北邮电磁场与电磁波实验报告

1、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| Hmill MK HItZHHVUUnCM电磁场与电磁波实验报告第5页、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

2、，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

3、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：PL d dB PL d0 10nlog d/d0（式 1）即平均接收功率为：Pr d dBm Pt dBm PL d010nlog d /d0 Pr d0 dBm 10nlog d /d0（式 2）其中，定义n为

4、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型。下边介绍几种常用的描述大 尺度衰落的模

5、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：Pr d dBm

6、 Pr d dBm Xs Pr(dO) dBm 10nlog(d/d0) X (式 3)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：21(x )f (x) =2 exp(2 )(式 4)強22应用于阴影衰落时，上式中的 x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

7、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。F面是阴影衰落分布的标准差，其中s(dB)是阴影效应的标准差。错误!未找到引用源。(dB)频率（MHz）准平坦地形不规则地形 错误！未找到引用源。（米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821表1.阴影衰落分布的标准差s （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

8、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：(outside)Pj(inside)（式 5）dB v ,共M个点;dB v ,共N个点。P是穿透损耗，单位是 dB ；Pj是在室内所测的每一点的功率，单位是P是在室外所测的每一点的功率，单位是三、实验内容利用DS1131场强仪，实地测量信号场强。1）

9、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。ii -jnem fmqm电磁场与电磁波实验报告（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 lOOMhz，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

10、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。测第#页3、数据录入将测量得到的数据录入 Excel表格。我独自完成，得到一个数据将近500的表格。63.664.671.268.566.366.

11、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、157.265.372.363.760.563.760.365.162.565.868.964.361.561.260.461.369.967.9663.6759.966.565.971.

12、26.665.472.165.164.36256.25965.25959.258.858.161.160.165.759.457.561.556.264.960。058.25953.149.152.150.155.158.857.162.757.353.353.954.150.157.4第7页电磁场与电磁波实验报告64.558.958.。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61.264.759.259.66569.264.269.257.26.262.

13、158.272.358.259.260.458.265.265.364.464.368.269.369.470.26262.869.365.465.365.366.266.367.370.265.372.363.760.563.760.365.162.565.868.964.361.561.260.461.369.967.163.6759.966.565.971.26.665.472.165.164.36256.25965.25959.258.858.161.160.165.759.457.561.556.264.260.158.267.153.149.152.150.155.158.857.

14、162.757.353.353.954.150.157.464.558.957.158.957.963.959.352.360.269.256.257.164.96058.25953.349.452.150.155.158.857.162.757.353.553.954.150.153.157.464.458.958.958.25857.164.959.257.360.269.265.259.955.258.861.569.253.359.760.265.45960.271.371.670065.369.259.264.766.262.262.466.359.456.454.959.959.9

15、62.465.562.56.359.956454.959.959.962.465.965.962.563.359.363.163.259.364.263.259.562.960.153.354.258.253.261.254.355.455.461.26028.328.229.259.260.253.554.258.253.261.25455.455.461.260.658.258.859.260.265.362.860.968.353.261.254.355.461.26058.258.859.260.260.265.362.860.967.668.168.26864.964.26.258.

16、767.265.360.270.263.362.16167.36767.668.1696469.369.266.361.359.363.163.565.257.855.8、55.855.357.353.851.851.152.959.261.865.855.255.858.261.362.360.35656.358.258.457.261.25656.358.358.457.361.254.259.2第11页!* v e. 1 iiLgfll !反 BIB厨寸盘，Jt3fiHA1TERttnusEr t -i i :, 9PM鷲总函啊申ur-理ucmolha . tai4 Qutfb.- ak

17、r4、数据处理流程数据。数据处理的流程图。K | Kllea：.=raj!L21 ac审4吟壬5!Gm# 妊审址童i蠹“五、实验结果与分析hl =229.0038si =min: 39.3000max: 61.7000mea n: 47.1760 media n: 45.4500 std: 5.4407 hl =671.0024si =min: 37.5000max: 58mea n: 45.8845median: 45.5000std: 4.5477h1 =1.1130e+003s1 =min: 30.4000max: 58mea n: 43.6837media n: 44std: 6.20

18、97h1 =1.5550e+003s1 =min: 35.6000max: 62.1000mea n: 49.8205median: 49.5000std: 6.4593h1 =1.9970e+003 s1 = min: 43.8000max: 66.4000mea n: 53.2384median: 52.8000std: 3.9029westV =M am- LN-ISIin| U9 Pin MD- HCmBACJOKM.电磁场与电磁波实验报告47.1765.4407southV =45.88454.5477eastV =43.68376.2097northV =49.82056.4593

19、代码：clear all;close all;%读取文件%w2e=xlsread(data1.xlsx,sheet2);s2n=xlsread(data1.xlsx,sheet1);e2w=xlsread(data1.xlsx,sheet4);n 2s=xlsread(data1.xlsx,sheet5); e2wout=xlsread(data1.xlsx,sheet3);%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,50);s2n 2=reshape(s2 n,1,58);e2w2=reshape(e2w,1,147);n2s2=reshape( n2s,1,73);e2wout2=

20、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);s2n 3=s2 n2,zeros(1,58),1:58;s2n 3=reshape(s2 n3,58,3);e2w3=e2w2,zeros(1,147),1:147; e2w3=reshape(e2w3,147,3);n2s3=n 2s2,zeros(1,73),1:73; n2s3=reshape( n2s3,73,3); e2wout3=e2wout2,zeros(1,159),1:159; e2wout3=resha

21、pe(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);第15页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)%画累积概率分布图 axis(30,70,0,1);hold on;w2emea n=nu m2str(s1.mea n);w2estd

22、=nu m2str(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(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(3

23、0 70);colorbar(horiz);%科学会堂正面由东向西 %figure(21)subplot(1,2,1);histfit(s2 n2);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);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(s2 n2)axis(30,70,0,1);hold on;s2nmean=nu m2str(s1.mea n);s2n std=nu m2str(s1.std);text(

24、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(22)surf(s2 n3);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);%科学会堂西侧

25、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;e2wmea n=nu m2str(s1.mea n);e2wstd=nu m2str(s1.std);text(56,0.23,最小值=,num2st

26、r(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);电磁场与电磁波实验报告title(对应累积概率分布);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 %f

27、igure(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(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 (n 2s2)axis(30,70,0,1);hold on;n 2smea n=nu m2str(s1.mea n);n2sstd=nu m2str(s1.std);text(56,0.23,最小值=,num2str(s1.min);tex

28、t(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(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);第17页%足球场东侧面由南向北 %figure(61)subplot(1,2,1)

29、;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;e2woutmea n=nu m2str(s1.mea n);e2woutstd=nu m2str(s1.std); text(56,0.23,最小值=,num2str(s1.min); text(5

30、6,0.18,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);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=w2emea n,w2estd

31、southV=s2 nmean,s2 nstdeastV=e2wmea n, ,e2wstd northV=n 2smea n,n 2sstdplatformV=w2eoutmea n,w2eoutstdBplatformV=e2woutmea n, ,e2woutstd1H DB4- LM-ririSin U9 Pin MO-电磁场与电磁波实验报告第#页1、磁场强度空间分布电磁场与电磁波实验报告第19页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。(x )2f(x)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

32、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。实验数据处理程比较繁琐，需要相当程度的细心，数据的录入很考验人的耐力。由于其他的 一些研究工作中，Matlab的使用比较多，这里的问题倒不是很多。实验主要