北邮电磁场与电磁波实验报告

1、电磁场与电磁波·实验报告信息与通信工程学院电磁场与电磁波实验报告题目：校园信号场强特性的研究姓名班级学号序号薛钦予2011210496201121049621一、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

2、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，如小物体或其它不规则物体树叶街道标志灯柱。 2、尺度路径损耗 在移动

3、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）即平均接收功率为： （式2）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

4、/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) 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

5、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： （式3）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，

6、概率密度函数为： （式4）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5015030015

7、03.55.5479111345067.51115189006.58141821表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 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）是穿透损耗，单位是dB；是在室内所测的每一

8、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。 3) 研究建筑物穿透损耗的变化规律。 四、实验步骤1、实验对象的选择我们选择了北邮足球场，因为我们想看看，空旷的地方和人流、树木、建筑物、车辆等等密集的地方对信号强弱的影响，还能得到学校中心位置的信号强度分布是什么样的。(测量路线会在报告的数据采集部分标注出)对于选频，我们选了频道五，主要是因为这个频率接近100Mh

9、z，经过查看，是90.0MHZ左右，经过计算，其波长 入=C/F，接近3m，所以我测试了下，我的步子比较大，两步正好是1.5m，那么如果注意控制脚步的话，还是很好的。因此，在刚开始的时候，我读取数据，再用表格记录，这样比较准确；读取数据和记录数据同步，因此不会有很大的误差，尽量把误差控制在随机误差的范围。2、数据采集仪器： 场强仪DS1131采用的单位： 老师讲的dBmw采集： 半个波长读取一次数据，记录一次；把每步的长度尽量的控制，不让出现很大的偏差，读数据的时候，尽量等数据基本稳定以后读取，基本都是取中间的数据，因此公差不会太大。测3、数据录入将测量得到的数据录入Excel表格。我独自完成

10、，得到一个数据将近500的表格。63.664.671.268.566.366.979.760.155.561.259.16057.660.255.864.259.161.259.264.963.960.163.662.761.360.962.357.158.163.757.657.558.163.764.662.766.66157.960.363.465.265.462.461.362.966.859.36761.162.663.463.266.762.767.264.358、159、157.265.372.363.760.563.760.365.162.565.868.964.361.561

11、.260.461.369.967.9663.6759.966.565.971.26.665.472.165.164.36256.25965.25959.258.858.161.160.165.759.457.561.556.264.960。058.25953.149.152.150.155.158.857.162.757.353.353.954.150.157.464.558.958.。958.957.963.959.357.。360.269.265.959.955.258.861.469.263.158.760.265.465.459.160.271.6右侧北师61.264.759.259.

12、66569.264.269.257.26.262.158.272.358.259.260.458.265.265.364.464.368.269.369.470.26262.869.365.465.365.366.266.367.370.265.372.363.760.563.760.365.162.565.868.964.361.561.260.461.369.967.163.6759.966.565.971.26.665.472.165.164.36256.25965.25959.258.858.161.160.165.759.457.561.556.264.260.158.267.153

13、.149.152.150.155.158.857.162.757.353.353.954.150.157.464.558.957.158.957.963.959.352.360.269.256.257.164.96058.25953.349.452.150.155.158.857.162.757.353.553.954.150.153.157.464.458.958.958.25857.164.959.257.360.269.265.259.955.258.861.569.253.359.760.265.45960.271.371.670065.369.259.264.766.262.262.

14、466.359.456.454.959.959.962.465.562.56.359.956454.959.959.962.465.965.962.563.359.363.163.259.364.263.259.562.960.153.354.258.253.261.254.355.455.461.26028.328.229.259.260.253.554.258.253.261.25455.455.461.260.658.258.859.260.265.362.860.968.353.261.254.355.461.26058.258.859.260.260.265.362.860.967.

15、668.168.26864.964.26.258.767.265.360.270.263.362.16167.36767.668.1696469.369.266.361.359.363.163.565.257.855.8、55.855.357.353.851.851.152.959.261.865.855.255.858.261.362.360.35656.358.258.457.261.25656.358.358.457.361.254.259.24、数据处理流程数据。数据处理的流程图。数据格式化：数据整理和录入数据采集：读取数据并记录数值处理：导入matlab，运行程序 概率统计分析：计算

16、，做图结尾：整理并写报告后期处理：损耗计算和结论5、 实验结果与分析h1 =229.0038s1 = min: 39.3000max: 61.7000mean: 47.1760median: 45.4500std: 5.4407h1 =671.0024s1 = min: 37.5000max: 58mean: 45.8845 median: 45.5000std: 4.5477h1 =1.1130e+003s1 = min: 30.4000max: 58mean: 43.6837median: 44std: 6.2097h1 =1.5550e+003s1 = min: 35.6000max:

17、62.1000 mean: 49.8205 median: 49.5000 std: 6.4593h1 = 1.9970e+003s1 = min: 43.8000max: 66.4000mean: 53.2384 median: 52.8000 std: 3.9029westV =47.176 5.4407southV =45.8845 4.5477eastV =43.6837 6.2097northV =49.8205 6.4593代码：clear all;close all;%-读取文件-%w2e=xlsread('data1.xlsx','sheet2'

18、);s2n=xlsread('data1.xlsx','sheet1');e2w=xlsread('data1.xlsx','sheet4');n2s=xlsread('data1.xlsx','sheet5');e2wout=xlsread('data1.xlsx','sheet3');%-转换成矩阵-%w2e2=reshape(w2e,1,50);s2n2=reshape(s2n,1,58);e2w2=reshape(e2w,1,147);n2s2=reshape

19、(n2s,1,73);e2wout2=reshape(e2wout,1,159);%-为画平面场强图作准备-%w2e3=w2e2,zeros(1,50),1:50;w2e3=reshape(w2e3,50,3);s2n3=s2n2,zeros(1,58),1:58;s2n3=reshape(s2n3,58,3);e2w3=e2w2,zeros(1,147),1:147;e2w3=reshape(e2w3,147,3);n2s3=n2s2,zeros(1,73),1:73;n2s3=reshape(n2s3,73,3);e2wout3=e2wout2,zeros(1,159),1:159;e2w

20、out3=reshape(e2wout3,159,3);%-科学会堂正面由西向东-%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);%画柱状图axis(30,70,0,30);grid on;str='科学会堂正面由西向东' '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(w2e2)

21、%画累积概率分布图axis(30,70,0,1);hold on;w2emean=num2str(s1.mean);w2estd=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

22、(s1.std);title(' 对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('科学会堂正面由西向东信号电平分布图');xlabel('科学会堂正面由西向东');axis(1,50,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');%-科学会堂正面由东向西-%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(s2n2);axis(30,70,0,30);grid on;title('科学会堂正面由东向西信号电平概率分布')

23、;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(s2n2)axis(30,70,0,1);hold on;s2nmean=num2str(s1.mean);s2nstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,'最小值= ',num2str(s1.min);text(56,0.18,'最大值= ',num2str(s1.max);tex

24、t(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(' 对应累积概率分布');figure(22)surf(s2n3');title('科学会堂正面由东向西信号电平分布图');xlabel('科学会堂正面由东向西');axis(1,58,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz&

25、#39;);%-科学会堂西侧面由北向南-%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(e2w2);axis(30,70,0,100);grid on;str='科学会堂西侧面由北向南' '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(e2w2)axis(30,70,0,1);hold on;

26、e2wmean=num2str(s1.mean);e2wstd=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(' 对应累积概率分布'

27、;);figure(32)surf(e2w3');title('科学会堂西侧面由北向南信号电平分布图');xlabel('科学会堂西侧面由北向南');axis(1,147,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');%-足球场后面由西向东-%figure(41)subplot(1,2,1);histfit(n2s2);axis(30,70,0,40);grid on;title('足球场后面由西向东信号电平概率分布');xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel(&#

28、39;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(n2s2)axis(30,70,0,1);hold on;n2smean=num2str(s1.mean);n2sstd=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.me

29、an);text(56,0.08,'中值= ',num2str(s1.median);text(56,0.03,'标准差= ',num2str(s1.std);title(' 对应累积概率分布');figure(42)surf(n2s3');title('足球场后面由西向东信号电平分布图');xlabel('足球场后面由西向东');axis(1,70,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');%-足球场东侧面由南向北-%figure(61)subplot(1,2

30、,1);histfit(e2wout2);axis(30,70,0,100);grid on;str='足球场东侧面由南向北' '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(e2wout2)axis(30,70,0,1);hold on;e2woutmean=num2str(s1.mean);e2woutstd

31、=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(' 对应累积概率分布');figure(62)surf(e2wout3')

32、;title('足球场东侧面由南向北信号电平分布图');xlabel('足球场东侧面由南向北');axis(1,159,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');%-显示各个均值和标准差-%westV=w2emean,' ',w2estdsouthV=s2nmean,' ',s2nstdeastV=e2wmean,' ',e2wstdnorthV=n2smean,' ',n2sstdplatformV=w2eoutmean,' ',w2e

33、outstdBplatformV=e2woutmean,' ',e2woutstd1、 磁场强度空间分布2、磁场强度统计分布磁场强度呈现波动特性，理论分析表明磁场强度值在一定区间内呈现高斯分布特性。蓝色矩形条为直方统计，红色曲线为高斯分布拟合曲线。拟合表达式为。六、问题分析与解决1、测量误差分析本次测量，采集的点很多，记录的数据量很大，每个点都是读取了好多个数取中间值，而且每1.5m是一个测量点，这样场强的连续性很好，不至于有很大的起伏，从而是测量值偏离中心值的概率大大减小，误差减小，精度提高，基本达到要求。2、场强分布的研究场强的地理位置分布从几何的角度反映场强的分布，可以被工程借鉴，为统计做铺垫。场强的统计值分布场强的统计分布主要从微积分、概率的角度反映了场强的自然规律，可以被实际的应用设计做参考和模拟，尤其对于通信系统的设计有很大的帮助。 我们把自己的测量结果和其他同学的比较看了看，分析了一下，认为拟合的比较好，虽然算不是严格的高斯分布，不过也算是比较精确的了。七、分工安排a： 测量读取，Matlab编程，数据录入、数据处理。 b： 测量记录，图片处理、结果分析，报告撰写。八、心得体会 a： 本次实验我第一次实际体会了电磁波的波动性和掩蔽效应。对电磁波的阴影衰落和穿透损耗有了更切身的体会。研究频段的选择在低频，难度下降不少。 实验数据处理程