北郵電磁場實驗報告

1、信息與通信工程學(xué)院電磁場與電磁波實驗報告校園無線信號場強特性的研究姓名班級學(xué)號序號常曉東2013211114201321039603目錄實驗?zāi)康?實驗內(nèi)容1實驗原理1實驗結(jié)果與分析5問題解決與分析16分工安排17心得體會17數(shù)據(jù)處理相關(guān)函數(shù)17附：磁場測量原始數(shù)據(jù)19實驗?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)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(guān)系；5. 研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關(guān)系。實驗內(nèi)容利用DS1131場強儀，實地測量信號場強。1.

2、 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；3. 研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。實驗原理無線通信系統(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)射信號覆蓋的區(qū)域內(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)的大小，是無線工程師所關(guān)心的。決定覆蓋區(qū)大小的因素主要有：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、接收機高度、人體效應(yīng)、接收機靈敏度、建筑物的穿透損耗、同播、同頻干擾。1) 陰影衰落在無線

3、信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物體對電波的遮擋。在測量過程中，不同測量位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率不同，這樣就會觀察到衰落現(xiàn)象。在陰影衰落的情況下，移動臺被建筑物遮擋，它所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，他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，特定位置的接收功率為隨機對數(shù)正態(tài)分布即：其中，為0均值的高斯分布隨機變量，單位為，標(biāo)準(zhǔn)偏差為，單位也是。對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同的T-R距離時，不同的隨機陰影效應(yīng)。這樣利用高斯分布可以方便的分析陰影的隨機效應(yīng)。它的概率密度函數(shù)是

4、：應(yīng)用于陰影衰落時，上式中的x表示某一次測量得到的接受功率，m表示以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，單位為。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)的頻段其典型值是。除了陰影效應(yīng)外，大氣變化也會導(dǎo)致慢衰落。但在測量的無線信道中，大氣變化所造成的影響要比陰影效應(yīng)小得多。陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差s（dB）頻率（MHz）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形h（米）城市郊區(qū)501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418212) 大尺度路徑衰落在移動通信系統(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)射機和接

5、收機之間信號的平均衰落，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，為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度；為近地參考距離；為發(fā)射機與接收機之間的距離。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(guān)。為此，我們引進(jìn)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(jié)出各種電波傳播模型。1. 自由空間模

6、型2. 布靈頓模型3. EgLi模型4. Hata-Okumura模型3) 建筑物的穿透損耗定義建筑物的穿透損耗大小對于研究室內(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)的中值電場強度和室外附近街道上中值電場強度之差。發(fā)射機位于室外，接收機位于室內(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在同一位置室內(nèi)測量的信號平均場強，用公式表示為：是穿透損耗，單位，是在室內(nèi)所測的每一點的功率，單位，共M個點，是在室外所測的每一點的功率，單位，共N個點。

7、實驗步驟1. 選擇實驗對象N北郵圖書館鳥瞰圖本次實驗數(shù)據(jù)采集地點我們選擇了北郵圖書館。圖書館建筑較為規(guī)整，其一圈近似為正方形，方便測量，且測量點比較整齊。在選頻方面，我們采用的是低頻測量，頻點選用的是97.5MHz，這是一個信號比較清晰的電視信號。2. 數(shù)據(jù)采集利用場強儀DS1131測量無線信號的強度（單位），圍繞北郵圖書館一周按照北東南西的順序順時針測量。此外，測量時以一步為一個測量點進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)基本保證平均取點。start測量行進(jìn)方向圖3. 數(shù)據(jù)錄入將測量得到的數(shù)據(jù)錄入Excel表格，分別以東、南、西、北每個方向為一張單獨的sheet，數(shù)據(jù)錄為一列。4. 數(shù)據(jù)處理流程采集到的數(shù)據(jù)有600

8、多組，需要對數(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。實驗結(jié)果與分析1. 磁場強度地理分布西、北、東、南四個方向場強均值分別為：-63.498dBmW；-62.878dBmW；-63.257dBmW；-62.298dBmW西、北、東、南各方向磁場強度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為：3.767；4.131；4.479；3.899由此可以看出，均值來看圖書館南側(cè)信號強度最好，而西側(cè)則最差；標(biāo)準(zhǔn)差來看則是西側(cè)最小，說明波動最小，誤差也最小，而東側(cè)較大，可能是干擾較多導(dǎo)致不穩(wěn)定。圖書館南、西、北三側(cè)都為近似一條直線，而只有東面有兩塊凹進(jìn)去的地方（如上圖），故出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差較大現(xiàn)象也是可以預(yù)見的。而

9、均值南側(cè)最大東側(cè)最小極有可能是因為電磁波的波源位置偏西南，所以南側(cè)受到的損耗較小。2. 磁場強度統(tǒng)計分布由于受到傳播路徑等諸多因素的影響，故磁場強度分布呈波動特性。理論分析表明，磁場強度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)高斯分布特性，針對實測數(shù)據(jù)，可得到磁場強度的統(tǒng)計分布，對該分布進(jìn)行高斯擬合，得到了如下圖所示的結(jié)果：如上圖所示，藍(lán)色矩形條為直方統(tǒng)計，紅色曲線為高斯分布擬合曲線。擬合表達(dá)式為，擬合參數(shù)如下表所示，顯然擬合情況存在一定的偏差。下表給出擬合表達(dá)式所用參數(shù)：圖書館周圍擬合參數(shù)表方向West-63.4983.767North-62.8784.131East-63.2574.479South-62.298

10、3.899下面給出各個方向的概率累分布圖：如上圖所示，斜率越大則表明磁場的分布區(qū)間越窄，即分布越集中?？梢钥闯鰩讉€方向的圖基本符合s型曲線，其中圖書館北側(cè)的圖最漂亮，且中間斜率較高，信號強度較為集中。由此可以看出北側(cè)信號較其他方向更為穩(wěn)定。3. 部分地區(qū)的多徑衰落分析在通信系統(tǒng)中，由于通信地面站天線波束較寬，受地物、地貌和海況等諸多因素的影響，使接收機收到經(jīng)折射、反射和直射等幾條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。這些不同路徑到達(dá)的電磁波射線相位不一致且具有時變性，導(dǎo)致接收信號呈衰落狀態(tài)。電波傳播的幾何模型是分析電波傳播特性的基本方法，幾何模型多用在傳播徑數(shù)不多的情況，其分析是基于電波的直

11、線傳播特性及電波的反射、繞射、折射。由于圖書館建筑體近似表面是正方形的長方體，每個面都是個非常好的多徑衰落模型。由上圖可知，直射波的行程為：反射波的行程為：行程差為:假設(shè)dh1h2，則所以設(shè)地面反射波的反射系數(shù)為，反射波與直射波之間存在著相位差，其中行程差引起的相位差為；另外，反射將引起相移。因此對于圖書館周圍測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)場強強度大致呈周期性變化，即在若干點上直射波和反射波的疊加導(dǎo)致該點位于波節(jié)點上，故場強衰落很大；在另外若干點上直射波和反射波的疊加導(dǎo)致該點位于波腹點上，故場強衰落很小。事實上，由于無線電波的傳播具有覆蓋的特性，并且考慮到天線傳播的環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，所以多徑

12、衰落在無線通信中普遍存在，只是在這種更便于簡化分析，得出相對準(zhǔn)確的結(jié)論。問題解決與分析1. Matlab仿真研究與分析本次實驗前對Matlab了解比較少，通過查閱書籍對Matlab的使用有了基本的了解。在此基礎(chǔ)上，通過查閱相關(guān)函數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本次實驗中比較困難的地方是生成殘差圖，在圖表選項中通過不斷摸索，終于找到相關(guān)位置。同時，處理數(shù)據(jù)過程中感受到了Matlab的強大。2. 特殊點場強分布的研究場強分布研究大體可從兩方面入手，即地理位置和統(tǒng)計分布。地理分布直觀上反映了場強在地理位置上的大體分布情況，而統(tǒng)計分布則從概率的角度上更加有效準(zhǔn)確的反映了一個地點的場強特性。從我們這次實測數(shù)據(jù)的情況

13、來看，對于圖書館的磁場強度造成主要影響的是陰影衰落，這一衰落效應(yīng)在測量圖書館室外的磁場強度時效果尤其明顯，在東面采集數(shù)據(jù)時，因為不同地點遮擋物不同，故接收功率有很大出入；而在西面進(jìn)行測量時，由于測量點均未被圖書館所遮擋，測量地點比較寬闊，故接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差較小。但從另一方面來講，由于采集的數(shù)據(jù)并不夠充分，而且不排除在測量過程中一些人為誤差干擾因素的加入，因此結(jié)論不能十分確定。所以，更好的解決辦法是聯(lián)合其他同學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，這樣結(jié)論就具有很高的可靠性了。3. 多徑衰落的基本研究對于移動無線信道，其主要特征就是多徑傳播。多徑傳播是由于無線傳播環(huán)境的影響，在電波的傳播路徑上電波產(chǎn)生了反射、繞射

14、和散射，這樣當(dāng)電波傳輸?shù)揭苿优_的天線時，信號不是單一路徑來的，而是許多路徑來的多個信號的疊加。因為電波通過各個路徑的距離不同，所以各個路徑電波到達(dá)接收機的時間不同，相位也就不同。不同相位的多個信號在接收端疊加，有時是同相疊加而加強，有時是反向疊加而減弱。這樣接收信號的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了所謂的多徑衰落。應(yīng)該說多徑衰落時無時無刻不存在于任意一處地理空間的，但是對于本次場強測量，在教二樓與東側(cè)的網(wǎng)絡(luò)中心中間的巷道中多徑多徑衰落表現(xiàn)的很明顯，測量中相鄰的兩個測量點之間的距離為半個波長，在測量過程中可以很明顯的觀察到相鄰的兩個頻點的功率相差很大，通過定性分析其為頻率選擇性衰落。分工安排本次實驗兩個

15、人一起測量數(shù)據(jù)，宋世豪負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)錄入，常曉東負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。實驗報告兩人共同完成。心得體會通過本次實驗，我對影響信號的幾個因素(傳播距離、遮擋物、天氣)等有了一個基本的認(rèn)識和了解，對于通信系統(tǒng)的設(shè)計有了一個簡單的概念。除此以外，通過實驗中數(shù)據(jù)的處理，對于Matlab的使用有了一個基本的認(rèn)識，同時認(rèn)識到它的強大。數(shù)據(jù)處理相關(guān)函數(shù)1. Excel數(shù)據(jù)的導(dǎo)入y=xlsread(a) 其中，a為文件名，y為導(dǎo)入數(shù)據(jù)后生成的數(shù)組。值得注意的是，實驗中的文件格式應(yīng)為xls格式。2. 室外場強地理分布處理bar（y）其中，y為數(shù)據(jù)數(shù)組。3. 室外磁場強度統(tǒng)計處理histfit(y)其中，y為數(shù)據(jù)數(shù)組。4. 室外

16、磁場強度概率累計處理及平均差、標(biāo)準(zhǔn)差計算h,stats=cdfplot(y)其中，y為數(shù)據(jù)數(shù)組。執(zhí)行此函數(shù)后，Matlab會生成概率累計圖和最值、中間值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)。附：磁場測量原始數(shù)據(jù)測量時間：2015.5.20地點：圖書館天氣：晴朗注：其他環(huán)境數(shù)據(jù)記錄在紙質(zhì)版西側(cè)數(shù)據(jù)：-65.6-59-56.5-57-65-66.2-62-62.8-61.4-65-68.4-58.5-58.1-61.7-65.6-61.5-62-65.8-65.4-72.3-62.4-58.8-61.5-66.7-62.3-60.4-62.4-65-68.1-69-62.2-63-62.3-65.9-67.3-

17、64.6-61.5-62.8-62.3-62.8-66.6-66.9-72.9-69.3-65.2-65.4-72-71.5-70.6-69.4-64.7-61.7-60.9-62.8-66.7-65.9-63.7-62.7-57.9-56.4-60.9-64.9-56.3-55.5-56.6-57.7-61.3-62.2-62.5-63-64.1-63.5-64.6-62.7-62.9-62.3-63.5-61-60.8-64.5-64.9-61.5-63.8-65.9-58.8-58.3-63.9-65-71.6-63.2-61.8-69.7-66-59.6-59.9-65.3-64.3-

18、61.5-63.5-69.8-67-71.5-67-62.6-63-65.9-69.9-66.4-62.2-62.7-63.9-64.2-63.3-70.9-69-62.8-59.7-60.6-64.6-62.5-58.2-61.9-69.4-61.8-59.6-60.9-59.9-60.5-61.9-63.9-65-60.4-59.2-60.8-60.5-57.4-55.9-56.7-58.5-67.5-65.9-64.1-63.7-65-64.9-63.8-71.3-66.9-62.6北側(cè)數(shù)據(jù)：-66.8-62.3-58.2-59.6-69.9-62.4-60.8-64.9-70.7-62

19、.8-64.4-72.6-63-59.8-58.7-58.6-61.6-60.2-57.9-58.8-63.2-61-58.6-58.4-58-57.7-55.3-53.2-60.4-60.9-54.6-54.9-54.3-58.2-61.8-62.2-63-64.8-66.3-68.8-67.7-61.2-59-61.8-68.9-59.4-56.8-58.3-62.6-63.5-64.8-61.5-60.7-61.8-62.6-58.4-57.5-58.4-59-60.9-63.8-59-55.8-55.3-56.4-58.8-72.8-61.9-59.9-62.9-66.4-66-61.

20、6-62.8-64.4-59-57.7-60.2-61.8-59-59.7-63.3-62.4-62-59-61.1-61.7-62.3-63.4-62.6-65-65.7-63.7-60.9-66.1-59.2-56.6-62.3-63.7-57.9-64.9-60.2-58.9-62.7-69.2-60.8-61.6-64.4-63.2-60-58.1-60.8-60.4-59.5-61.6-67.7-66-69.4-64.3-62.9-67.4-62.4-61.3-62.7-65-62.3-63.8-68.8-65.6-64.7-68.5-63.9-62.3-65.8-69.9-65.4

21、-66.1-67.2-64.4-65.2-64.7-65.8-66-71-75.8-70.6-64.9-64.4-68.8東側(cè)數(shù)據(jù)：-68.8-72.2-70-64.4-63.9-66.8-69.8-65.5-69.9-69-63-61.9-62.7-73.3-62.8-61.9-64.4-70.9-71.9-68.8-62.3-63.2-71.8-62.3-59.5-62.2-70.9-78.8-67.2-63.5-61.8-61.5-60-59.4-61.3-62.3-61.3-59.3-61.6-65.6-64.9-60.7-58.2-60-64.3-70.1-70.9-64.8-63.

22、2-61.5-59.4-59.2-56.2-56.4-61.5-68.8-67.7-66.6-63.4-66.9-66.5-61.2-60.3-65.7-65-66.2-67.7-62.6-62.3-62.6-59.7-57-56.9-57.5-60.6-64-62.2-59.5-58.8-68.8-57.8-56-58.6-63.3-66.7-62.5-64.4-69.9-60-59.5-62.3-65.2-60.3-59.6-57.4-56-55.8-56.5-62.4-57.9-65.2-64.8-60.6-56.7-57-60.8-63.2-62.7-60.2-60.2-63.4-69.8-60.7-62.6-62.4-65-67.9-66.1-60-56.9-67.5-56.5-53.8-55.5-62.9-63.3-61.9-62.2-64.8-64.1-68.2-65.5-64.5-71.7-64.4-63.8-59.9-57.6-59.6-61.2-60.9-64.4-