北郵2012級(jí)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北京郵電大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)測(cè)量與仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：電子工程學(xué)院班級(jí)：2012211204 組員： 執(zhí)筆人： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 通過(guò)實(shí)地測(cè)量校園內(nèi)室內(nèi)外的無(wú)線電信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值，掌握室內(nèi)外電波傳播的規(guī)律。(2) 熟悉并掌握無(wú)線電中的傳輸損耗，路徑損耗，穿透損耗，衰落等概念。(3) 熟練使用無(wú)線電場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)試空間電場(chǎng)強(qiáng)度的方法。(4) 學(xué)會(huì)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并得到相關(guān)傳播模型。實(shí)驗(yàn)原理1、電磁波的傳播方式無(wú)線通信系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、無(wú)線信道、接收機(jī)、接收天線所組成。對(duì)于接受者，只有處在發(fā)射信號(hào)的覆蓋區(qū)內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接受信號(hào)，此時(shí)，電波場(chǎng)強(qiáng)大于等于接收機(jī)的靈敏度。因此基站的覆蓋區(qū)的大小，

2、是無(wú)線工程師所關(guān)心的。決定覆蓋區(qū)的大小的主要因素有：發(fā)射功率，饋線及接頭損耗，天線增益，天線架設(shè)高度，路徑損耗，衰落， 接收機(jī)高度，人體效應(yīng)，接收機(jī)靈敏度，建筑物的穿透損耗，同播，同頻干擾等。電磁場(chǎng)在空間中的傳輸方式主要有反射繞射散射三種模式。當(dāng)電磁波傳播遇到比波長(zhǎng)大很多的物體時(shí)，發(fā)生反射。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間無(wú)線路徑被尖銳物體阻擋時(shí)發(fā)生繞射。當(dāng)電波傳播空間中存在物理尺寸小于電波波長(zhǎng)的物體且這些物體的分布較密集時(shí)，產(chǎn)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面，如小物體或其它不規(guī)則物體樹(shù)葉街道標(biāo)志燈柱。 2、尺度路徑損耗 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中， 路徑損耗是影響通信質(zhì)量的一個(gè)重要因素。大尺度平均路徑損耗： 用于測(cè)量

3、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間信號(hào)的平均衰落，即定義為有效發(fā)射功率和平均接受功率之間的（ dB） 差值， 根據(jù)理論和測(cè)試的傳播模型， 無(wú)論室內(nèi)或室外信道， 平均接受信號(hào)功率隨距離對(duì)數(shù)衰減， 這種模型已被廣泛的使用。對(duì)任意的傳播距離， 大尺度平均路徑損耗表示為： （式1）即平均接收功率為： （式2）其中，定義n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速度，d0為近地參考距離，d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。公式中的橫杠表示給定值d的所有可能路徑損耗的綜合平均。坐標(biāo)為對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)時(shí)，平均路徑損耗或平均接收功率可以表示為斜率10ndB /10 倍程的直線。n依賴于特定的傳播環(huán)境，例如在自由空間，n為2；當(dāng)有阻擋物時(shí)，

4、n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它與接受點(diǎn)的電波傳播條件密切相關(guān)。為此，我們引進(jìn)路徑損耗中值的概念，中值是使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個(gè)數(shù)值（對(duì)于正態(tài)分布中值就是均值）。人們根據(jù)不同放入地形地貌條件，歸納總結(jié)出各種電波傳播模型。下邊介紹幾種常用的描述大尺度衰落的模型。常用的電波傳播模型： 1) 自由空間模型 2) 布靈頓模型 3) EgLi 模型 4) Hata-Okumura 模型 3、 陰影衰落在無(wú)線信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物體對(duì)電波的遮擋。在測(cè)量過(guò)程中，不同位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率也不同，這樣就會(huì)觀察到衰落現(xiàn)象。由于這種

5、原因造成的衰落也叫“陰影效應(yīng)”或“陰影衰落”。在陰影衰落的情況下，移動(dòng)臺(tái)被建筑物所遮擋，它收到的信號(hào)是各種繞射反射，散射波的合成。所以，在距基站距離相同的地方，由于陰影效應(yīng)的不同，它們收到的信號(hào)功率有可能相差很大，理論和測(cè)試表明，對(duì)任意的d 值，特定位置的接受功率為隨機(jī)對(duì)數(shù)正態(tài)分布即： （式3）其中，Xs 為0 均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位dB；標(biāo)準(zhǔn)偏差s ，單位dB。對(duì)數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同T-R 距離時(shí)，不同的隨機(jī)陰影效應(yīng)。這樣利用高斯分布可以方便地分析陰影的隨機(jī)效應(yīng)。正態(tài)分布，也叫高斯分布，概率密度函數(shù)為： （式4）應(yīng)用于陰影衰落時(shí)，上式中的表示某一次測(cè)量得到的接收功率，

6、表示以dB 表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差，單位是dB。陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)差同地形，建筑物類型，建筑物密度等有關(guān)，在市區(qū)的150MHz 頻段其典型值是5dB。除了陰影效應(yīng)外，大氣變化也會(huì)導(dǎo)致陰影衰落。比如一天中的白天，夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴時(shí)，下雨時(shí)，即使在同一個(gè)地點(diǎn)上，也會(huì)觀察到路徑損耗的變化。但在測(cè)量的無(wú)線信道中，大氣變化造成的影響要比陰影效應(yīng)小的多。 下面是陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差，其中(dB)是陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。s（dB）頻率（MHz）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形 h（米）城市郊區(qū)501503001503.55.5479111345067.51115189006.5814182

7、1表1. 陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差（dB）4、建筑物的穿透損耗的定義 建筑物穿透損耗的大小對(duì)于研究室內(nèi)無(wú)線信道具有重要意義。穿透損耗又稱大樓效應(yīng)，一般指建筑物一樓內(nèi)的中值電場(chǎng)強(qiáng)度和室外附近街道上中值電場(chǎng)強(qiáng)度dB 之差。 發(fā)射機(jī)位于室外，接收機(jī)位于室內(nèi)，電波從室外進(jìn)入到室內(nèi)，產(chǎn)生建筑物的穿透損耗，由于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)一定小于室外的場(chǎng)強(qiáng)，造成傳輸損耗。室外至室內(nèi)建筑物的穿透損耗定義為：室外測(cè)量的信號(hào)平均場(chǎng)強(qiáng)減去同一位置室內(nèi)測(cè)量的信號(hào)平均場(chǎng)強(qiáng)。用公式表示為： （式5）是穿透損耗，單位是dB；是在室內(nèi)所測(cè)的每一點(diǎn)的功率，單位是，共個(gè)點(diǎn)；是在室外所測(cè)的每一點(diǎn)的功率，單位是，共個(gè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

8、利用場(chǎng)強(qiáng)儀，實(shí)地測(cè)量信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。1) 研究具體現(xiàn)實(shí)環(huán)境下陰影衰落分布規(guī)律，以及具體的分布參數(shù)如何。 2) 研究在校園內(nèi)電波傳播規(guī)律與現(xiàn)有模型的吻合程度，測(cè)試值與模型預(yù)測(cè)值的預(yù)測(cè)誤差如何。 3) 研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 測(cè)量（數(shù)據(jù)采集）Ø 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和頻率的選擇本次實(shí)驗(yàn)我們選擇測(cè)量學(xué)生公寓九號(hào)樓和籃球場(chǎng)和教四和主樓前廣場(chǎng)，分別測(cè)量了其信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。其四周的建筑物分布各不相同，故不同測(cè)量位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率也不同，這樣就會(huì)觀察到衰落現(xiàn)象。此外，我們選擇了97MHz頻率Ø 數(shù)據(jù)采集過(guò)程利用場(chǎng)強(qiáng)儀DS1131測(cè)量無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度，我們每走兩步記錄

9、一個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)地點(diǎn)測(cè)量50100個(gè)數(shù)據(jù)。（2） 數(shù)據(jù)錄入 將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)錄入Excel表格，得到一個(gè)原始數(shù)據(jù)表。分別以學(xué)生公寓九號(hào)樓，籃球場(chǎng)，教四由內(nèi)向外，主樓前廣場(chǎng)為一個(gè)單獨(dú)的excel。（3） 數(shù)據(jù)處理我們利用matlab軟件強(qiáng)大的分析功能，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理，計(jì)算其均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并且畫(huà)出概率的累積分布曲線，與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積曲線比較，得出室外陰影衰落的分布規(guī)律，具體流程圖如下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）、籃球場(chǎng)（室外）數(shù)據(jù)如圖籃球場(chǎng)電平概率分布對(duì)應(yīng)累積概率分布（2）主樓前廣場(chǎng)（陰影衰落）數(shù)據(jù)如圖主樓前廣場(chǎng)電平概率分布對(duì)應(yīng)累計(jì)概率分布（3）、教四內(nèi)外（穿透損耗）數(shù)據(jù)如圖教四內(nèi)外電平概率分布對(duì)應(yīng)

10、累計(jì)概率分布（4）、學(xué)九（室內(nèi)）數(shù)據(jù)如圖學(xué)九電平概率分布對(duì)應(yīng)累計(jì)概率分布結(jié)果分析1、 由于室內(nèi)是在學(xué)九樓道內(nèi)測(cè)量，各個(gè)部分所處的情況大致相同，故變化不大，同理，室外的變化也不是很明顯。2、 對(duì)于陰影衰落，當(dāng)從靠近主樓向遠(yuǎn)離主樓的方向測(cè)量時(shí)，電磁波的電平值明顯增大，符合實(shí)際規(guī)律。問(wèn)題與解決 開(kāi)始測(cè)量的時(shí)候，測(cè)量?jī)x測(cè)量的數(shù)據(jù)是沒(méi)有變化的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)后，將其與地面保持一定的距離，重新測(cè)量，排除影響。心得體會(huì)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)， 我對(duì)于傳播模型有了直觀的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步理解了電磁波的有關(guān)知識(shí)， 同時(shí)提高了對(duì)理論知識(shí)的興趣和學(xué)習(xí)的積極性。 做實(shí)驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)的記錄，處理，分析，每一步都在我腦海里留下了很深的印象。另外，

11、 通過(guò)學(xué)DS1130 場(chǎng)強(qiáng)儀的使用方法， 我們也鍛煉了快速接受并理解新知識(shí)的能力。而成員間的分工和合作，也在這次實(shí)驗(yàn)的成功中起到了關(guān)鍵的作用。 我相信這一切都會(huì)為我以后進(jìn)行更加有挑戰(zhàn)性的工作和任務(wù)增加信心和經(jīng)驗(yàn)。MATLAB代碼1、籃球場(chǎng)clear all;close all; a = xlsread('籃球場(chǎng).xlsx','Sheet1'); a1=a' b1 = reshape(a1,1,54); figure(1) subplot(1,2,1); histfit(b1); grid on; title('籃球場(chǎng)電平概率分布'); x

12、label('電平值（dBmV)'); ylabel('樣本數(shù)量(個(gè)）');legend('理想概率分布曲線', '實(shí)際樣本分布');subplot(1,2,2); h1,s1=cdfplot(b1);hold on;title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');2、 主樓前廣場(chǎng)a = xlsread('主樓前廣場(chǎng).xlsx','Sheet1');a1=a' b1 = reshape(a1,1,54);figure(1)subplot(1,2,1);histfit(b1);grid o

13、n;title('主樓前廣場(chǎng)');xlabel('電平值（dBmV)');ylabel('樣本數(shù)量(個(gè)）');legend('理想概率分布曲線', '實(shí)際樣本分布');subplot(1,2,2);h1,s1=cdfplot(b1);hold on;title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');3、 教四a = xlsread('教四.xlsx','Sheet1');a1=a'b1 = reshape(a1,1,36);figure(1)subplot(1,2,1);h

14、istfit(b1);grid on;title('教四內(nèi)外');xlabel('電平值（dBmV)');ylabel('樣本數(shù)量(個(gè)）');legend('理想概率分布曲線', '實(shí)際樣本分布');subplot(1,2,2);h1,s1=cdfplot(b1);hold on;title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');4、 學(xué)九a = xlsread('學(xué)九.xlsx','Sheet1');a1=a' b1 = reshape(a1,1,50); figure(1) subplo