電磁場與電磁波實驗報告-校園無線信號場強(qiáng)特性的研究

1、 電磁場與電磁波實驗報告-校園無線信號場強(qiáng)特性的研究電磁場與電磁波實驗報告 題目：校園無線信號場強(qiáng)特性的研究 16班 級： 學(xué) 號： 班內(nèi)序號： 學(xué)生姓名： 班 級： 學(xué) 號： 班內(nèi)序號： 學(xué)生姓名： 目 錄【實驗?zāi)康摹?【實驗原理】2【實驗內(nèi)容】6【實驗步驟】61實驗對象的選擇62數(shù)據(jù)采集63. 數(shù)據(jù)處理7【實驗代碼】7【實驗結(jié)果分析】11【實驗心得】15【附錄】16一、 實驗?zāi)康?. 掌握在移動環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確的測試方法；2. 研究校園內(nèi)各種不同環(huán)境下陰影衰落的分布規(guī)律；3. 掌握在室內(nèi)環(huán)境下場強(qiáng)的正確測量方法，理解建筑物穿透損耗的概念；4. 通過實地測量，分析建筑物穿透損耗隨

2、頻率的變化關(guān)系；5. 研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關(guān)系。二、 實驗原理1. 電磁波的傳播方式無線通信系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、無線信道、接收機(jī)、接收天線所組成。對于接受者，只有處在發(fā)射信號的覆蓋區(qū)內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接受信號，此時，電波場強(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，是無線工程師所關(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大很多的物體時，發(fā)生反射。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)

3、之間無線路徑被尖銳物體阻擋時發(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的物體且這些物體的分布較密集時，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)則物體樹葉街道標(biāo)志燈柱。 2. 尺度路徑損耗 在移動通信系統(tǒng)中， 路徑損耗是影響通信質(zhì)量的一個重要因素。大尺度平均路徑損耗： 用于測量發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間信號的平均衰落，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)理論和測試的傳播模型， 無論室內(nèi)或室外信道， 平均接受信號功率隨距離對數(shù)衰減， 這種模型已被廣泛的使用。對任意的傳播距離， 大尺度平均路徑損耗表示為： 即平均接收功率為： 其中，定義n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑

4、損耗隨距離增長的速度，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)為對數(shù)對數(shù)時，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，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，中值是使實驗數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個數(shù)值（對于正態(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

5、) 自由空間模型自由空間模型假定發(fā)射天線和接收臺都處在自由空間。我們所說的自由空間一是指真空，二是指發(fā)射天線與接收臺之間不存在任何可能影響電波傳播的物體，電波是以直射線的方式到達(dá)移動臺的。自由空間模型計算路徑損耗的公式是：其中Lp是以dB為單位的路徑損耗，d是以公里為單位的移動臺與基站之間的距離，f是以MHz為單位的移動工作頻點或工作頻段的頻率?？諝獾奶匦钥山茷檎婵眨虼水?dāng)發(fā)射天線與移動臺距離地面都較高時，可以近似使用自由空間模型來估計路徑損耗。2) 布靈頓模型布靈頓模型假設(shè)發(fā)射天線和移動臺之間的地面是理想平面大地，并且兩者之間的距離d遠(yuǎn)大于發(fā)射天線的高度ht，或移動臺的高度hr，此時的路徑

6、損耗計算公式為：其中距離d的單位是公里，天線高度ht及hr的單位是米，路徑損耗Lp的單位是dB。3) EgLi模型前述的自由空間模型及布靈頓模型都是基于理論分析得出的計算公式。EgLi公式則是從大量實測結(jié)果中歸納出來的中值預(yù)測公式，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其計算式為：其中路徑損耗Lp的單位是dB，距離d的單位是公里，天線高度ht及hr的單位是米，工作頻率f的單位是MHz，地形修正因子G的單位是dB。G反應(yīng)了地形因素對路徑損耗的影響。EgLi模型認(rèn)為路徑損耗同接收點的地形起伏程度h有關(guān)，地形起伏越大，則路徑損耗也越大。當(dāng)h用米來測量時，可按下式近似的估計地形的影響：若將移動臺的經(jīng)典高度值hr=1.5m代入

7、EgLi模型則有：4) Hata-Okumura模型Hata-Okumura模型也是根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型。當(dāng)移動臺的高度為典型值hr=1.5m時，按Hata-Okumura模型計算路徑損耗的公式為：市區(qū)內(nèi)的Hata模型為：簡化后為：3. 陰影衰落在無線信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物體對電波的遮擋。在測量過程中，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，這樣就會觀察到衰落現(xiàn)象。由于這種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，移動臺被建筑物所遮擋，它收到的信號是各種繞射反射，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

8、收到的信號功率有可能相差很大，理論和測試表明，對任意的d 值，特定位置的接受功率為隨機(jī)對數(shù)正態(tài)分布即：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，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：應(yīng)用于陰影衰落時，上式中的表示某一次測量得到的接收功率，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，大氣變化也會導(dǎo)致

9、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，下雨時，即使在同一個地點上，也會觀察到路徑損耗的變化。但在測量的無線信道中，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。（dB）頻率（MHz）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形 （米）城市郊區(qū)501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821表2.1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于研究室內(nèi)無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)的中值電場強(qiáng)度和室外附近街道上中值電場強(qiáng)度dB

10、 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)場強(qiáng)一定小于室外的場強(qiáng)，造成傳輸損耗。室外至室內(nèi)建筑物的穿透損耗定義為：室外測量的信號平均場強(qiáng)減去同一位置室內(nèi)測量的信號平均場強(qiáng)。用公式表示為：是穿透損耗，單位是dB；是在室內(nèi)所測的每一點的功率，單位是，共個點；是在室外所測的每一點的功率，單位是，共個點。三、 實驗內(nèi)容利用DS1131 場強(qiáng)儀，實地測量信號場強(qiáng)。1) 研究具體現(xiàn)實環(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，測試值與模型預(yù)測值的預(yù)測誤差如何。 四、實驗步

11、驟1實驗對象的選擇根據(jù)實驗的要求，經(jīng)過組內(nèi)討論，我們決定對教四的周邊室外信號進(jìn)行測量觀察。在選擇頻率時，我們選擇了調(diào)頻臺97.40MHZ 的頻段，因為此信號強(qiáng)度較好，且有一定的起伏變化，因此很適合本次實驗的測量工作。2 數(shù)據(jù)采集利用場強(qiáng)測量儀DS1131對無線信號的功率值進(jìn)行測量，在97.40MHz的頻率下，波長約為3.08m，我們每走一大步（約0.7m）讀一次數(shù)并進(jìn)行記錄。在測量建筑物外的信號強(qiáng)度時，采用圍繞該建筑物一周的測量方法。測量地點：（1）教四東南角至教四東北角（教一與教四間隔路，靠近教四一側(cè)路邊）（2）教四東北角至教四西北角（學(xué)一、二與教四間隔路，路中間測試）（3）教四西北角至教四

12、西南角（郵政儲蓄與教四間隔路，路中間測試）（4）教四西南角至教四東北角（臨教四路中間）天氣情況：陰 氣溫：16°C頻點選擇：97.40MHZ實驗路線圖示：3 數(shù)據(jù)處理將采集到的數(shù)據(jù)錄入excel表格中，再用matlab r2012a對數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的處理以便得到明確的結(jié)論。下圖所示為數(shù)據(jù)處理的流程圖。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)整理和錄入Matlab處理數(shù)據(jù)場強(qiáng)概率統(tǒng)計和空間分布統(tǒng)計分析、作圖實驗結(jié)論五程序代碼clear all;close all;%-讀取文件-%es2en=xlsread('data.xls','es2en');en2wn=xlsread('

13、data.xls','en2wn');wn2ws=xlsread('data.xls','wn2ws');ws2es=xlsread('data.xls','ws2es');%-轉(zhuǎn)換成矩陣-%es2en2=reshape(es2en,1,90);en2wn2=reshape(en2wn,1,160);wn2ws2=reshape(wn2ws,1,80);ws2es2=reshape(ws2es,1,200);%total2=reshape(total,1,346);%-為畫平面場強(qiáng)圖作準(zhǔn)備-%es2en3=

14、es2en2,zeros(1,90),1:90;es2en3=reshape(es2en3,90,3);en2wn3=en2wn2,zeros(1,160),1:160;en2wn3=reshape(en2wn3,160,3);wn2ws3=wn2ws2,zeros(1,80),1:80;wn2ws3=reshape(wn2ws3,80,3);ws2es3=ws2es2,zeros(1,200),1:200;ws2es3=reshape(ws2es3,200,3);%-教四東南角至教四東北角-%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(es2en2);%畫柱狀圖axis

15、(40,80,0,30);grid on;str='教四東南角至教四東北角' '信號電平概率分布' title(str);xlabel('電平值(-dBmw)');ylabel('樣本數(shù)量(個)');legend('實際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(es2en2)%畫累積概率分布圖axis(40,80,0,1);hold on;es2enmean=num2str(s1.mean);es2enstd=num2str(s1.std);te

16、xt(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,'標(biāo)準(zhǔn)差= ',num2str(s1.std);title(' 對應(yīng)累積概率分布');figure(12)surf(es2en3');%畫衰落強(qiáng)度圖title('教

17、四東南角至教四東北角信號電平分布圖');xlabel('東南角->東北角');axis(1,90,1,2);caxis(40 80);colorbar('horiz');%-教四東北角至教四西北角-%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(en2wn2);axis(40,80,0,20);grid on;title('教四東北角至教四西北角信號電平概率分布');xlabel('電平值(-dBmw)');ylabel('樣本數(shù)量(個)');legend('實際樣本分布&

18、#39;,'理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(en2wn2)axis(40,80,0,1);hold on;en2wnmean=num2str(s1.mean);en2wnstd=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= '

19、;,num2str(s1.median);text(56,0.03,'標(biāo)準(zhǔn)差= ',num2str(s1.std);title(' 對應(yīng)累積概率分布');figure(22)surf(en2wn3');title('教四東北角至教四西北角信號電平分布圖');xlabel('東北角->西北角');axis(1,160,1,2);caxis(40 80);colorbar('horiz');%-教四西北角至教四西南角-%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(wn2ws2);ax

20、is(40,80,0,30);grid on;str='教四西北角至教四西南角' '信號電平概率分布' title(str);xlabel('電平值(-dBmw)');ylabel('樣本數(shù)量(個)');legend('實際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(wn2ws2)axis(40,80,0,1);hold on;wn2wsmean=num2str(s1.mean);wn2wsstd=num2str(s1.std);text(56,0

21、.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,'標(biāo)準(zhǔn)差= ',num2str(s1.std);title(' 對應(yīng)累積概率分布');figure(32)surf(wn2ws3');title('教四西北角至教四西南角信號電平

22、分布圖');xlabel('西北角->西南角');axis(1,80,1,2);caxis(40 80);colorbar('horiz');%-教四西南角至教四東北角-%figure(41)subplot(1,2,1);histfit(ws2es2);axis(40,80,0,20);grid on;title('教四西南角至教四東北角信號電平概率分布');xlabel('電平值(-dBmw)');ylabel('樣本數(shù)量(個)');legend('實際樣本分布','理想概率

23、分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(ws2es2)axis(40,80,0,1);hold on;ws2esmean=num2str(s1.mean);ws2esstd=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.m

24、edian);text(56,0.03,'標(biāo)準(zhǔn)差= ',num2str(s1.std);title(' 對應(yīng)累積概率分布');figure(42)surf(ws2es3');title('教四西南角至教四東北角信號電平分布圖');xlabel('西南角->東北角');axis(1,200,1,2);caxis(40 80);colorbar('horiz');六實驗結(jié)果分析1）教四東南角至教四東北角2）教四東北角至教四西北角3）教四西北角至教四西南角4）教四西南角至教四東北角八實驗心得：通過這次實驗豐

25、富了我的實踐經(jīng)驗，第一次接觸到場強(qiáng)儀，它的外形很像“大哥大”，讓人一上來容易誤會它是一個手機(jī)那樣功能的儀器，其實后來了解到它更像是一個收音機(jī)，不過它的科學(xué)測量功能還是收音機(jī)無法比擬的，功能異常強(qiáng)大。首先根據(jù)實驗手冊了解了一下基本操作，可通過場強(qiáng)儀接收電臺的信號，也讓我們的實驗增添了趣味性。我們選擇了教四作為我們的測量地點，測量調(diào)頻臺信號功率，同寢室的另一組則測量的是教四附近的電視圖像信號功率，希望能產(chǎn)生一定的對比效果，雖然最終這個目的并沒有達(dá)成。這次實驗是在北郵校園內(nèi)測量場強(qiáng)，內(nèi)容上是很貼近我們?nèi)粘Ｉ畹?，因此實驗的興趣也比較大。雖然在地點選擇、路線選擇上已經(jīng)進(jìn)行了思考與準(zhǔn)備，但實驗過程中還是

26、遇到了一些困難，比如電平值的跳動太大，很難進(jìn)行準(zhǔn)確的讀數(shù)，一些人為的干擾（小轎車的通過等），所以我們也通過實驗學(xué)會了如何解決這些問題。在實驗數(shù)據(jù)的整理上，由于本次實驗測量的數(shù)據(jù)較多，因此無論是在測量的時候，還是在數(shù)據(jù)錄入excel中的時候，都是需要一定的耐心的。實驗前我們了解了電磁波在空間中反射，繞射和散射的三種傳輸模式。在實驗中又較為直觀地對無線信道中的陰影衰落、路徑損耗和建筑物穿透損耗的概念有了一定的認(rèn)識，為數(shù)據(jù)的測量和分析打下了理論基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理讓我們再次鍛煉了用matlab編程處理數(shù)據(jù)的能力，復(fù)習(xí)了matlab的用法，同時還學(xué)會了一些新的用法，例如導(dǎo)入excel數(shù)據(jù)表等。總體來說，在實

27、驗過程中，團(tuán)隊的協(xié)作努力，共同探討共同鉆研，讓我們感覺受益良多。附錄：實驗數(shù)據(jù)表教四東南角至教四東北角51.950.752.360.151.44950.860.256.263.452.249.452.856.255.662.364.162.265.659.757.463.355.351.650.953.455.156.960.555.252.951.952.355.661.952.651.854.864.763.363.958.656.855.458.454.660.159.259.558.555.953.555.467.454.549.948.951.66254.451.250.653.45

28、5.957.356.955.5605856.655.954.455.562.358.453.552.553.656.86362.459.560.158.560.365.554.952.65760.8教四東北角至教四西北角67.557.448.947.550.565.755.454.456.856.756.765.556.55357.758.651.553.259.552.150.655.4565456.860.259.455.657.654.456.260.4515158.64846.450.756.249.552.165.55558.651.751.759.356.256.85754.451

29、.250.5525355.263.252.251.156.753.460.47062.566.156.956.86659.458.760.261.766.26256.754.655.75961.85560.455.654.453.6556165.259.459.756.854.253.655.454.751.850.249.849.449.549.751.752.251.954.659.357.355.454.655.85857.855.254.856.458.459.760.259.25857.757.35655.355.557.26062.359.656.356.858.462.761.559.660.462.561.96066.963.157.258.661.469.76459.257.55851.363.161.558.658.769.762.359.458.160.160.361.2教四西北角至教四西南角59.555.356.665.560.158.960.658.457.357.260.766.167.461.157.662.761.258.968.256.754.355.253.752.157.258.756.256.653.35