北郵場強(qiáng)儀試驗(yàn)報(bào)告

本文格式為Word版，下載可任意編輯——北郵場強(qiáng)儀試驗(yàn)報(bào)告電磁場與電磁波試驗(yàn)報(bào)告

班級：2023211119姓名：學(xué)號：姓名：學(xué)號：

時(shí)間：2023年5月3日

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

校園內(nèi)無線信號場強(qiáng)特性的研究

1.把握在移動(dòng)環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確測試方法；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.把握在室內(nèi)環(huán)境下場強(qiáng)的正確測試方法，理解建筑物穿透損耗的概念；4.通過實(shí)地測量，分析建筑物穿透損耗隨頻率的變化關(guān)系；5.研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關(guān)系。

二、試驗(yàn)內(nèi)容

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。對于接收者，只有處在發(fā)射信號的覆蓋區(qū)內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接收信號，此時(shí)，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)，接收精明敏度，建筑物的穿透損耗，同播，同頻干擾。(1)大尺度路徑損耗

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)射功率和平均接收功率之間的(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，平均接收信號功率隨距離對數(shù)衰減，這種模型已被廣泛地采用。對任意的傳播距離，大尺度平均路徑損耗表示式為：

PL(d)[dB]??PL(d0)??10nlg(d/d0)(5-1)即平均接收功率為：

P(d)?dBm???P??dBm???PL(d0)??10nlog(d/d0)??P(d0)?dBm???10nlog(d/d0)（5-2）

其中，n為路徑損耗指數(shù)，說明路徑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)(T-R)之間的距離。公式(5-1)和(5-2)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(shí)，平均路徑損耗或平均接收功率可表示為斜率10ndB/10倍程的直線。n值取決于特定的傳播環(huán)境。例如在自由空間，n為2，當(dāng)有阻擋物時(shí)，n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它還與接收點(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)測數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個(gè)數(shù)值(對于正態(tài)分布中值就是均值)。人們根據(jù)不同的地形地貌條件，歸納總結(jié)出各種電波傳播模型。常見的電波傳播模型有：1)自由空間模型

自由空間模型假定發(fā)射天線和接收臺(tái)都處在自由空間。自由空間一是指真空，二是指發(fā)射天線與接收臺(tái)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(dòng)臺(tái)的。自由空間模型計(jì)算路徑損耗的公式是：

Lp??32.4??20Lgd??20Lgf（5-3）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(dòng)臺(tái)與基站之間的距離，f是以MHz為單位的移動(dòng)工作頻點(diǎn)或工作頻段的頻率。

空氣的特性可近似為真空，因此當(dāng)發(fā)射天線與移動(dòng)臺(tái)距離地面都較高時(shí)，可以近似使用自由空間模型來估計(jì)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(dòng)臺(tái)之間的地面時(shí)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(dòng)臺(tái)的高度hr，此時(shí)的路徑損耗計(jì)算公式為：

Lp??120??40Lgd??20Lgt??20Lghr（5-4）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。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般把接收機(jī)高度按典型值hr=1.5m處理，這時(shí)的路徑損耗計(jì)算公式為：

Lp??116.5??40Lgd??20Lght（5-5）按自由空間模型計(jì)算時(shí)，距離增加一倍時(shí)對應(yīng)的路勁損耗增加6dB；按布靈頓模型計(jì)算時(shí)，距離增加一倍時(shí)對應(yīng)的路徑損耗要增加12dB。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(jì)算公式。EgLi模型則是從大量實(shí)測結(jié)果中歸納出來的中值預(yù)計(jì)公式，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其?jì)算式為：

Lp8840Lgd20Lght20Lghr20LgfG（5-6）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(diǎn)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用來測量時(shí)，可按下式近似的估計(jì)地形的影響：若將移動(dòng)臺(tái)的典型高度值hr=1.5m代入EgLi模型，則有：

Lp??84.5??40Lgd??20Lght??20Lgf??G（5-8）4)Hata-Okumura模型

Hata-Okumura模型也是依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立的模型，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的高度為典型值hr=1.5m時(shí)，按Hata-Okumura模型計(jì)算路徑損耗的公式為：

市區(qū)：Lp1??69.55??26.2Lgf??13.82Lght??(44.9??6.55Lght)Lgd（5-9）開闊地：Lp2??Lp1?4.78?Lgf????18.33Lgf??40.94（5-10）一般狀況下，開闊地的路徑損耗一般都比市區(qū)小。(2)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狀況不同，因此接收功率也不同，這樣就會(huì)觀測到衰落現(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〞。在陰影衰落的狀況下，移動(dòng)臺(tái)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，在距基站距離一致的地方，由于陰影效應(yīng)的不同，它們收到的信號功率有可能相差很大，理論和測試說明，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：

Pr(d)[dBm]??Pr(d)[dBm]??X????Pr(do)[dBm]??10nlog(d/do)??X???（5-11）其中，X

為0均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位為dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差為，單位也是dB。對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有一致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便利地分析陰影的隨機(jī)效應(yīng)。正態(tài)(Normal)分布，也叫高斯(Gaussian)分布，它的概率密度函數(shù)是：

應(yīng)用于陰影衰落時(shí)，上式中的x表示某一次測量得到的接收功率，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。譬如一天中的白天，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)觀測到路徑損耗的變化。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。表5-1列出了陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差，其中的s(dB)是陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。(3)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：

P是穿透損耗，單位dB，Pj是在室內(nèi)所測每一點(diǎn)的功率，單位dBm，共M個(gè)點(diǎn)，Pi是在室外所測的每一點(diǎn)的功率單位是dBm，共N個(gè)點(diǎn)。三、試驗(yàn)設(shè)備四、試驗(yàn)內(nèi)容

DS1131場強(qiáng)儀、拉桿天線

利用DS1131場強(qiáng)儀，實(shí)地測量信號場強(qiáng)。

1)研究具表達(dá)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，測試值與模型預(yù)計(jì)值的預(yù)計(jì)誤差如何。

3)研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。

五、試驗(yàn)步驟

1.選擇試驗(yàn)對象經(jīng)過探討我們決定做電磁波建筑物穿透損耗的測量，試驗(yàn)頻率選為97.4MHz，即北京音樂廣播；試驗(yàn)地點(diǎn)選為教二。下圖為教二樓外景平面圖及俯視圖：

由圖可知，教二為工字型結(jié)構(gòu)，外側(cè)為矩形道路，西側(cè)為十層建筑教三，東側(cè)是兩側(cè)建筑網(wǎng)絡(luò)中心，南側(cè)為四層建筑家屬樓，北側(cè)是音樂廣場及主樓，但是由于周邊建筑和教二樓相距較遠(yuǎn)，對試驗(yàn)結(jié)果的影響不大，因此教二很適合作為測量電磁波的穿透損耗的試驗(yàn)地點(diǎn)。2．實(shí)地測量利用場強(qiáng)儀DS1131測量教二樓室外及各樓層無線信號的強(qiáng)度，單位dBm，每隔半個(gè)波長記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按測量地點(diǎn)分類，每個(gè)地點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)至少大于50個(gè)，并且記錄測量地點(diǎn)。

我們在教二樓室外，沿箭頭方向走一圈進(jìn)行測量，每步長（約60cm）測量一個(gè)數(shù)據(jù)，測量方向如下圖所示：

我們在室內(nèi)1-5樓層沿從東向西的方向測量信號強(qiáng)度。但是由于周末時(shí)間一層西半側(cè)以及三層?xùn)|半側(cè)不開放，故未能測得這兩個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)。樓梯樓梯樓梯

3．?dāng)?shù)據(jù)錄入

將測量數(shù)據(jù)填入excel表格，每個(gè)方向或每層樓的數(shù)據(jù)作為一列，列名為測量地點(diǎn)，數(shù)據(jù)記錄為信號電平值，單位是dBm，狀態(tài)用不同顏色或熒光筆標(biāo)記標(biāo)出以便于將來篩選分類數(shù)據(jù)。其中，室內(nèi)藍(lán)色表示教二兩頭凸出部分的數(shù)據(jù)，紅色表示在教二中間樓梯的位置；室外字體用黃色標(biāo)出表示北側(cè)兩頭凸出部分樓底數(shù)據(jù)，黑色字體表示測量數(shù)據(jù)附近沒有明顯環(huán)境特征。部分?jǐn)?shù)據(jù)及圖例如下：

4．?dāng)?shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理我們使用MATLAB軟件，對各個(gè)樓層以及室外四個(gè)方向分別編程處理，計(jì)算其均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并且畫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，得出室內(nèi)室外陰影衰落的分布規(guī)律，依照上述公式計(jì)算建筑物的穿透損耗。

六、MATLAB代碼

信號強(qiáng)度值的概率分布

south=xlsread('data.xls','south');south1=reshape(south,1,78);subplot(1,2,1);histfit(south1);

axis([-80,-40,0,30]);gridon;

title('教二南側(cè)電平分布');

xlabel('電平值x/dBmW');ylabel('樣本數(shù)量y/個(gè)');

legend('實(shí)際樣本分布','統(tǒng)計(jì)曲線');subplot(1,2,2);

[h_south,states_south]=cdfplot(south1);axis([-80,-30,0,1]);

text(60,0.3,['最小值=',num2str(states_south.min),'dBmW']);text(60,0.24,['最大值=',num2str(states_south.max),'dBmW']);text(60,0.18,['均值=',num2str(states_south.mean),'dBmW']);text(60,0.12,['中值=',num2str(states_south.median),'dBmW']);text(57,0.06,['標(biāo)準(zhǔn)差=',num2str(states_south.std)]);title('累積概率分布');

信號強(qiáng)度隨位置的變化

south=xlsread('data.xls','south');south1=reshape(south,1,78);

south2=[south1,zeros(1,78),[1:78]];south3=reshape(south2,78,3);surf(south3');

title('教二南側(cè)從西向東電平分布圖');xlabel('西>東');axis([1,78,1,2]);caxis([-80,-20]);colorbar('horiz');

由于各組數(shù)據(jù)處理方式一致，所以僅列出上述兩組代碼，

七、數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

室外：

1.教二樓北側(cè)

教二北側(cè)電平分布和累積概率分布如上圖所示，教二樓北側(cè)地形較為空曠，僅有一些樹木可能影響較大，如上圖藍(lán)色部分。由圖可知，電平分布基本聽從正態(tài)分布，最小值為-71dBm，最大值為-48dBm，均值為56.9024dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.2298，信號大部分在-50——-60dBm之間，信號強(qiáng)度較好。

2.教二樓西側(cè)

教二樓西側(cè)為主干道，主干道西側(cè)為教三，同時(shí)有一些樹木和廣告牌可能會(huì)產(chǎn)生影響。由圖可知，電平分布基本聽從正態(tài)分布，電平值大部分在-60dBm左右，最大值為-51dBm，最小值為-70dBm，均值為-59.1522dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.9831。相對北側(cè)，西側(cè)電平值較小，可見高大建筑會(huì)對信號強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3．教二樓南側(cè)

教二樓南側(cè)地形也較為空曠，但是有一些高大松樹可能會(huì)產(chǎn)生影響。由圖可知，電平分布相對比較集中，絕大部分在-50—-60dBm之間，相對平穩(wěn)。最小值為-66dBm，最大值為-48dBm，均值為-55.8608dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.1563。

4.教二樓東側(cè)

教二樓東側(cè)為小灰樓，兩樓中間的道路近似為胡同。由圖可知，由于近處建筑影響，電平分布與正態(tài)分布有一些區(qū)別，低電平相對其他三側(cè)較多。最大值為-53dBm，最小值為-68dBm，均值為-60.1163dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.9594.

室內(nèi)：

教二樓一層（東樓梯到中樓梯）：

東樓梯處為工字型結(jié)構(gòu)兩側(cè)凸出部分，中間為樓道，環(huán)境變化不大。由圖可知，電平值基本聽從正態(tài)分布，最大值為-61dBm，最小值為-79dBm，均值69.381dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.0855。顯而易見，室內(nèi)信號強(qiáng)度明顯低于室外的信號強(qiáng)度。雖然由于客觀原因一層只能測量東半部分信號強(qiáng)度，但是由于除了東側(cè)和西側(cè)環(huán)境有區(qū)別外其他區(qū)別不大，因此對于分布規(guī)律的影響可以忽略。

2.教二樓二層

教二樓二層?xùn)|側(cè)、西側(cè)以及中間為樓梯，中間為樓道。由圖可知，電平分布與正態(tài)分布擬合較好，最大值為-50dBm，最小值為-79dBm，均值為-61.5859dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.37。由標(biāo)準(zhǔn)差和電平物理分布可知電平變化較大，原由于有一些門窗會(huì)對信號強(qiáng)度產(chǎn)生影響，致使部分地點(diǎn)電平增大。

3.教二樓三層

同樣，教三樓由于東側(cè)不開放，所以只能測得西半部分的數(shù)據(jù)。電平值各個(gè)階段區(qū)別不大，與正態(tài)分布有區(qū)別。最大值為-46dBm，最小值為-68dBm，均值為-55.3538dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.1703。與二樓類似，電平分布變化較大。

4.教二四層

由圖可知，電平分布類似于正太分布，但是出現(xiàn)了雙峰，分析原由于門窗和墻壁交替出現(xiàn)，導(dǎo)致兩個(gè)數(shù)據(jù)較多。最大值為-41dBm，最小值為-67dBm，均值為-54.9826dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.5075。同樣，電平變化較大，中間樓梯處出現(xiàn)密集強(qiáng)電平，說明環(huán)境變化大，影響明顯。

5.教二五層

教二五樓長度較短，兩側(cè)為天臺(tái)，中間為樓梯，我們只測量了室內(nèi)部分。由圖可知，電平滿足正態(tài)分布。從電平從東向西分布可看出電平變化也較為明顯，但是由于數(shù)據(jù)較少，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差較小。

穿透損耗：

室外電磁波強(qiáng)度均值：

室內(nèi)一層電磁波強(qiáng)度均值：

穿透損耗為：

（-57.5400dBm）-（-69.3810dBm）

=11.8410dB

-69.381dBm=-58.0079dBm

八、試驗(yàn)結(jié)論

電磁波穿過墻壁會(huì)有一定損耗，教二樓的穿透損耗為11.3731dB。同時(shí)，教二樓室內(nèi)一樓電平均值為-68.381dBm，二樓電平均值為-61.5859dBm，三樓電平均值為-55.3538dBm，四樓電平均值為-54.9826dBm，五樓電平均值為-51.3542dBm，由以上數(shù)據(jù)可知，隨著樓層升高，電磁波強(qiáng)度加強(qiáng)。

另外一組同學(xué)陳德肯和蘇衛(wèi)泉測量高頻687MHz，教二樓穿透損耗14.68dB。由此可見，頻率低的電磁波穿透損耗小。

電磁波波長λ=C/fC是光速λ是波長f是電磁波頻率所以：頻率越低，波長越長，繞射能力越強(qiáng)；頻率越高，波長越短，繞射能力越差。電磁波能量E=hv，E是能量，h是普朗克常數(shù)，v是頻率。所以頻率越高電磁波的能量就越強(qiáng)，穿透能力越強(qiáng)，與物質(zhì)發(fā)生作用的機(jī)遇就越多，穿透的時(shí)候損耗就越大頻率越低電磁波的能量就越弱，穿透能力越弱，與物質(zhì)發(fā)生作用的機(jī)遇就越少，穿透的時(shí)候損耗就越小。

九、試驗(yàn)分工

吳禹博：實(shí)地測量、MATLAB處理

孫進(jìn)考：實(shí)地測量、數(shù)據(jù)錄入、結(jié)果分析、試驗(yàn)報(bào)告

十、試驗(yàn)心得

本次試驗(yàn)是第一次進(jìn)行實(shí)地測量試驗(yàn)，與平日在試驗(yàn)室對照試驗(yàn)教程不同，我們要自己進(jìn)行試驗(yàn)對象的確定，規(guī)劃試驗(yàn)方式。我們在進(jìn)行試驗(yàn)之前認(rèn)真選擇了試驗(yàn)對象，確定了我們的試驗(yàn)課題，思考了我們需要測量的數(shù)據(jù)以及初步的數(shù)

據(jù)處理方法，查閱了陰影衰落和穿透損耗的相關(guān)資料?？梢哉f我們試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作比較充足。

做試驗(yàn)測量時(shí)發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不是走幾步記錄一個(gè)數(shù)據(jù)這么簡單，我們需要依照事先規(guī)定的測量路線，并