場強儀實驗報告

1、電磁場與電磁波實驗報告班級：*姓名：*學號：*姓名：*學號：*時間：2019年5月19日校園內(nèi)無線信號場強特性的研究一、 實驗目的1.掌握在移動環(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.掌握在室內(nèi)環(huán)境下場強的正確測試方法，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頻率的變化關系；5.研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關系。二、 實驗內(nèi)容無線通信系統(tǒng)是由發(fā)射機，發(fā)射天線，無線信道，接收機，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)，才能保證接收機正常接收信號，此時，電波場強大于等于接收機的靈敏度。因此，基站的覆蓋區(qū)的大

2、小，是無線工程師所關心的。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，天線架設高度，路徑損耗，衰落，接收機高度，人體效應，接收機靈敏度，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)射機與接收機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，n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速

3、度；d 0 為近地參考距離；d為發(fā)射機與接收機(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。坐標為對數(shù)-對數(shù)時，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值依賴于特定的傳播環(huán)境。例如在自由空間，n為2，當有阻擋物時，n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它還與接收點的電波傳播條件密切相關。為此，我們引進路徑損耗中值的概念。中值是使實測數(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)不同的地形地貌條件，歸納總結出各種電波傳播模型。常見的電波傳播模型1) 自由空間模型自由空間模型

4、假定發(fā)射天線和接收臺都處在自由空間。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。空氣的特性可近似為真空，因此當發(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發(fā)射天線和移動臺之間的地面時理想平面大地，并且兩者之間的距離d遠大于發(fā)射天線的高度ht或移動臺的高度hr，此時的路徑損耗計算公式為：其中距離d的單位是公里，

5、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)設計時一般把接收機高度按典型值hr=1.5m處理，這時的路徑損耗計算公式為：按自由空間模型計算時，距離增加一倍時對應的路勁損耗增加6dB；按布靈頓模型計算時，距離增加一倍時對應的路徑損耗要增加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算公式。EgLi模型則是從大量實測結果中歸納出來的中值預測公式，屬于經(jīng)驗模型，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反應了地形因素對路徑損耗的影響。Eg

6、Li 模型認為路徑損耗同接收點的地形起伏程度h有關，地形起伏越大，則路徑損耗也越大。當h測量時，可按下式近似的估計地形的影響：若將移動臺的典型高度值hr=1.5m代入EgLi模型則有：4) Hata-Okumura 模型Hata-Okumura模型也是依據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型，當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)：開闊地：一般情況下，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

7、。由于這種原因造成的衰落也叫“陰影效應”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，由于陰影效應的不同，它們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對數(shù)正態(tài)分布即：其中，X為0均值的高斯分布隨機變量，單位為dB，標準偏差為，單位也是dB。對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同 T-R 距離時，不同的隨機陰影效應。這樣利用高斯分布可以方便地分析陰影的隨機效應。正態(tài)(Normal)分布，也叫高斯(Gaussian)分布，它的概率密度函數(shù)是：應用于陰影衰落時，上式中

8、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,表示接收功率的標準差，單位是dB。陰影衰落的標準差同地形，建筑物類型，建筑物密度等有關，在市區(qū)的150MHz頻段其典型值是5dB。除了陰影效應外，大氣變化也會導致陰影衰落。比如一天中的白天，夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴時，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小的多。表 5-1 列出了陰影衰落分布的標準差，其中的s(dB)是陰影效應的標準差。(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，一般指

9、建筑物一樓內(nèi)的中值電場強度和室外附近街道上中值電場強度dB之差。發(fā)射機位于室外，接收機位于室內(nèi)，電波從室外進入到室內(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)場強一定小于室外的場強，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減去同一位置室內(nèi)測量的信號平均場強。用公式表示為：P是穿透損耗，單位dB， Pj是在室內(nèi)所測每一點的功率，單位dBv ，共M個點， Pi 是在室外所測的每一點的功率單位是dBv ，共N個點。三、 實驗設備 DS1131場強儀、拉桿天線四、 實驗內(nèi)容利用 DS1131 場強儀，實地測量信號場強。1) 研究具體現(xiàn)實環(huán)境下陰影衰落分布規(guī)

10、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，測試值與模型預測值的預測誤差如何。3) 研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。五、 實驗步驟1.選擇實驗對象經(jīng)過討論我們決定做電磁波建筑物陰影衰落的測量，試驗頻率選為100.6MHz，即北京新聞廣播；實驗地點選為繞綜合服務樓與學生活動中心的馬路。下圖為測量地點的平面圖：圖中紅色線為大致的測量路線，從圖中可以看出，該路線周圍環(huán)境復雜，在不同位置受到周圍建筑物遮擋情況不同，適合測量陰影衰落。2實地測量利用場強儀 DS1131 測量綜合服務樓與學生活動中心外側(cè)的無線信號的強度，單位dBmw，每隔半個波長（大約一步距離）記錄一個數(shù)

11、據(jù)，將數(shù)據(jù)按測量地點分類，每個地點測量的數(shù)據(jù)至少大于 50 個，并且記錄測量地點。我們在測量地點，沿箭頭方向走一圈進行測量，每步長測量一個數(shù)據(jù)，測量方向如下圖所示：3數(shù)據(jù)錄入北側(cè)從東到西西側(cè)從北到南南側(cè)從西到東東側(cè)從南到北44.60 46.00 50.20 40.90 45.50 47.70 53.60 41.80 44.40 48.30 56.10 42.60 43.90 54.40 53.20 44.40 43.20 50.30 51.40 46.70 48.60 51.80 50.40 47.60 53.90 47.20 53.20 47.90 48.70 56.40 53.50 45.

12、30 50.30 43.20 56.30 44.40 59.70 40.60 54.20 46.60 50.20 42.60 53.20 49.60 57.30 42.20 48.60 63.40 56.50 40.40 59.10 55.60 50.10 41.30 47.30 53.70 51.40 46.30 46.80 48.70 50.50 51.70 49.80 47.60 48.20 44.70 48.20 51.20 52.50 46.30 59.30 49.70 48.80 46.50 55.10 48.80 54.70 48.30 51.90 51.30 55.40 46.

13、90 52.30 46.70 49.30 46.00 58.70 44.20 48.50 47.20 51.00 41.40 54.70 45.70 48.90 41.20 56.50 44.50 52.30 42.30 59.30 42.50 49.40 47.50 50.20 43.30 48.30 50.90 49.60 44.40 43.20 52.30 54.20 43.80 43.70 41.40 56.40 45.10 49.30 39.40 49.60 48.50 45.70 38.30 58.00 49.90 47.60 42.60 49.70 47.80 44.30 45.

14、50 47.60 48.50 48.70 47.80 56.70 46.30 42.70 46.60 55.00 47.70 41.20 45.80 44.10 51.20 49.60 47.50 50.20 53.20 38.70 48.10 46.80 48.10 43.70 48.90 57.10 49.20 44.20 46.60 45.90 50.60 42.10 43.40 41.70 49.40 42.30 44.60 49.60 52.30 40.60 45.90 39.30 55.30 55.20 44.80 41.50 53.70 41.60 49.10 55.70 55.

15、20 47.60 54.30 63.50 57.70 42.30 52.10 45.40 50.60 42.10 45.50 40.00 49.80 47.30 46.90 44.20 58.20 38.10 58.50 51.50 52.90 48.60 47.30 46.80 55.60 50.20 45.50 45.70 53.70 59.10 43.90 49.10 52.00 56.10 47.30 50.00 53.20 53.20 47.70 48.20 52.10 55.40 47.60 51.40 57.00 53.10 49.50 53.80 55.40 58.80 43.

16、30 54.70 59.40 59.30 45.90 54.30 58.20 53.60 53.20 46.60 56.10 48.40 50.80 47.00 55.80 48.60 45.10 58.20 50.60 51.30 42.90 58.10 50.10 50.20 45.90 59.40 52.20 48.40 58.30 57.10 53.00 49.60 55.40 42.40 49.60 52.10 53.20 45.30 48.80 43.70 50.40 49.80 55.60 44.70 54.40 54.30 48.50 49.60 54.30 49.50 48.

17、20 48.10 47.50 47.90 49.60 53.20 50.00 50.80 55.40 48.90 42.30 56.70 66.80 48.10 52.10 53.20 63.70 49.80 58.60 49.50 61.20 46.30 64.80 56.50 59.30 48.60 54.10 56.70 59.70 50.40 45.50 51.20 59.70 45.50 43.40 50.70 56.60 47.90 44.20 56.60 55.40 63.20 44.70 54.60 52.60 64.20 44.40 47.00 52.90 62.40 46.

18、10 47.80 49.80 47.80 50.90 51.10 47.20 56.30 50.40 50.40 48.40 52.50 50.20 59.10 51.20 59.70 52.10 47.30 53.60 45.50 52.20 47.20 53.20 48.90 58.70 57.30 62.20 62.80 58.40 48.00 55.90 44.40 62.80 48.80 51.60 47.60 50.20 46.70 58.80 65.40 52.20 49.80 54.60 58.80 48.10 48.50 48.40 47.80 57.10 59.90 46.

19、20 53.20 47.40 48.80 53.10 50.10 52.60 54.40 55.50 54.10 45.80 47.60 48.70 47.70 51.00 50.30 45.30 54.20 44.60 48.80 41.30 47.70 49.50 51.50 43.40 53.80 45.10 49.70 48.20 49.60 44.20 53.20 49.00 55.40 44.70 45.50 58.00 43.90 47.80 46.90 48.50 50.90 45.50 59.40 45.40 57.60 49.70 58.60 48.20 53.30 44.

20、20 48.80 50.20 49.50 44.90 47.70 49.70 45.20 45.70 46.90 47.60 48.90 42.20 50.60 40.60 45.20 49.20 46.70 40.30 59.20 41.90 47.80 41.50 49.30 40.80 49.10 47.30 42.20 42.10 41.40 43.50 44.30 52.50 47.90 44.20 53.40 58.30 50.80 44.30 49.60 43.70 48.50 60.50 47.40 42.50 54.40 47.80 48.80 40.60 47.80 39.

21、70 51.80 48.60 47.70 41.80 47.20 53.60 47.20 38.40 45.50 41.20 40.20 38.20 39.80 36.50 41.20 39.00 44.90 34.20 44.40 36.80 44.20 33.80 45.50 36.80 47.70 34.70 44.90 37.20 45.00 44.10 48.80 41.80 46.50 41.10 43.30 37.20 44.50 36.80 36.20 37.50 33.10 38.30 35.80 37.30 35.80 37.30 44.60 47.70 59.30 42.

22、50 56.70 41.60 42.20 41.50 37.30 將測量數(shù)據(jù)填入 excel 表格，每個方向的數(shù)據(jù)作為一列，列名為測量地點與測量方向，數(shù)據(jù)記錄為信號電平值的絕對值，單位是dBmw，由于原始數(shù)據(jù)均為負值，但在數(shù)據(jù)記錄以及處理時均取其絕對值進行處理，因此數(shù)據(jù)分析時數(shù)據(jù)越小即表明其絕對值越小，則功率值越大。表格中紅色部分的數(shù)據(jù)為在圖中凹形處的測量數(shù)據(jù)。4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理我們使用MATLAB軟件，對四個方向分別編程處理，計算其均值與標準差，并且畫出概率的累積分布曲線，與標準正態(tài)分布的累積曲線比較，得出室外陰影衰落的分布規(guī)律。六、MATLAB代碼信號強度值的概率分布south=xlsre

23、ad(data.xlsx,A2:A174);south1=reshape(south,1,173);subplot(1,2,1);histfit(south1);axis(30,70,0,40);grid on;title(綜合樓北部電平分布);xlabel(電平值 x/dBmW);ylabel(樣本數(shù)量 y/ 個);legend(實際樣本分布,統(tǒng)計曲線);subplot(1,2,2);h_north,states_north=cdfplot(south1);axis(30,70,0,1);text(60,0.3,最小值=,num2str(states_north.min),dBmW);tex

24、t(60,0.24,最大值=,num2str(states_north.max),dBmW);text(60,0.18,均值=,num2str(states_north.mean),dBmW);text(60,0.12,中值=,num2str(states_north.median),dBmW);text(57,0.06, 標準差=,num2str(states_north.std);title(累積概率分布);信號強度隨位置的變化south=xlsread(data.xlsx,C2:C197);south1=reshape(south,1,196);south2=south1,zeros(1

25、,196),1:196;south3=reshape(south2,196,3);surf(south3);title(測量點南側(cè)從西到東 電平分布圖);xlabel(西 - 東);axis(1,196,1,2);caxis(30,70);colorbar(horiz);由于各方向數(shù)據(jù)的處理方式相同，僅處理的數(shù)據(jù)不同，所以僅列出上述兩組代碼。七、數(shù)據(jù)處理結果及分析1.綜合服務樓及學生活動中心北側(cè)綜合服務樓及學生活動中心北側(cè)電平分布和累積概率分布如上圖所示。由圖可知，電平分布總體上服從正態(tài)分布，實際最小值為-65.4dBmW，實際最大值為-39.3dBmW，均值為-50.2792dBmW，中值為

26、-49.5dBmW，標準差為5.1089，信號大部分在-45dBmW到-60dBmW之間，信號強度較好。從圖中可以看出數(shù)據(jù)大量集中于-45dBmW到-50dBmW之間，這些數(shù)據(jù)大于均值數(shù)據(jù)，這是因為在該測量地北側(cè)有一個小型的開闊空間（如前面地圖所示），該開闊空間導致了在這個范圍內(nèi)受到的陰影衰落影響較小，信號功率值較高，使得數(shù)據(jù)絕對值偏低。2. 綜合服務樓及學生活動中心西側(cè)綜合服務樓及學生活動中心西側(cè)電平分布及累計概率分布如上圖所示，由圖可知，電平分布基本服從正態(tài)分布，電平值大部分在-42dBmW到-55dBmW左右，最大值為-40.4dBmW，最小值為-66.8dBmW，均值為-50.8398

27、dBmW，中值為-50.3dBmW，標準差為5.4867。由上述數(shù)據(jù)可知電平分布與北側(cè)總體上相差不大，由于西側(cè)位于主干道上，馬路寬闊，環(huán)境變化較為平穩(wěn)，所以該側(cè)基本服從正態(tài)分布。3綜合服務樓及學生活動中心南側(cè)綜合服務樓及學生活動中心南側(cè)電平分布及累計概率分布如圖所示。由圖可知，電平分布集中在-40dBmW到-55dBmW之間，總體上服從正態(tài)分布，但是-48dBmW左右的值非常集中。最小值為-64.2dBmW，最大值為-33.1dBmW，均值為-47.7102dBmW，中值為48.2dBmW，標準差為6.6291。從數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表現(xiàn)上來看，該側(cè)的數(shù)據(jù)總體上大于北側(cè)和西側(cè)的功率值，這是由于高大建筑物引發(fā)的陰影衰落造成的影響，陰影衰落使得北側(cè)和西側(cè)的功率值較小，即意味著北側(cè)和西側(cè)相比與南側(cè)收到的陰影衰落的影響較大。而小于平均值的集中分布是受到南側(cè)高大樹木與建筑物的影響，部分數(shù)據(jù)在高大樹木下測量導致的這個結果。4. 綜合服務樓及學生活動中心東側(cè)綜合服務樓及學生活動中心東側(cè)的電平分布和累積概率分布如上圖所示。由圖可知，電平分布總體上服從概率分布，但是平均值附近的高電平值相對集中。最大值為-38.3dBmW，最小值為-64.8dBmW，均值為-47