北邮电磁场及电磁波实验报告

信息与通信工程学院电磁场与电磁波实验报告题目：校园无线信号场强特性的研究姓名班级学号序号251272015年5月10日目 录TOC\o"1-2"\h\z\u一、实验目的 1二、实验原理 11、电磁波的传播方式 12、尺度路径损耗 13、阴影衰落 24、建筑物的穿透损耗的定义 3三、实验内容 3四、实验步骤 41、实验对象的选择 42、数据采集 53、数据录入 54、数据处理 6五、实验结果与分析 71、各道路处理结果 72、场强情况汇总及分析 16六、误差分析 19七、分工安排 20八、心得体会 20九、附表一：原始测量数据 21一、实验目的掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法；研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；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；通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系；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：（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/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：自由空间模型布灵顿模型EgLi模型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：（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：（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。QUOTE（dB）频率（MHz）准平坦地形不规则地形QUOTE（米）城市郊区501503001503.5~5.54~79111345067.51115189006.58141821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。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。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1、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。数据导入到Matlab数据整理和录入数据采集数据导入到Matlab数据整理和录入数据采集实验结论和报告整理场强分布统计分析，拟合，作图实验结论和报告整理场强分布统计分析，拟合，作图五、实验结果与分析1、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：clearall;closeall;%读取文件%jiaosi=xlsread('F:\data\data1.xls');ximen=xlsread('F:\data\data2.xls');jiaosan=xlsread('F:\data\data3.xls');zhudao=xlsread('F:\data\data4.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]];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)subplot(1,2,1);histfit(jiaosi2);%画柱状图axis([-75,-40,0,30]);gridon;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]);holdon;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(-58,0.03,['标准差=',num2str(s1.std)]);title('对应累积概率分布');figure(12)surf(jiaosi3');%画衰落强度图title('教四南侧道路信号电平分布图');xlabel('<--东西-->');axis([1,135,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');处理结果：由图可看出，教四南侧道路的信号衰减总体来说比较小，可能是因为在广场旁边，地形变化小，遮挡物较少。在70附近的信号出现了比较大的波动，信号衰减突增，可能是由于此时到到教四门口，周围情况有了较大的变化，以及教四内的各种仪器会对实验造成影响。本地段的衰减与预期吻合，电平概率分布接近理论概率分布，符合信号先变大后变小的趋势。%西门东侧道路%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(ximen2);axis([-75,-40,0,40]);gridon;title('西门东侧道路信号电平概率分布');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);[h2,s2]=cdfplot(ximen2)axis([-75,-40,0,1]);holdon;ximenmean=num2str(s2.mean);ximenstd=num2str(s2.std);text(-59,0.23,['最小值=',num2str(s2.min)]);text(-59,0.18,['最大值=',num2str(s2.max)]);text(-59,0.13,['均值=',num2str(s2.mean)]);text(-59,0.08,['中值=',num2str(s2.median)]);text(-59,0.03,['标准差=',num2str(s2.std)]);title('对应累积概率分布');figure(22)surf(ximen3');title('西门东侧道路信号电平分布图');xlabel('<--北南-->');axis([1,156,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');处理结果：西门东侧道路两边的信号衰落非常大，这是由于两边是两条路的交汇处，地形变化比较大，建筑物情况比较复杂。中间有一部分衰减非常小（红色处），这是因为经过了毛主席广场正对西门的出口，这里比较开阔，几乎没有遮挡物，所以信号的接收比较容易。从概率密度上来看，信号更加集中在中间，也就是西门处的电平值较密集，两边的概率都较小。%教三南侧道路%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(jiaosan2);axis([-75,-40,0,30]);gridon;title('教三南侧道路信号电平概率分布');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);[h3,s3]=cdfplot(jiaosan2)axis([-75,-40,0,1]);holdon;jiaosanmean=num2str(s3.mean);jiaosanstd=num2str(s3.std);text(-59,0.23,['最小值=',num2str(s3.min)]);text(-59,0.18,['最大值=',num2str(s3.max)]);text(-59,0.13,['均值=',num2str(s3.mean)]);text(-59,0.08,['中值=',num2str(s3.median)]);text(-59,0.03,['标准差=',num2str(s3.std)]);title('对应累积概率分布');figure(32)surf(jiaosan3');title('教三南侧道路信号电平分布图');xlabel('<--西东-->');axis([1,116,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');处理结果：教三南侧道路的信号衰减由小变大，一开始比较小是因为在教三南侧道路的西侧建筑物的分布非常稳定，地形基本无变化，干扰小。在后一半的测量，信号变得越来越难接收，可能是因为右侧出现了校医院，医院内的一些设施会对信号的接收造成影响，并且随着距离南门越来越近，干扰也会越来越大。信号电平概率分布也比较接近理论概率分布。%主干道%figure(41)subplot(1,2,1);histfit(zhudao2);axis([-75,-40,0,30]);gridon;title('主干道信号电平概率分布');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);[h4,s4]=cdfplot(zhudao2)axis([-75,-40,0,1]);holdon;zhudaomean=num2str(s4.mean);zhudaostd=num2str(s4.std);text(-59,0.23,['最小值=',num2str(s4.min)]);text(-59,0.18,['最大值=',num2str(s4.max)]);text(-59,0.13,['均值=',num2str(s4.mean)]);text(-59,0.08,['中值=',num2str(s4.median)]);text(-59,0.03,['标准差=',num2str(s4.std)]);title('对应累积概率分布');figure(42)surf(zhudao3');title('主干道信号电平分布图');xlabel('<--南北-->');axis([1,126,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');处理结果：主干道的衰减相较来说较大。开始时，因为两侧有两栋教学楼，教三和教二，因此信号的接收不太容易，而随着经过教学楼，两侧就变得非常开阔，信号接收容易，信号衰减小。而越到达起始点，衰减越小，这是由于到达了教四前的十字路口，地形开阔，遮挡物少。另外，东南角转角处的衰减比较大，可能是因为转角处的建筑物情况都比较复杂，导致会有较大的衰减。%显示各个均值和标准差%jiaosiV=[jiaosimean,'',jiaosistd]ximenV=[ximenmean,'',ximenstd]jiaosanV=[jiaosanmean,'',jiaosanstd]zhudaoV=[zhudaomean,'',zhudaostd]处理结果：2、场强情况汇总及分析1、总体样本分布与理想高斯分布拟合上图中蓝色矩形条为直方统计，红色曲线为理想高斯分布拟合曲线。由于受到传播路径的诸多影响，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。针对实测数据，可得到磁场强度的统计分布，对该分布进行高斯拟合，我们可以得到上图。拟合表达式为：。

由于实地测量的情况受天气、周围人群等多种随机情况影响，因此测量结果和理想拟合曲线有一定的出入，但是从以上的统计分布图中不难看出，场强电平值的总体分布趋势和拟合曲线的走势还是基本吻合的。

2、各道路信号电平图汇总如上所示模拟了四条道路的场强分布情况，可见相对来说教四南侧道路的信号衰减最小，电平概率分布也最接近理论概率分布，可能是因为在广场旁边，地形变化小，遮挡物较少。本地段的衰减与预期吻合，符合信号先变大后变小的趋势。而南北两条路的衰减相较来说较大。西门东侧道路中间有一部分衰减非常小，这是因为经过了毛主席广场正对西门的出口，这里比较开阔，几乎没有遮挡物，所以信号的接收比较容易。从概率密度上来看，信号更加集中在中间，也就是西门处的电平值较密集，两边的概率都较小。另外，西北角和东南角转角处的衰减都比较大，可能是因为转角处的建筑物情况都比较复杂，导致会有较大的衰减。而相对来说西南角和东北角的衰减就比较小且平稳，因为它们的地形变化较小，并且在路口比较开阔，因此衰减小。3、各地点的信号均值与标准差道路均值μ(dBmW)方差教四南侧道路-56.29783.9893西门东侧道路-57.91545.1664教三南侧道路-57.09224.5343主干道-58.87784.6762由上表可看出，第一组即教四南侧道路的信号质量最好，衰减小，最容易接收。并且具有最小的方差，信号分布最均匀。第二组即西门东侧道路的信号方差最大，波动最明显。第四组也即主干道的信号衰减最大，最不易接受。以上说明接收信号的分布与大致符合高斯分布，但依然受到阴影衰落的影响，与路径选择有很大关系。最后，通过对室外道路的信号测量和分析，与几种经典模型对比后，发现实际情况更接近于Hata市区模型。六、误差分析1、我们选取了校园内地形不同的四条道路进行测量，不同地方的遮挡情况不同，阴影衰落也不同。

2、场强仪的跳动变化比较大，在记录数据时我们只能大概找到平均值来记录，因此读数也会带来较大误差。

3、每条道路选取的数据都不同，并且总共只有五百多组数据，平均每条道路只有一百五十