 据处理的流程图。具体的 Matlab 代码和拟合方法在后文进行了详细叙述。 五、实验结果与分析五、实验结果与分析 1、各道路处理结果、各道路处理结果 我们用 matlab 对大量的数据进行编程处理。具体代码及处理情况如下： matlab 源代码： clear all; close all; %-读取文件-% jiaosi=xlsread(F:datadata1.

13、xls); ximen=xlsread(F:datadata2.xls); jiaosan=xlsread(F:datadata3.xls); zhudao=xlsread(F:datadata4.xls); %-转换成矩阵-% jiaosi2=reshape(jiaosi,1,135); ximen2=reshape(ximen,1,156); jiaosan2=reshape(jiaosan,1,116); zhudao2=reshape(zhudao,1,126); %-为画平面场强图作准备-% jiaosi3=jiaosi2,zeros(1,135),1:135; 数据采集数据整理和录

14、入数据导入到 Matlab 场强分布统计分析，拟 合，作图 实验结论和报 告整理 jiaosi3=reshape(jiaosi3,135,3); ximen3=ximen2,zeros(1,156),1:156; ximen3=reshape(ximen3,156,3); jiaosan3=jiaosan2,zeros(1,116),1:116; jiaosan3=reshape(jiaosan3,116,3); zhudao3=zhudao2,zeros(1,126),1:126; zhudao3=reshape(zhudao3,126,3); %-教四南侧道路-% figure(11) s

15、ubplot(1,2,1); histfit(jiaosi2);%画柱状图 axis(-75,-40,0,30); grid on; str=教四南侧道路; 信号电平概率分布; title(str); xlabel(电平值(dBmw); ylabel(样本数量(个); legend(实际样本分布,理想概率分布线); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(jiaosi2)%画累积概率分布图 axis(-75,-40,0,1); hold on; jiaosimean=num2str(s1.mean); jiaosistd=num2str(s1.std); text(-58,0.23,最小值= ,num2str(s1.min); text(-58,0.18,最大值= ,num2str(s1.max); text(-58,0.13,均值= ,num2str(s1.mean); text(-58,0.08,中值= ,num2str(s1.median); text(-