北邮电磁场实验报告

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1、校园内无线信号场强特性的研究目录一实验目的：2二实验原理：21大尺度路径损耗 22阴影衰落 33建筑物的穿透损耗的定义 4三实验内容：5四实验步骤：51实验对象的选择 52数据采集 53实验数据 64数据处理 7五程序代码：8六实验结果分析11七数据分析：171实验结果： 172结果分析： 19八实验心得：20九参考资料：22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. 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律。3. 掌握在室内环境下的场强的正确测试方法 ， 理解建筑物穿透损耗概念。4. 通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系。5. 研究建筑物穿透损耗与建筑

2、材料的关系。二实验原理：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。对于接收者，只有处在 发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接收信号， 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。1大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收 功率之间的 d

3、B 差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离对数衰 减，这种模型已被广泛地采用。对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示式为：PL(d)dB=PL(d0)+10nlog(d/d0)即平均接收功率为：Pr(d)dBm=PtdBm-PL(d0)-10nlog(d/d0)=Pr(d0)dBm-10nlog(d/d0)其中，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（T-R）之间的距离。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表示为斜率10ndB/10倍程的直线。n值

4、取决于特定的传播环境。 决定路径损耗大小的首要因素是距离， 此外，它还与接收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。中值是使实测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）。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型：（ 1 ）自由空间模型（ 2）双径模型（ 3 ） Hata 模型（ 4） Hat-cost231 模型（ 5 ） Okumura 模型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。由于这种原因造成

5、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：Pr（d）dBm=Pr（d）dBm+X。= Pr（d0）dBm-10nlog（d/do）+ X。其中，X。为0均值的高斯分布随机变量，单位为dB,标准偏差为。，单位也是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

6、高斯分布，它的概率密度函数是：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，b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。F面是阴影衰落分布的标准差，其中b s (dB)是阴影效应的标准差。b s (dB)频率准平坦地形不规则地形A h(m)(MH

7、z)城市郊区501503001503.5-5.54-79111345067.51115189006.581418213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：1=1 = 1P是穿透损耗，单位是dB，P.是在室内所测的

8、每一点的功率，单位是dBp v,共M个点，Pi是在室外J1所测的每一点的功率，单位是dB# v,共N个点。三实验内容：利用 DS1131 场强仪，实地测量信号场强（1）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。（2）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。（3）研究建筑物穿透损耗的变化规律。四实验步骤：1实验对象的选择在实验课上老师讲解时，要求我们对室内信号或者室外信号进行测量。经过我们组内协商，决定对教一的周边室外信号进行测量。在选择频率时，我们选择了CHANNEL2的109.75MHZ的频段，由于此信号强度较好，且有起伏变化，并且能

9、听到channel的频道伴音，因此很适合本次实验的测量工作。2数据采集利用场强测量仪DS1131对无线信号的功率值进行测量，在190.75MHZ的频率下，半波长为0.78m,每 走一大步读一次数并进行记录。我们测量共测量的六组数据进行分析比较，分别是 教一与主楼，靠近与远 离教一分别测了两组，教一与图书馆，靠近与远离教一分别测了两组，教一与体育馆之间，教一与教四之 间。在测量建筑物外的信号强度时，采用围绕该建筑物一周的测量方法。测量地点： （1）教一与主楼，靠近教一侧（2）教一与主楼，远离教一侧（3）教一与图书馆，靠近教一侧（4）教一与图书馆，远离教一侧（5）教一与体育馆之间（6）教一与教四之

10、间天气情况：微风频点选择：190.75MHZ3实验数据数据 1 教一与主楼之间道路（教一内侧）60.370.261.25855.255.36357.9635954.36057.155.561.95557.86255695359.763.358.258.256.657.964.855.860.856.459.363.465.672.668.763.864.562.15961.166.763.76562.666.863.965.763.86865.372.255.865.45862.959.857.262.958.361.369.46563.365.356.86053.360.263.760.35

11、8.960.361.159.570.362.774.459.564.465.76465.76466.669.764.659.16970.56060.567.760.960.757.262.4数据 2：教一与体育馆之间道路6073.856.261.564.367.8686069.157.96264.958595655.66273.258.257.660.564.861.460.368.258.556.457.464.563.658.560.361.563.864.662.559.36755.259.761.458.558.556.254.656.654.45855.95756.257.358.2

12、56.1数据 3：教一与图书馆之间道路（教一内侧）63.860.856.763.160.761.560.959.87168.860.368.460.266.76868.256.859.462.164.460.673.26061.963.466.759.460.662.96469.259.659.360.968.260.27067.96961.461.86363.57059.258.25872.862.667.362.765.767.264.265.769.172.366.66563.861.960.265.167.460.859.26258.961.259.857.655.964.658.96

13、1.955.863.967.653.862.657.856.152.453.86557.754.961.264.757.968.861.860.37274.25868.959.569.265.558.265.363.165.763.758.557.96157.358.3数据 4：教一与教四之间道路60.361.860.560.864.665.565.368.561.762.363.972.568.862.667.463.964.961.863.267.765.766.351.560.558.862.761.556.654.558.951.356.863.560.655.668.957.354.

14、962.56460.759.971.471.2数据 5：教一与主楼之间道路（教一外侧）56.763.261.761.661.862.357.955.859.868.561.559.563.259.959.857.857.158.856.652.355.757.166.566.658.863.561.567.758.564.652.861.659.95653.763.36255.569.360.861.766.66362.559.757.757.26868.862.36558.665.865.760.763.459.259.86259.86264.561.770.968.562.364.662.

15、667.660.564.661.962.36367.558.87371.360.161.259.758.662.957.960.155.560.960.362.766.36264.861.861.359.363.264.169.965.566.560.970.164.759.662.774.969.258.170.268.661.86462.964.562.363.261.663.966.864.161.668.661.86462.964.562.363.261.663.966.864.165.259.959.860.358.364.653.265.756.662.354.563.7数据 6：

16、教一与图书馆之间道路（教一外侧）58.660.960.360.965.859.162.164.962.657.367.859.262.359.971.865.660.256.258.56867.260.364.262.557.558.960.767.660.562.857.658.561.65965.359.268.557.363.760.254.557.753.158.257.757.958.257.757.958.26257.654.954.953.653.757.262.959.656.761.257.260.560.358.86972.569.460.257.152.253.560.6

17、53.860.972.756.269.250.356.956.856.356.256.357.34数据处理实验时测量的数据比较多，因此在处理时采用MATLAB R2010A软件进行处理，具体数据处理流程如下：clear all;close all;%读取文件%w2e=xlsread(data.xls,w2e);s2n=xlsread(data.xls,s2n);e2w=xlsread(data.xls,e2w);n2s=xlsread(data.xls,n2s);w2eout=xlsread(data.xls,w2e out);e2wout=xlsread(data.xls,e2w out);

18、%total=xlsread(data.xls,total);%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,97);s2n2=reshape(s2n,1,54);e2w2=reshape(e2w,1,110);n2s2=reshape(n2s,1,44); w2eout2=reshape(w2eout,1,133);e2wout2=reshape(e2wout,1,85);%total2=reshape(total,1,346);%为画平面场强图作准备%w2e3=w2e2,zeros(1,97),1:97;w2e3=reshape(w2e3,97,3); s2n3=s2n2,zeros(

19、1,54),1:54; s2n3=reshape(s2n3,54,3); e2w3=e2w2,zeros(1,110),1:110; e2w3=reshape(e2w3,110,3); n2s3=n2s2,zeros(1,44),1:44; n2s3=reshape(n2s3,44,3); w2eout3=w2eout2,zeros(1,133),1:133; w2eout3=reshape(w2eout3,133,3); e2wout3=e2wout2,zeros(1,85),1:85; e2wout3=reshape(e2wout3,85,3);%教一与主楼之间道路(教一内侧)%figur

20、e(11) subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 画柱状图axis(40,80,0,30);grid on;str=教一与主楼之间道路(教一内侧)； 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);hl,sl = cdfplot(w2e2)%画累积概率分布图 axis(40,80,0,1);hold on;w2emean=num2str(sl.mean); w2estd=num2str(sl.std);text(56,0.23,最小值=

21、,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,标准差=,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布);figure(12)surf(w2e3);%画衰落强度图 title(教一与主楼之间道路(教一内侧)信号 电平分布图);xlabel();ylabel();axis(1,97,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);% 教

22、 一 与 体 育 馆 之 间 道 路%figure(21) subplot(1,2,1);histfit(s2n2);axis(40,80,0,20);grid on;title(教一与体育馆之间道路信号电平概率 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);h1,s1 = cdfplot(s2n2) axis(40,80,0,1);hold on;s2nmean=num2str(s1.mean); s2nstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值=,num2

23、str(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,标准差=,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布);figure(22)surf(s2n3);title(教一与体育馆之间道路信号电平分布 图);xlabel();ylabel();axis(1,54,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%教一与图书馆之间道路(教一内侧) %figu

24、re(31)subplot(1,2,1);histfit(e2w2);axis(40,80,0,30);grid on;str=教一与图书馆之间道路(教一内侧); 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(e2w2) axis(40,80,0,1);hold on;e2wmean=num2str(s1.mean);e2wstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值=,num2str(s1.mi

25、n);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,标准差=,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布);figure(32)surf(e2w3);title(教一与图书馆之间道路(教一内侧)信 号电平分布图);xlabel();ylabel();axis(1,110,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%教一与教四之间道路%figure(41) sub

26、plot(1,2,1);histfit(n2s2);axis(40,80,0,20);grid on;title(教一与教四之间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);h1,s1 = cdfplot(n2s2)axis(40,80,0,1);hold on;n2smean=num2str(s1.mean);n2sstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值=,num2str(sl.min); text(56,0.18,最大值=,num2st

27、r(s1.max);text(56,0.13,均值=,num2str(s1.mean);text(56,0.08,中值=,num2str(s1.median);text(56,0.03,标准差=,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布);figure(42)surf(n2s3);title(教一与教四之间道路信号电平分布图 );xlabel();ylabel();axis(1,44,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%教一与主楼之间道路(教一外侧)%figure(61) subplot(1,2,1);histfit(w2eout2);

28、axis(40,80,0,30);grid on;str=教一与主楼之间道路(教一外侧)； 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(w2eout2) axis(40,80,0,1);hold on; w2eoutmean=num2str(s1.mean); w2eoutstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值=,num2str(s1.min); text(56,0.18,最大值=,num

29、2str(s1.max);text(56,0.13,均值=,num2str(s1.mean);text(56,0.08,中值=,num2str(s1.median);text(56,0.03,标准差=,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布);figure(62)surf(w2eout3);title(教一与主楼之间道路(教一外侧)信号 电平分布图);xlabel();ylabel();axis(1,133,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%教一与图书馆之间道路(教一外侧)%figure(81) subplot(1,2,1);his

30、tfit(e2wout2);axis(40,80,0,30);grid on;str=教一与图书馆之间道路(教一外侧);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(e2wout2) axis(40,80,0,1);hold on;e2woutmean=num2str(s1.mean);e2woutstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,最小值=,num2str(sl.min); text(56,0

31、.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,标准差=,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布);figure(82)surf(e2wout3);title(教一与图书馆之间道路(教一外侧)信 号电平分布图);xlabel();ylabel();axis(1,85,1,2);caxis(40 80);colorbar(horiz);%显示各个均值和标准差%westV=w2emean,w2estdso

32、uthV=s2nmean,s2nstdeastV=e2wmean,e2wstdnorthV=n2smean,n2sstdplatformV=w2eoutmean, ,w2eoutstd BplatformV=e2woutmean, ,e2woutstd六实验结果分析实验处理结果：（ 1）教一与主楼，靠近教一侧EQ Figure 11File Edit View Insert Tools Desktop Window Help2龄罷籍诃电平值i-dBmw）对应累积概率井布2)教一与主楼，远离教一侧rR Figure 61CZI回File Edit View Insert Tools Deskto

33、p Window HelpD H B |怎丨紋礬|晏|口目|目叵对应累积概率分布电平值(-dBmw)3)教一与图书馆，靠近教一侧Figure 31，1=1回File Edit View Insert Tools Desktop Window Help勺D H B |怎丨紋礬|晏|口目|目叵教与團冀馨輕霹内卸(-)酬掠#啦电平值(-dBmw)对应累积概率分布4）教一与图书馆，远离教一侧5）教一与体育馆之间J Figure 21File Edit View Insert Tools Desktop Window Help h 罰紋&礬 |晏| n | 0607080(-)酬鬆#啦教一与体育管之间道

34、路信号电平概率分布1111111 J1 ,111 1ir iir il111|111J111J111I111|11i/J一_Ii一_.i一一It IIM4值=54.4 次直=73：8_ :值=60.5926i f标11=59.3 推差=4.56436）教一与教四之间rf Figure 41CZ1回File Edit View Insert Tools Desldop Window Help Q S 題近 B s 教一与教四之间道路信号电平概率分布12018实际样本分布理想概率分布线0.916:-： 0.814 -0.7(-)制舔底世506070电平值i-dBmw)40800.6拦0.5Ll0.

35、4r对应累积概率分布j0.3 -0.2 -0.1 -0 -40llI副卜值=.3 最天直=126 为：值=63545 中11= 62.4 标推差=4创1250607030七数据分析：1实验结果：累积概率（单位：-dbw）1）教一与主楼，靠近教一侧最小值： 52.3 最大值： 74.9 均值： 62.1857 标准差： 4.2132 中值： 622）教一与主楼，远离教一侧 最小值：53 最大值：74.4 均值：62.0361 标准差：4.613 中值：61.93）教一与图书馆，靠近教一侧最小值：52.4最大值：74.2均值：62.7864 标准差：4.6387 中值：61.954）教一与图书馆，

36、远离教一侧最小值：50.3最大值：72.7均值：60.1729标准差：59.2中值：4.72155）教一与体育馆之间最小值：54.4最大值：73.8均值：60.5926标准差：4.5643中值：59.56）教一与教四之间最小值：51.3最大值：72.6均值：62.3545标准差：4.9412中值：62.42结果分析：从局部上看，教一与主楼（内） 西部比东部的衰减大，因为西部有教三，教四比 较大的建筑阻拦。教一与体育馆之间的信号南部北部比南部的衰减大，因为南部有主楼 的阻拦教一与图书馆之间的信号的强度东西分布比较均匀明显教一与教四之间的信号强度北部比南部大，因为南部高的建筑楼比北部的多从同一条道

37、路上分析， 教一与图书馆之间，内侧比外侧信号强度稍微大一点，同样教一与主 楼之间也是内侧要大。从整个教一周围的统计分布看，基本上符合正态分布，累积概率分布 曲线很平滑，均值与中值基本吻合从每条道路整体上看，教一的南面和北面的均值均在-60db左右，西面的值在-60db以下， 东面的均值在-55db左右。这与地理因素有关。操场西面较近的有楼 三楼和教四楼这两个高层建筑，北面有接近北邮的高层住宅区，均有 较强的阴影衰落效应。而东面虽然是图书馆，但高度不是很高，其它 就就没什么建筑了，较近处没有特别高的建筑。六组信号的标准差都在-4.5DBw左右，因此与理论值吻合较好。八实验心得：本次实验初次接触场

38、强仪，首先根据实验手册了解了一下基本操作。可通过场强 仪接收电台的信号，也让我们的实验增添了趣味性。我们选择了教一作为我们的 测量地点，测量过程中由于没有考虑全面，在教一和体育馆之间取的数据过少， 而导致实验曲线与理想值有较大偏差，但在一些地形较为特殊的地方如教一与学 二交接道路的减速带附近取的点较多，则总体曲线更接近理想曲线。通过本次实 验，对阴影衰落有了直观上的了解，今后在实际问题中对于阴影衰落也能更肯定 的加进考虑的范围。实验后期对数据用MATLAB进行处理也让我们重温了并进 一步学习了通原软件实验中学习的MATLAB知识。总体来说，在实验过程中， 我们两个能相互帮助，充分发挥团队的最大

39、力量，感觉受益良多。校园内无线信号场强特性的研究是一个测量真实世界的验证性实验，结果无线通 信专业课上学习的内容，了解了在移动环境下的阴影衰减对信号的影响，对工程 方面有实用的价值。刚刚领到仪器时，感觉挺新鲜的，兴趣很浓，我和我的搭档， 就开始研究怎么用这个仪器去测量信号场强，中间遇到问题了，就和其它组的同 学一起讨论。这也是第一次测量数据如此多的实验，但懂得操作后就觉得挺简单 了。但是要静下心来一口气测上百的数据也还是很需要耐心的，而且数据出现时 还是闪烁着的，所以测量过程还是挺辛苦的，不过和搭档一起测量，可以相互交 换工作内容。处理数据时，主要由我的搭档完成，然后我们一起对数据进行处理。得到结论，然后对照各种模型，验证信号场强的特性。九参考资料：电磁场与电磁波焦其祥科学出版社MOBILE COMMUNICATIONS-Second Edition（影印版）Jochen Schiller高等教育出 版社凰鞘蠡H无线通信认 Lna g pr| . mA IVirilll, Sy无线通信原理与应用-第二版一Rappaport, T.S周文安等译一电子工业出版社