北邮—电磁场实验之校园场强

1、电磁场实验校园内无线信号场强特性的研究学院： 信息与通信工程学院 班级： 姓名： 学号： 班内序号： 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测试方法；2、研究校园内不同环境下阴影衰落的分布规律；3、熟练使用DS1131场强仪实地测试信号场强的方法；4、学会对大量数据进行统计分析和处理，进而得出实验结论。二、实验原理1、三种基本电波传播机制影响电波在空间传播的三种最基本的机制为反射绕射散射。当电磁波传播遇到比其波长大得多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体，比如树叶街道标志和灯柱等都会引发散射。

2、2、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,这就叫“阴影效应”或“阴影衰落”。在阴影衰落的情况下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。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，它的概率密度函数是：fx=122exp

3、-(x-m)222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，m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。下表是阴影衰落分布的标准差，其中s(dB)是阴影效应的标准差。s(dB)频率(MHz)准平坦地形不规则地形h(m)城市郊区501503001503.

4、5-5.54-79111345067.51115189006.58141821表1 阴影衰落分布的标准差s(dB)三、实验步骤1、实验对象的选取我们组选择的测量地点为南北主干道，测量频点为174.75MHz，是模拟电视频道CH6的伴音频道，属于低频信号。为了进行校园内不同地点同一频点信号功率的比较，我们与另一组同时进行测量，他们选择的地点为篮球场旁与主干道平行的南北大道，频点与我们相同。2、测量（数据采集）我们在4月17日下午进行了测量，从学十东门开始，每隔半个波长（86cm）记录一个数据，一直走到校园中门，总数据为522个。将数据按路段分为5组，每个分路段数据大于50个。3、数据录入将测量数

5、据填入excel表格，标注地点、状态等以便筛选分类数据，电平值单位为dBm。原始数据见附录。4、数据处理用MATLAB对数据进行处理，计算其最大值、最小值、均值、中值与标准差；画出概率分布柱状图；画出概率的累积分布曲线，与标准正态分布的累积曲线比较，得出室外阴影衰落的分布规律；画出信号场强空间分布图，直观地观察校园场强分布。注：由于概率分布柱状图和频数分布直方图只是纵坐标差一个倍数，不影响实验结果的得出，所以此处用频数分布直方图来代替概率分布柱状图。以下为处理结果：（1）全路段：主干道图1 主干道-概率分布图下面为信号场强空间分布图：（整体做成一个图不太清晰，所以分段显示） 注：色彩条的刻度单

6、位为（-dBm）（2）分路段：路段一：学十东门到新食堂路口图2学十东门到新食堂路口-概率分布图路段二：新食堂路口到学二路口图3新食堂路口到学二路口-概率分布图路段三：学二路口到主楼前广场开始处图4学二路口到主楼前广场开始处-概率分布图路段四：主楼前广场到教三前的路口图5主楼前广场到教三前的路口-概率分布图路段五：教三路口到中门图6教三路口到中门-概率分布图（3）总样本和分路段样本的数字特征值地点样本数最小值(dBm)最大值(dBm)均值(dBm)中值(dBm)标准差(dB)总路段522-73.0-47.3-57.91-57.354.829路段一73-73.0-54.9-62.86-62.404

7、.133路段二170-70.4-50.0-59.30-59.204.190路段三86-70.1-47.3-55.86-55.604.066路段四180-68.5-48.4-55.43-54.504.168路段五98-65.9-48.1-56.04-56.053.963表2 样本的数字特征（4）MATLAB代码：clear all;close all;road = xlsread('data','sheet1','C2:C523'); %从excel中读取数据road1=reshape(road,1,522);%转换成行矩阵%-画柱状图-%figu

8、re(11); subplot(1,2,1);histfit(road1);%画带正态拟合的频数直方图axis(-75,-45,0,65);%标注坐标的最大值和最小值grid on;%加网格线string='整个主干道''电平概率分布图'title(string);%加标题xlabel('电平值（dBm）');ylabel('样本数量（个）');legend('实际样本分布','正态拟合分布线');%-画概率的累积分布曲线图-%subplot(1,2,2);h1,s1=cdfplot(road1);

9、 %绘制累积分布函数图同时返回句柄及统计数据hold on;%图形保持功能，不被覆盖text(-57,0.36,'最小值=',num2str(s1.min);text(-57,0.30,'最大值=',num2str(s1.max);text(-54.5,0.24,'均值=',num2str(s1.mean);text(-54.5,0.17,'中值=',num2str(s1.median);text(-57,0.11,'标准差=',num2str(s1.std);x=s1.min:0.01:s1.max;y=norm

10、cdf(x,s1.mean,s1.std);plot(x,y,'r');%画出如果数据满足正态分布时的累积概率分布曲线axis(-75,-45,0,1.2);%标注坐标的最大值和最小值 title('累积概率分布');xlabel('电平值（dBm）');ylabel('累积概率');legend('实际分布','理论正态分布');%-画信号场强空间图-%road2=xlsread('data','sheet1','B2:B523'); %从excel

11、中读取去掉负号的数据road2=reshape(road2,1,522);road3=road2,zeros(1,522),1:522;road3=reshape(road3,522,3);%构造出一个522×3的矩阵，为画图做准备figure(12);surf(road3');%surf用来画三维有色图，但矩阵road3的特殊性使其可以得到一个%平面图且颜色与场强有关axis(1 73 1 2);caxis(45 75);title('<学十东门-新食堂路口>');figure(13);surf(road3');axis(74 157 1

12、 2);caxis(45 75);%控制色彩范围title('<新食堂路口-学四前路口>');figure(14);surf(road3');axis(158 243 1 2);caxis(45 75);title('<学四前路口-学二路口>');figure(15);surf(road3');axis(244 326 1 2);caxis(45 75);title('<学二路口-主楼前广场开始处>');figure(16);surf(road3');axis(327 423 1 2);

13、caxis(45 75);title('<主楼前广场-教三前的路口>');figure(17);surf(road3');axis(424 522 1 2);caxis(45 75);title('<教三路口-中门>');colorbar('horiz');%添加色彩条注：以上绘制概率分布柱状图和概率的累积分布曲线部分的代码只给出了处理整个主干道数据的，由于分段各部分数据处理与之相似，只需修改读取数据部分以及其他一些相关的参数，所以不再赘述。四、数据分析1、主干道总数据的分析：由图1可以看出，主干道信号场强概率分布

14、的正态拟合非常好，并且实际概率的累积分布曲线和理论正态分布的累积曲线几乎重合，可以得出主干道信号阴影衰落服从正态分布，且标准差为4.829dB，在表1给出的150MHz城区标准差的3.5-5.5的范围内。2、信号场强空间分布图的分析：由信号场强空间分布图可以直观地看到主干道上各处信号的强弱，颜色越接近红色信号越弱，越接近蓝色越强。从图中可以看出，从北到南，信号整体呈现增强的趋势。分析主干道周围的环境情况可以发现，北面是学生宿舍区，都是较高的楼，信号衰落会较大；而向南走到教学区，建筑都比较矮，并且主楼前那块区域比较开阔，信号衰落较小，所以信号从北到南逐渐增强是符合实际情况的。 图7 主干道周围平

15、面图具体分析每一段路可以发现，大楼遮挡处的信号都比较弱，比如学十、学八、学四以及教三处，信号幅度接近最小值；而路口、主楼前和学四前大屏幕处的开阔地，信号幅度较大。校园地形平坦，主干道周围都是比较高大的树木，对人体高度的信号的衰落影响较小，所以主要影响信号强弱的就是建筑物。虽然在大楼后信号整体较弱，但是测量中发现，大楼后某些地方信号也会较强。比如在学四东侧，快要走出大楼遮挡的位置信号较强，考虑到学四楼侧面长度较短，所以可能是信号绕射造成强度较大，低频信号波长较长，易绕射。测量时，天气较好，有风但不大，并且当时由于运动会放假，主干道上人流较小，也几乎没有车辆，所以环境比较稳定，所以信号起伏不是很大

16、。3、分路段数据的分析：分段的概率分布图的正态拟合显然没有整体的好，并且数据越少，拟合效果越不好，概率的累积分布与正态分布的误差也大一点，所以，研究分布规律需要大量的数据，理论上说数据越多误差越小，但是还应该考虑工作量等因素，本次实验要求采集500组数据，效果较好。分段数据的标准差均比总体的小，这是因为每段数据大约是一两栋楼的范围，环境变化较小，所以信号的起伏较小。每段数据的均值和中值都基本相等，符合正态分布规律。4、与另一组同学数据的比较：地点样本数最小值最大值均值中值标准差主干道522-73.0-47.3-57.91-57.354.829篮球场旁南北大道508-75.1-46.2-57.8

17、4-57.405.270表3 样本的数字特征另一组为田旻黄心怡组，她们由数据得出的阴影衰落的分布规律也是正态分布，和我们的结果一致，具体参数对比见表3。可以看出两组的均值和中值都非常接近，可认为相等，标准差她们组比我们组稍大，分析原因主要是篮球场旁的那条路相对主干道较窄，周围建筑物对信号衰落的影响更大，并且那边的建筑变化较大，高低差别较大。本来希望进行同一地点高低频信号的比较，但是进行测量时发现高频信号太弱，数据基本在-70dBm以下，不能认为是有效信号，所以才临时改测不同地点的同一低频信号。但就结果来看，两组的数据均值几乎一致，只有标准差略有差别，比较价值不是很大，主要是因为地点相距较近，两

18、个地点距发射台的距离差别不大。五、实验结论1、北邮校园主干道上，信号阴影衰落服从正态分布规律，均值为-57.91dBm，标准差为4.829dB，标准差符合理论值允许范围。2、在已知发射台参数的情况下，可以根据现有传播模型对路径损耗进行计算，与校园的电波分布情况进行比较，得出适合预测校园场强的模型，但是未查到发射台参数的相关资料，所以无法进行比较。3、阴影衰落与周围建筑物类型、密度等有关系，建筑物越高大、越密集的地方阴影衰落越大。阴影衰落的标准差与周围环境、人流等的变化有关。六、总结1、实验分工：同学一：测量时记录数据、MATLAB处理数据、数据分析、撰写报告。：测量时读取数据、数据整理及录入、

19、查阅资料、撰写报告。2、心得体会：6附：原始数据路段一：学十东门到新食堂路口（数据顺序为从左往右，自上而下）-66-61.2-67.6-61.6-59-64.3-62.4-61.6-64.6-66.8-60.3-64.9-67.9-64.3-68.9-57.3-61.7-65.1-65.5-64.8-61.5-55.6-57.3-66.9-60.3-65.9-65.4-68-58-64.2-58.7-67-66.6-67.2-60.8-61.1-58.1-57.1-64.8-67.5-60.3-65.4-64.2-66.2-55.1-61.5-58.4-63.9-59-57.1-67.7-60

20、.9-65.1-60.8-55.7-63.9-60.7-70-68.2-57.2-58.5-60.3-67.3-64.9-60.9-65.8-62.4-57.5-73-54.9-61.9-60.6-71.6路段二：新食堂路口到学二路口（数据顺序同上）-61.2-61-69.4-53-58.8-57-57.4-56.6-55.1-59.7-60.7-56.1-55.9-60.5-64.8-65.4-52.2-58.2-63-50.3-55.4-54.4-60.7-65.1-55.5-62.9-59.2-57.2-57.6-60.3-57.5-62.2-64.4-70.4-60.2-62.9-65

21、.8-60.2-56.7-62.5-65.4-50.9-56.3-62.2-61-55.6-61.3-56-64.8-58.2-56.6-62.7-60.3-60.3-62.8-60-61-59.2-52.9-55-57.3-58.9-57.7-57.4-56.5-60.4-57.2-56.5-58.4-59.3-53.6-55.8-61.3-64-63.5-52.7-52.6-59.9-63.6-62.5-64.4-59.2-55.9-60.6-64.7-53.7-59.2-58-62.4-58.4-61.4-58.3-60.5-62.8-61.1-56.3-56.8-54.8-60.2-5

22、4-61.4-58.5-61.5-59.7-60.5-64.9-53.2-57.9-60.7-55.5-57.4-58.9-69.2-59.4-65.7-59.3-57.7-66.5-50.7-62.2-64.7-63.4-64.9-66.6-59-54.2-68.4-55-61.8-54.2-58.1-59.3-58.4-59.2-61.2-61.5-65.2-66.3-54.2-62.6-66.5-57-56-61.4-60.4-66.8-68.2-56.3-51.9-55-56.9-55.6-61.1-58.7-56.8-60.6-55.6-53.9-51.5-63.6-55.2-58.

23、4-55.9-63.1-54.4-61.2-59.2-50-58.3-50.6路段三：学二路口到主楼前广场开始处（数据顺序同上）-58.1-57.1-53-53.6-54.5-64.4-57.4-56-57.2-55.6-53.1-57.5-53.2-56-51.3-52.9-60.3-56.7-57.6-51.4-62.4-63.2-54.6-53.8-57.3-57.2-53.2-59.1-54.2-54.3-56.7-52.7-57-57.8-55.7-70.1-50.5-57.2-56.9-58.5-49.4-55.4-52.1-55.5-52.9-57.1-58.4-55.3-57.

24、5-54-52.6-54.3-57.3-57.1-53.7-51.6-59.3-66.4-63.4-60.1-49.6-55.5-47.3-53.9-55.5-55.9-48.3-59.3-54.7-51.5-50.3-50.6-55.8-55.1-65.6-61.6-58.2-56.1-55.6-52.2-54.6-57.2-48.9路段四：主楼前广场到教三前的路口（数据顺序同上）-54.3-54.2-51.7-55.8-56.5-51.6-66.1-51.4-50.6-59.1-49.4-59.6-53.3-48.4-54.9-57.3-49.5-54.3-59.8-50.3-53.5-5

25、8.7-55.1-57.1-52.9-55.2-64.1-56.3-53.1-62.2-49.6-60.5-60.2-52.3-52.9-63.6-62.1-56.2-52.9-58.4-53-53.1-58.4-57.2-66-60.1-49.7-53.9-53.4-57.2-51.4-53.6-54.2-52.5-51.4-62.3-57.4-51.4-56.4-56-52.9-52.5-57.5-59.4-55.9-51.7-68.5-53.5-53.7-53.9-51.1-54.5-62.2-54.5-55.5-56.2-48.5-52.7-59.6-52.7-56.5-53.1-60

26、.5-57.8-54.1-55.9-58.2-54.5-58.5-53-49.2-49.8-55.3-56.1-51.3-61.4-50.9路段五：教三路口到中门（数据顺序同上）-48.3-65.9-51.3-51.1-49.4-51.6-58.2-62.8-57.7-62.2-62.4-50.5-52.5-52.3-60.8-54.6-48.1-59.1-59.3-54.2-54.5-55.2-51.9-50.2-51.7-57.3-51.5-57.9-56.2-56.2-56.8-61.3-54.5-64.2-56.1-54.4-52-52.1-52.3-61.3-60.5-64-58.6

27、-54.7-56.2-60.2-52.8-51.6-50.5-57.2-62.6-55.2-61.7-56-59.8-60.4-53.6-51.1-53.6-52.4-58-57.8-54.6-58-58.9-58.1-51.4-54.1-50.4-50.7-54.6-56.7-57-61.8-63-56.5-56.7-56.3-58.2-50.6-54.6-56.3-54.1-55.2-59.6-60.6-59.2-59.3-54.6-54.5-56.9-51.6-54.6-54.8-54.5-60-60-55.7-56.7频谱特性测量演示实验问卷1.ESPI测试接收机所测频率范围为：9KH

28、z3GHz 2.ESPI测试接收机的RF输入端口最大射频信号：+30dBm，最大支流:50 V3.S是否直观的观测电磁波的存在？（回答是/否）答：否。4.演示实验可以测到的空间信号有哪些，频段分别为：答：广播：531K1602KHzGSM900：上行：890915MHz下行：935960MHzGSM1800：上行：17101755MHz下行：18051850MHzWCDMA：上行：19201980MHz下行：21102170MHzCDMA2000：上行：19201980MHz下行：21102170MHzTD-SCDMA：20102025MHz5.课堂演示的模拟电视和数字电视频谱图：如

29、何判断是模拟还是数字电视？答：模拟信号以残留边带调幅方式频分复用传输,有明确的载波频率,不同频道的图像有不同的载波频率。模拟信号频谱为:每8MHz带宽即一个频道内,能量集中分布在图像载频上,在该载频附近有一个跳动的峰,为彩色副载波所在,再远一点(在8MHz内)还有一个峰,为伴音副载波的峰。数字信号：一个数字频道的已调信号像一个抬高了的噪声平台,均匀地平铺于整个带宽之内,它的能量是均匀分布在整个限定带宽内的。6.课堂演示GSM900上下行频谱图，CDMA下行频谱图，3G下行频谱图：答：GSM900上行:GSM900下行:CDMA下行:3G下行:7.该频谱仪能检测的频谱范围，是否能观察到WIFI、电磁炉、蓝牙等频谱？（请分别说明，并指出其频率）答：可以。该频谱仪能检测的频谱范围为9KHz3GHz所以，能够观察到：WIFI：2.4GHz电磁炉：20KHz30KHz蓝牙：2.4GHz网络参量测量演示实验问卷1.8714ES矢量网络分析仪所测频段：300KHz3GHz 其中E的含义：