北郵—電磁場實(shí)驗(yàn)之校園場強(qiáng)

1、電磁場實(shí)驗(yàn)校園內(nèi)無線信號場強(qiáng)特性的研究學(xué)院： 信息與通信工程學(xué)院 班級： 姓名： 學(xué)號： 班內(nèi)序號： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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)不同環(huán)境下陰影衰落的分布規(guī)律；3、熟練使用DS1131場強(qiáng)儀實(shí)地測試信號場強(qiáng)的方法；4、學(xué)會對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。二、實(shí)驗(yàn)原理1、三種基本電波傳播機(jī)制影響電波在空間傳播的三種最基本的機(jī)制為反射繞射散射。當(dāng)電磁波傳播遇到比其波長大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間無線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)會發(fā)生繞射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體，比如樹葉街道標(biāo)志和燈柱等都會引發(fā)散射。

2、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,這就叫“陰影效應(yīng)”或“陰影衰落”。在陰影衰落的情況下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。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(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，它的概率密度函數(shù)是：fx=122exp

3、-(x-m)222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。下表是陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差，其中s(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(m)城市郊區(qū)501503001503.

4、5-5.54-79111345067.51115189006.58141821表1 陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差s(dB)三、實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)對象的選取我們組選擇的測量地點(diǎn)為南北主干道，測量頻點(diǎn)為174.75MHz，是模擬電視頻道CH6的伴音頻道，屬于低頻信號。為了進(jìn)行校園內(nèi)不同地點(diǎn)同一頻點(diǎn)信號功率的比較，我們與另一組同時(shí)進(jìn)行測量，他們選擇的地點(diǎn)為籃球場旁與主干道平行的南北大道，頻點(diǎn)與我們相同。2、測量（數(shù)據(jù)采集）我們在4月17日下午進(jìn)行了測量，從學(xué)十東門開始，每隔半個(gè)波長（86cm）記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，一直走到校園中門，總數(shù)據(jù)為522個(gè)。將數(shù)據(jù)按路段分為5組，每個(gè)分路段數(shù)據(jù)大于50個(gè)。3、數(shù)據(jù)錄入將測量數(shù)

5、據(jù)填入excel表格，標(biāo)注地點(diǎn)、狀態(tài)等以便篩選分類數(shù)據(jù)，電平值單位為dBm。原始數(shù)據(jù)見附錄。4、數(shù)據(jù)處理用MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算其最大值、最小值、均值、中值與標(biāo)準(zhǔn)差；畫出概率分布柱狀圖；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，得出室外陰影衰落的分布規(guī)律；畫出信號場強(qiáng)空間分布圖，直觀地觀察校園場強(qiáng)分布。注：由于概率分布柱狀圖和頻數(shù)分布直方圖只是縱坐標(biāo)差一個(gè)倍數(shù)，不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出，所以此處用頻數(shù)分布直方圖來代替概率分布柱狀圖。以下為處理結(jié)果：（1）全路段：主干道圖1 主干道-概率分布圖下面為信號場強(qiáng)空間分布圖：（整體做成一個(gè)圖不太清晰，所以分段顯示） 注：色彩條的刻度單

6、位為（-dBm）（2）分路段：路段一：學(xué)十東門到新食堂路口圖2學(xué)十東門到新食堂路口-概率分布圖路段二：新食堂路口到學(xué)二路口圖3新食堂路口到學(xué)二路口-概率分布圖路段三：學(xué)二路口到主樓前廣場開始處圖4學(xué)二路口到主樓前廣場開始處-概率分布圖路段四：主樓前廣場到教三前的路口圖5主樓前廣場到教三前的路口-概率分布圖路段五：教三路口到中門圖6教三路口到中門-概率分布圖（3）總樣本和分路段樣本的數(shù)字特征值地點(diǎn)樣本數(shù)最小值(dBm)最大值(dBm)均值(dBm)中值(dBm)標(biāo)準(zhǔn)差(dB)總路段522-73.0-47.3-57.91-57.354.829路段一73-73.0-54.9-62.86-62.404

7、.133路段二170-70.4-50.0-59.30-59.204.190路段三86-70.1-47.3-55.86-55.604.066路段四180-68.5-48.4-55.43-54.504.168路段五98-65.9-48.1-56.04-56.053.963表2 樣本的數(shù)字特征（4）MATLAB代碼：clear all;close all;road = xlsread('data','sheet1','C2:C523'); %從excel中讀取數(shù)據(jù)road1=reshape(road,1,522);%轉(zhuǎn)換成行矩陣%-畫柱狀圖-%figu

8、re(11); subplot(1,2,1);histfit(road1);%畫帶正態(tài)擬合的頻數(shù)直方圖axis(-75,-45,0,65);%標(biāo)注坐標(biāo)的最大值和最小值grid on;%加網(wǎng)格線string='整個(gè)主干道''電平概率分布圖'title(string);%加標(biāo)題xlabel('電平值（dBm）');ylabel('樣本數(shù)量（個(gè)）');legend('實(shí)際樣本分布','正態(tài)擬合分布線');%-畫概率的累積分布曲線圖-%subplot(1,2,2);h1,s1=cdfplot(road1);

9、 %繪制累積分布函數(shù)圖同時(shí)返回句柄及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)hold on;%圖形保持功能，不被覆蓋text(-57,0.36,'最小值=',num2str(s1.min);text(-57,0.30,'最大值=',num2str(s1.max);text(-54.5,0.24,'均值=',num2str(s1.mean);text(-54.5,0.17,'中值=',num2str(s1.median);text(-57,0.11,'標(biāo)準(zhǔn)差=',num2str(s1.std);x=s1.min:0.01:s1.max;y=norm

10、cdf(x,s1.mean,s1.std);plot(x,y,'r');%畫出如果數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布時(shí)的累積概率分布曲線axis(-75,-45,0,1.2);%標(biāo)注坐標(biāo)的最大值和最小值 title('累積概率分布');xlabel('電平值（dBm）');ylabel('累積概率');legend('實(shí)際分布','理論正態(tài)分布');%-畫信號場強(qiáng)空間圖-%road2=xlsread('data','sheet1','B2:B523'); %從excel

11、中讀取去掉負(fù)號的數(shù)據(jù)road2=reshape(road2,1,522);road3=road2,zeros(1,522),1:522;road3=reshape(road3,522,3);%構(gòu)造出一個(gè)522×3的矩陣，為畫圖做準(zhǔn)備figure(12);surf(road3');%surf用來畫三維有色圖，但矩陣road3的特殊性使其可以得到一個(gè)%平面圖且顏色與場強(qiáng)有關(guān)axis(1 73 1 2);caxis(45 75);title('<學(xué)十東門-新食堂路口>');figure(13);surf(road3');axis(74 157 1

12、 2);caxis(45 75);%控制色彩范圍title('<新食堂路口-學(xué)四前路口>');figure(14);surf(road3');axis(158 243 1 2);caxis(45 75);title('<學(xué)四前路口-學(xué)二路口>');figure(15);surf(road3');axis(244 326 1 2);caxis(45 75);title('<學(xué)二路口-主樓前廣場開始處>');figure(16);surf(road3');axis(327 423 1 2);

13、caxis(45 75);title('<主樓前廣場-教三前的路口>');figure(17);surf(road3');axis(424 522 1 2);caxis(45 75);title('<教三路口-中門>');colorbar('horiz');%添加色彩條注：以上繪制概率分布柱狀圖和概率的累積分布曲線部分的代碼只給出了處理整個(gè)主干道數(shù)據(jù)的，由于分段各部分?jǐn)?shù)據(jù)處理與之相似，只需修改讀取數(shù)據(jù)部分以及其他一些相關(guān)的參數(shù)，所以不再贅述。四、數(shù)據(jù)分析1、主干道總數(shù)據(jù)的分析：由圖1可以看出，主干道信號場強(qiáng)概率分布

14、的正態(tài)擬合非常好，并且實(shí)際概率的累積分布曲線和理論正態(tài)分布的累積曲線幾乎重合，可以得出主干道信號陰影衰落服從正態(tài)分布，且標(biāo)準(zhǔn)差為4.829dB，在表1給出的150MHz城區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差的3.5-5.5的范圍內(nèi)。2、信號場強(qiáng)空間分布圖的分析：由信號場強(qiáng)空間分布圖可以直觀地看到主干道上各處信號的強(qiáng)弱，顏色越接近紅色信號越弱，越接近藍(lán)色越強(qiáng)。從圖中可以看出，從北到南，信號整體呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢。分析主干道周圍的環(huán)境情況可以發(fā)現(xiàn)，北面是學(xué)生宿舍區(qū)，都是較高的樓，信號衰落會較大；而向南走到教學(xué)區(qū)，建筑都比較矮，并且主樓前那塊區(qū)域比較開闊，信號衰落較小，所以信號從北到南逐漸增強(qiáng)是符合實(shí)際情況的。 圖7 主干道周圍平

15、面圖具體分析每一段路可以發(fā)現(xiàn)，大樓遮擋處的信號都比較弱，比如學(xué)十、學(xué)八、學(xué)四以及教三處，信號幅度接近最小值；而路口、主樓前和學(xué)四前大屏幕處的開闊地，信號幅度較大。校園地形平坦，主干道周圍都是比較高大的樹木，對人體高度的信號的衰落影響較小，所以主要影響信號強(qiáng)弱的就是建筑物。雖然在大樓后信號整體較弱，但是測量中發(fā)現(xiàn)，大樓后某些地方信號也會較強(qiáng)。比如在學(xué)四東側(cè)，快要走出大樓遮擋的位置信號較強(qiáng)，考慮到學(xué)四樓側(cè)面長度較短，所以可能是信號繞射造成強(qiáng)度較大，低頻信號波長較長，易繞射。測量時(shí)，天氣較好，有風(fēng)但不大，并且當(dāng)時(shí)由于運(yùn)動會放假，主干道上人流較小，也幾乎沒有車輛，所以環(huán)境比較穩(wěn)定，所以信號起伏不是很大

16、。3、分路段數(shù)據(jù)的分析：分段的概率分布圖的正態(tài)擬合顯然沒有整體的好，并且數(shù)據(jù)越少，擬合效果越不好，概率的累積分布與正態(tài)分布的誤差也大一點(diǎn)，所以，研究分布規(guī)律需要大量的數(shù)據(jù)，理論上說數(shù)據(jù)越多誤差越小，但是還應(yīng)該考慮工作量等因素，本次實(shí)驗(yàn)要求采集500組數(shù)據(jù)，效果較好。分段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差均比總體的小，這是因?yàn)槊慷螖?shù)據(jù)大約是一兩棟樓的范圍，環(huán)境變化較小，所以信號的起伏較小。每段數(shù)據(jù)的均值和中值都基本相等，符合正態(tài)分布規(guī)律。4、與另一組同學(xué)數(shù)據(jù)的比較：地點(diǎn)樣本數(shù)最小值最大值均值中值標(biāo)準(zhǔn)差主干道522-73.0-47.3-57.91-57.354.829籃球場旁南北大道508-75.1-46.2-57.8

17、4-57.405.270表3 樣本的數(shù)字特征另一組為田旻黃心怡組，她們由數(shù)據(jù)得出的陰影衰落的分布規(guī)律也是正態(tài)分布，和我們的結(jié)果一致，具體參數(shù)對比見表3。可以看出兩組的均值和中值都非常接近，可認(rèn)為相等，標(biāo)準(zhǔn)差她們組比我們組稍大，分析原因主要是籃球場旁的那條路相對主干道較窄，周圍建筑物對信號衰落的影響更大，并且那邊的建筑變化較大，高低差別較大。本來希望進(jìn)行同一地點(diǎn)高低頻信號的比較，但是進(jìn)行測量時(shí)發(fā)現(xiàn)高頻信號太弱，數(shù)據(jù)基本在-70dBm以下，不能認(rèn)為是有效信號，所以才臨時(shí)改測不同地點(diǎn)的同一低頻信號。但就結(jié)果來看，兩組的數(shù)據(jù)均值幾乎一致，只有標(biāo)準(zhǔn)差略有差別，比較價(jià)值不是很大，主要是因?yàn)榈攸c(diǎn)相距較近，兩

18、個(gè)地點(diǎn)距發(fā)射臺的距離差別不大。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、北郵校園主干道上，信號陰影衰落服從正態(tài)分布規(guī)律，均值為-57.91dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.829dB，標(biāo)準(zhǔn)差符合理論值允許范圍。2、在已知發(fā)射臺參數(shù)的情況下，可以根據(jù)現(xiàn)有傳播模型對路徑損耗進(jìn)行計(jì)算，與校園的電波分布情況進(jìn)行比較，得出適合預(yù)測校園場強(qiáng)的模型，但是未查到發(fā)射臺參數(shù)的相關(guān)資料，所以無法進(jìn)行比較。3、陰影衰落與周圍建筑物類型、密度等有關(guān)系，建筑物越高大、越密集的地方陰影衰落越大。陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)差與周圍環(huán)境、人流等的變化有關(guān)。六、總結(jié)1、實(shí)驗(yàn)分工：同學(xué)一：測量時(shí)記錄數(shù)據(jù)、MATLAB處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、撰寫報(bào)告。：測量時(shí)讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)整理及錄入、

19、查閱資料、撰寫報(bào)告。2、心得體會：6附：原始數(shù)據(jù)路段一：學(xué)十東門到新食堂路口（數(shù)據(jù)順序?yàn)閺淖笸?，自上而下?66-61.2-67.6-61.6-59-64.3-62.4-61.6-64.6-66.8-60.3-64.9-67.9-64.3-68.9-57.3-61.7-65.1-65.5-64.8-61.5-55.6-57.3-66.9-60.3-65.9-65.4-68-58-64.2-58.7-67-66.6-67.2-60.8-61.1-58.1-57.1-64.8-67.5-60.3-65.4-64.2-66.2-55.1-61.5-58.4-63.9-59-57.1-67.7-60

20、.9-65.1-60.8-55.7-63.9-60.7-70-68.2-57.2-58.5-60.3-67.3-64.9-60.9-65.8-62.4-57.5-73-54.9-61.9-60.6-71.6路段二：新食堂路口到學(xué)二路口（數(shù)據(jù)順序同上）-61.2-61-69.4-53-58.8-57-57.4-56.6-55.1-59.7-60.7-56.1-55.9-60.5-64.8-65.4-52.2-58.2-63-50.3-55.4-54.4-60.7-65.1-55.5-62.9-59.2-57.2-57.6-60.3-57.5-62.2-64.4-70.4-60.2-62.9-65

21、.8-60.2-56.7-62.5-65.4-50.9-56.3-62.2-61-55.6-61.3-56-64.8-58.2-56.6-62.7-60.3-60.3-62.8-60-61-59.2-52.9-55-57.3-58.9-57.7-57.4-56.5-60.4-57.2-56.5-58.4-59.3-53.6-55.8-61.3-64-63.5-52.7-52.6-59.9-63.6-62.5-64.4-59.2-55.9-60.6-64.7-53.7-59.2-58-62.4-58.4-61.4-58.3-60.5-62.8-61.1-56.3-56.8-54.8-60.2-5

22、4-61.4-58.5-61.5-59.7-60.5-64.9-53.2-57.9-60.7-55.5-57.4-58.9-69.2-59.4-65.7-59.3-57.7-66.5-50.7-62.2-64.7-63.4-64.9-66.6-59-54.2-68.4-55-61.8-54.2-58.1-59.3-58.4-59.2-61.2-61.5-65.2-66.3-54.2-62.6-66.5-57-56-61.4-60.4-66.8-68.2-56.3-51.9-55-56.9-55.6-61.1-58.7-56.8-60.6-55.6-53.9-51.5-63.6-55.2-58.

23、4-55.9-63.1-54.4-61.2-59.2-50-58.3-50.6路段三：學(xué)二路口到主樓前廣場開始處（數(shù)據(jù)順序同上）-58.1-57.1-53-53.6-54.5-64.4-57.4-56-57.2-55.6-53.1-57.5-53.2-56-51.3-52.9-60.3-56.7-57.6-51.4-62.4-63.2-54.6-53.8-57.3-57.2-53.2-59.1-54.2-54.3-56.7-52.7-57-57.8-55.7-70.1-50.5-57.2-56.9-58.5-49.4-55.4-52.1-55.5-52.9-57.1-58.4-55.3-57.

24、5-54-52.6-54.3-57.3-57.1-53.7-51.6-59.3-66.4-63.4-60.1-49.6-55.5-47.3-53.9-55.5-55.9-48.3-59.3-54.7-51.5-50.3-50.6-55.8-55.1-65.6-61.6-58.2-56.1-55.6-52.2-54.6-57.2-48.9路段四：主樓前廣場到教三前的路口（數(shù)據(jù)順序同上）-54.3-54.2-51.7-55.8-56.5-51.6-66.1-51.4-50.6-59.1-49.4-59.6-53.3-48.4-54.9-57.3-49.5-54.3-59.8-50.3-53.5-5

25、8.7-55.1-57.1-52.9-55.2-64.1-56.3-53.1-62.2-49.6-60.5-60.2-52.3-52.9-63.6-62.1-56.2-52.9-58.4-53-53.1-58.4-57.2-66-60.1-49.7-53.9-53.4-57.2-51.4-53.6-54.2-52.5-51.4-62.3-57.4-51.4-56.4-56-52.9-52.5-57.5-59.4-55.9-51.7-68.5-53.5-53.7-53.9-51.1-54.5-62.2-54.5-55.5-56.2-48.5-52.7-59.6-52.7-56.5-53.1-60

26、.5-57.8-54.1-55.9-58.2-54.5-58.5-53-49.2-49.8-55.3-56.1-51.3-61.4-50.9路段五：教三路口到中門（數(shù)據(jù)順序同上）-48.3-65.9-51.3-51.1-49.4-51.6-58.2-62.8-57.7-62.2-62.4-50.5-52.5-52.3-60.8-54.6-48.1-59.1-59.3-54.2-54.5-55.2-51.9-50.2-51.7-57.3-51.5-57.9-56.2-56.2-56.8-61.3-54.5-64.2-56.1-54.4-52-52.1-52.3-61.3-60.5-64-58.6

27、-54.7-56.2-60.2-52.8-51.6-50.5-57.2-62.6-55.2-61.7-56-59.8-60.4-53.6-51.1-53.6-52.4-58-57.8-54.6-58-58.9-58.1-51.4-54.1-50.4-50.7-54.6-56.7-57-61.8-63-56.5-56.7-56.3-58.2-50.6-54.6-56.3-54.1-55.2-59.6-60.6-59.2-59.3-54.6-54.5-56.9-51.6-54.6-54.8-54.5-60-60-55.7-56.7頻譜特性測量演示實(shí)驗(yàn)問卷1.ESPI測試接收機(jī)所測頻率范圍為：9KH

28、z3GHz 2.ESPI測試接收機(jī)的RF輸入端口最大射頻信號：+30dBm，最大支流:50 V3.S是否直觀的觀測電磁波的存在？（回答是/否）答：否。4.演示實(shí)驗(yàn)可以測到的空間信號有哪些，頻段分別為：答：廣播：531K1602KHzGSM900：上行：890915MHz下行：935960MHzGSM1800：上行：17101755MHz下行：18051850MHzWCDMA：上行：19201980MHz下行：21102170MHzCDMA2000：上行：19201980MHz下行：21102170MHzTD-SCDMA：20102025MHz5.課堂演示的模擬電視和數(shù)字電視頻譜圖：如

29、何判斷是模擬還是數(shù)字電視？答：模擬信號以殘留邊帶調(diào)幅方式頻分復(fù)用傳輸,有明確的載波頻率,不同頻道的圖像有不同的載波頻率。模擬信號頻譜為:每8MHz帶寬即一個(gè)頻道內(nèi),能量集中分布在圖像載頻上,在該載頻附近有一個(gè)跳動的峰,為彩色副載波所在,再遠(yuǎn)一點(diǎn)(在8MHz內(nèi))還有一個(gè)峰,為伴音副載波的峰。數(shù)字信號：一個(gè)數(shù)字頻道的已調(diào)信號像一個(gè)抬高了的噪聲平臺,均勻地平鋪于整個(gè)帶寬之內(nèi),它的能量是均勻分布在整個(gè)限定帶寬內(nèi)的。6.課堂演示GSM900上下行頻譜圖，CDMA下行頻譜圖，3G下行頻譜圖：答：GSM900上行:GSM900下行:CDMA下行:3G下行:7.該頻譜儀能檢測的頻譜范圍，是否能觀察到WIFI、電磁爐、藍(lán)牙等頻譜？（請分別說明，并指出其頻率）答：可以。該頻譜儀能檢測的頻譜范圍為9KHz3GHz所以，能夠觀察到：WIFI：2.4GHz電磁爐：20KHz30KHz藍(lán)牙：2.4GHz網(wǎng)絡(luò)參量測量演示實(shí)驗(yàn)問卷1.8714ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀所測頻段：300KHz3GHz 其中E的含義：