电磁场与电磁波实验报告-校园无线信号场强特性的研究

1、 电磁场与电磁波实验报告-校园无线信号场强特性的研究电磁场与电磁波实验报告 题目：校园无线信号场强特性的研究 16班 级： 学 号： 班内序号： 学生姓名： 班 级： 学 号： 班内序号： 学生姓名： 目 录【实验目的】1【实验原理】2【实验内容】6【实验步骤】61实验对象的选择62数据采集63. 数据处理7【实验代码】7【实验结果分析】11【实验心得】15【附录】16一、 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

2、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1. 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

3、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，如小物体或其它不规则物体树叶街道标志灯柱。 2. 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： 即平均接收功率为： 其中，定义n为路径损耗指数，表明路径

4、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

5、) 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，可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。2) 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

6、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

7、EgLi模型则有：4) Hata-Okumura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：3. 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

8、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：其中，Xs 为0 均值的高斯分布随机变量，单位dB；标准偏差s ，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：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

9、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。（dB）频率（MHz）准平坦地形不规则地形 （米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821表2.1阴影衰落分布的标准差（dB）4. 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

10、 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：是穿透损耗，单位是dB；是在室内所测的每一点的功率，单位是，共个点；是在室外所测的每一点的功率，单位是，共个点。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

11、骤1实验对象的选择根据实验的要求，经过组内讨论，我们决定对教四的周边室外信号进行测量观察。在选择频率时，我们选择了调频台97.40MHZ 的频段，因为此信号强度较好，且有一定的起伏变化，因此很适合本次实验的测量工作。2 数据采集利用场强测量仪DS1131对无线信号的功率值进行测量，在97.40MHz的频率下，波长约为3.08m，我们每走一大步（约0.7m）读一次数并进行记录。在测量建筑物外的信号强度时，采用围绕该建筑物一周的测量方法。测量地点：（1）教四东南角至教四东北角（教一与教四间隔路，靠近教四一侧路边）（2）教四东北角至教四西北角（学一、二与教四间隔路，路中间测试）（3）教四西北角至教四

12、西南角（邮政储蓄与教四间隔路，路中间测试）（4）教四西南角至教四东北角（临教四路中间）天气情况：阴 气温：16C频点选择：97.40MHZ实验路线图示：3 数据处理将采集到的数据录入excel表格中，再用matlab r2012a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。数据采集数据整理和录入Matlab处理数据场强概率统计和空间分布统计分析、作图实验结论五程序代码clear all;close all;%-读取文件-%es2en=xlsread(data.xls,es2en);en2wn=xlsread(data.xls,en2wn);wn2ws=xlsread(d

13、ata.xls,wn2ws);ws2es=xlsread(data.xls,ws2es);%-转换成矩阵-%es2en2=reshape(es2en,1,90);en2wn2=reshape(en2wn,1,160);wn2ws2=reshape(wn2ws,1,80);ws2es2=reshape(ws2es,1,200);%total2=reshape(total,1,346);%-为画平面场强图作准备-%es2en3=es2en2,zeros(1,90),1:90;es2en3=reshape(es2en3,90,3);en2wn3=en2wn2,zeros(1,160),1:160;e

14、n2wn3=reshape(en2wn3,160,3);wn2ws3=wn2ws2,zeros(1,80),1:80;wn2ws3=reshape(wn2ws3,80,3);ws2es3=ws2es2,zeros(1,200),1:200;ws2es3=reshape(ws2es3,200,3);%-教四东南角至教四东北角-%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(es2en2);%画柱状图axis(40,80,0,30);grid on;str=教四东南角至教四东北角; 信号电平概率分布; title(str);xlabel(电平值(-dBmw);ylabel(样本

15、数量(个);legend(实际样本分布,理想概率分布线);subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(es2en2)%画累积概率分布图axis(40,80,0,1);hold on;es2enmean=num2str(s1.mean);es2enstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值= ,num2str(s1.min);text(56,0.18,最大值= ,num2str(s1.max);text(56,0.13,均 值= ,num2str(s1.mean);text(56,0.08,中值= ,num2str(s1.median);text(

16、56,0.03,标准差= ,num2str(s1.std);title( 对应累积概率分布);figure(12)surf(es2en3);%画衰落强度图title(教四东南角至教四东北角信号电平分布图);xlabel(东南角-东北角);axis(1,90,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%-教四东北角至教四西北角-%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(en2wn2);axis(40,80,0,20);grid on;title(教四东北角至教四西北角信号电平概率分布);xlabel(电平值(-dBmw);ylabel(样本数量

17、(个);legend(实际样本分布,理想概率分布线);subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(en2wn2)axis(40,80,0,1);hold on;en2wnmean=num2str(s1.mean);en2wnstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值= ,num2str(s1.min);text(56,0.18,最大值= ,num2str(s1.max);text(56,0.13,均 值= ,num2str(s1.mean);text(56,0.08,中值= ,num2str(s1.median);text(56,0.03,标准差

18、= ,num2str(s1.std);title( 对应累积概率分布);figure(22)surf(en2wn3);title(教四东北角至教四西北角信号电平分布图);xlabel(东北角-西北角);axis(1,160,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%-教四西北角至教四西南角-%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(wn2ws2);axis(40,80,0,30);grid on;str=教四西北角至教四西南角; 信号电平概率分布; title(str);xlabel(电平值(-dBmw);ylabel(样本数量(个);le

19、gend(实际样本分布,理想概率分布线);subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(wn2ws2)axis(40,80,0,1);hold on;wn2wsmean=num2str(s1.mean);wn2wsstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值= ,num2str(s1.min);text(56,0.18,最大值= ,num2str(s1.max);text(56,0.13,均 值= ,num2str(s1.mean);text(56,0.08,中值= ,num2str(s1.median);text(56,0.03,标准差= ,num

20、2str(s1.std);title( 对应累积概率分布);figure(32)surf(wn2ws3);title(教四西北角至教四西南角信号电平分布图);xlabel(西北角-西南角);axis(1,80,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%-教四西南角至教四东北角-%figure(41)subplot(1,2,1);histfit(ws2es2);axis(40,80,0,20);grid on;title(教四西南角至教四东北角信号电平概率分布);xlabel(电平值(-dBmw);ylabel(样本数量(个);legend(实际样本分布,理想概率分布

21、线);subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(ws2es2)axis(40,80,0,1);hold on;ws2esmean=num2str(s1.mean);ws2esstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值= ,num2str(s1.min);text(56,0.18,最大值= ,num2str(s1.max);text(56,0.13,均 值= ,num2str(s1.mean);text(56,0.08,中值= ,num2str(s1.median);text(56,0.03,标准差= ,num2str(s1.std);title

22、( 对应累积概率分布);figure(42)surf(ws2es3);title(教四西南角至教四东北角信号电平分布图);xlabel(西南角-东北角);axis(1,200,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);六实验结果分析1）教四东南角至教四东北角2）教四东北角至教四西北角3）教四西北角至教四西南角4）教四西南角至教四东北角八实验心得：通过这次实验丰富了我的实践经验，第一次接触到场强仪，它的外形很像“大哥大”，让人一上来容易误会它是一个手机那样功能的仪器，其实后来了解到它更像是一个收音机，不过它的科学测量功能还是收音机无法比拟的，功能异常强大。首先根据实验手

23、册了解了一下基本操作，可通过场强仪接收电台的信号，也让我们的实验增添了趣味性。我们选择了教四作为我们的测量地点，测量调频台信号功率，同寝室的另一组则测量的是教四附近的电视图像信号功率，希望能产生一定的对比效果，虽然最终这个目的并没有达成。这次实验是在北邮校园内测量场强，内容上是很贴近我们日常生活的，因此实验的兴趣也比较大。虽然在地点选择、路线选择上已经进行了思考与准备，但实验过程中还是遇到了一些困难，比如电平值的跳动太大，很难进行准确的读数，一些人为的干扰（小轿车的通过等），所以我们也通过实验学会了如何解决这些问题。在实验数据的整理上，由于本次实验测量的数据较多，因此无论是在测量的时候，还是在

24、数据录入excel中的时候，都是需要一定的耐心的。实验前我们了解了电磁波在空间中反射，绕射和散射的三种传输模式。在实验中又较为直观地对无线信道中的阴影衰落、路径损耗和建筑物穿透损耗的概念有了一定的认识，为数据的测量和分析打下了理论基础。数据处理让我们再次锻炼了用matlab编程处理数据的能力，复习了matlab的用法，同时还学会了一些新的用法，例如导入excel数据表等。总体来说，在实验过程中，团队的协作努力，共同探讨共同钻研，让我们感觉受益良多。附录：实验数据表教四东南角至教四东北角51.950.752.360.151.44950.860.256.263.452.249.452.856.25

25、5.662.364.162.265.659.757.463.355.351.650.953.455.156.960.555.252.951.952.355.661.952.651.854.864.763.363.958.656.855.458.454.660.159.259.558.555.953.555.467.454.549.948.951.66254.451.250.653.455.957.356.955.5605856.655.954.455.562.358.453.552.553.656.86362.459.560.158.560.365.554.952.65760.8教四东北角至教

26、四西北角67.557.448.947.550.565.755.454.456.856.756.765.556.55357.758.651.553.259.552.150.655.4565456.860.259.455.657.654.456.260.4515158.64846.450.756.249.552.165.55558.651.751.759.356.256.85754.451.250.5525355.263.252.251.156.753.460.47062.566.156.956.86659.458.760.261.766.26256.754.655.75961.85560.455

27、.654.453.6556165.259.459.756.854.253.655.454.751.850.249.849.449.549.751.752.251.954.659.357.355.454.655.85857.855.254.856.458.459.760.259.25857.757.35655.355.557.26062.359.656.356.858.462.761.559.660.462.561.96066.963.157.258.661.469.76459.257.55851.363.161.558.658.769.762.359.458.160.160.361.2教四西北角至教四西南角59.555.356.665.560.158.960.658.457.357.260.766.167.461.157.662.761.258.968.256.754.355.253.752.157.258.756.256.653.353.862.760.358.263.455.657.656.457.359.758.665.563.260.461.756.754.255.6