北郵電磁場與電磁波實驗報告

1、信息與通信工程學院電磁場與電磁波實驗報告題目：校園信號場強特性的研究姓名班級學號序號薛欽予2011210496201121049621電磁場與電磁波·實驗報告一、實驗?zāi)康?. 掌握在移動環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確的測試方法；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)境下場強的正確測量方法，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。二、實驗原理1、電磁波的傳播方式無線通信系統(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。對于接受者，只有處在發(fā)射信號的覆蓋區(qū)內(nèi)，才能保證

2、接收機正常接受信號，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)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，同頻干擾等。電磁場在空間中的傳輸方式主要有反射繞射散射三種模式。當電磁波傳播遇到比波長大很多的物體時，發(fā)生反射。當接收機和發(fā)射機之間無線路徑被尖銳物體阻擋時發(fā)生繞射。當電波傳播空間中存在物理尺寸小于電波波長的物體且這些物體的分布較密集時，產(chǎn)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面，如小物體或其它不規(guī)則物體樹葉街道標志燈柱。2、尺度路徑損耗在移動通信

3、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：PL ddBPL d 010nlog d / d 0（式 1）即平均接收功率為：Pr ddBmPt dBmPL d 010nlog d / d 0Pr d 0dBm10nlog d / d 0（式 2）其中，定義n 為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度，d0 為近地參考距離，d

4、為發(fā)射機與接收機之間的距離。公式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以表示為斜率10ndB /10 倍程的直線。n 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。第 2頁電磁場與電磁波·實驗報告決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它與接受點的電波傳播條件密切相關(guān)。為此，我們引進路徑損耗中值的概念，中值是使實驗數(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)不同放入地形地貌條件，歸納總結(jié)出各種電波傳播模型。下邊介紹幾種常用的描述大尺度衰落的模型。常用的電波傳

5、播模型：1) 自由空間模型2) 布靈頓模型3) EgLi 模型4) Hata-Okumura 模型3、 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。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(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對數(shù)正態(tài)分布即：Pr ddBmPr ddBmXs

6、Pr(d 0) dBm10nlog( d / d 0)X其中， X為 0 均值的高斯分布隨機變量，單位dB ；標準偏差，單位 dB 。（式 3）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(yīng)。這樣利用高斯分布可以方便地分析陰影的隨機效應(yīng)。正態(tài)分布，也叫高斯分布，概率密度函數(shù)為：2f ( x)1exp( (x)（式 4）2222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收功率，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(guān)，在市區(qū)的150MHz 頻段其典型值是 5dB。除了陰

7、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，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(yīng)小的多。下面是陰影衰落分布的標準差，其中s (dB) 是陰影效應(yīng)的標準差。錯誤 ! 未找到引用源。（dB ）第 3頁電磁場與電磁波·實驗報告頻率準平坦地形不規(guī)則地形錯誤 ! 未找到引用源。 （米）（ MHz ）城市郊區(qū)501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821表 1.陰影衰落分布的標準差s （ dB）4、建筑物的穿透損耗的定義建筑物

8、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：P1N(outside)1M(inside)PiPj（式 5）Ni 1M j 1P 是穿透損耗，單位是dB ；Pj 是在室內(nèi)所測的每一點的功率，單位是dBv ，共 M 個點；Pi 是在室外所測的每一點的功

9、率，單位是dBv ，共 N 個點。三、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)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。四、實驗步驟1、實驗對象的選擇我們選擇了北郵足球場，因為我們想看看，空曠的地方和人流、樹木、建筑物、車輛等等密集的地方對信號強弱的影響，還能得到學校中心位置的信號強度分布是什么樣的。第 4頁電磁場與電磁波·實驗報告(測量路線會在報告的數(shù)據(jù)采集部分標注出)對于選頻， 我們選了頻道五，主要是因為這個頻率接近100

10、Mhz ，經(jīng)過查看， 是 90.0MHZ 左右，經(jīng)過計算，其波長入=C/F ，接近 3m，所以我測試了下，我的步子比較大，兩步正好是1.5m，那么如果注意控制腳步的話，還是很好的。因此，在剛開始的時候，我讀取數(shù)據(jù)，再用表格記錄，這樣比較準確； 讀取數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)同步，因此不會有很大的誤差，盡量把誤差控制在隨機誤差的范圍。2、數(shù)據(jù)采集儀器：場強儀 DS1131采用的單位：老師講的 dBmw采集：半個波長讀取一次數(shù)據(jù)，記錄一次；把每步的長度盡量的控制，不讓出現(xiàn)很大的偏差，讀數(shù)據(jù)的時候，盡量等數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定以后讀取，基本都是取中間的數(shù)據(jù)，因此公差不會太大。測第 5頁電磁場與電磁波·實驗報告3

11、、數(shù)據(jù)錄入將測量得到的數(shù)據(jù)錄入Excel 表格。我獨自完成，得到一個數(shù)據(jù)將近500 的表格。63.664.671.268.566.366.979.760.155.561.259.16057.660.255.864.259.161.259.264.963.960.163.662.761.360.962.357.158.163.757.657.558.163.764.662.766.66157.960.363.465.265.462.461.362.966.859.36761.162.663.463.266.762.767.264.358、159、157.265.372.363.760.563.7

12、60.365.162.565.868.964.361.561.260.461.369.967.9663.6759.966.565.971.26.665.472.165.164.36256.25965.25959.258.858.161.160.165.759.457.561.556.264.960。058.25953.149.152.150.155.158.857.162.757.353.353.954.150.157.4第 6頁電磁場與電磁波·實驗報告64.558.958. 。958.957.963.959.357. 。360.269.265.959.955.258.861.469

13、.263.158.760.265.465.459.160.271.6右側(cè)北61.264.759.259.665師69.264.269.257.26.262.158.272.358.259.260.458.265.265.364.464.368.269.369.470.26262.869.365.465.365.366.266.367.370.265.372.363.760.563.760.365.162.565.868.964.361.561.260.461.369.967.163.6759.966.565.971.26.665.472.165.164.36256.25965.25959.25

14、8.858.161.160.165.759.457.561.556.264.260.158.267.153.149.152.150.155.158.857.162.757.353.353.954.150.157.464.558.957.158.957.963.959.352.360.269.256.257.164.96058.25953.349.452.150.155.158.857.162.757.353.553.954.150.153.157.464.458.958.958.25857.164.959.257.360.269.265.259.955.258.861.569.253.359.

15、760.2655960.271.371.670065.369.259.264.7.466.262.262.466.359.456.454.959.959.962.465.562.56.359.956454.959.959.962.465.965.962.563.359.363.163.259.364.263.259.562.960.153.354.258.253.261.254.355.455.461.26028.328.229.259.260.253.554.258.253.261.25455.455.461.260.658.258.859.260.265.362.860.968.353.2

16、61.254.355.461.26058.258.859.260.260.265.362.860.967.668.168.26864.964.26.258.767.265.360.270.263.362.16167.36767.668.1696469.369.266.361.359.363.163.565.257.855.8 、55.855.357.353.851.851.152.959.261.865.855.255.858.261.362.360.35656.358.258.457.261.25656.358.358.457.361.254.259.2第 7頁4、數(shù)據(jù)處理流程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理

17、的流程圖。數(shù)據(jù)采集：讀取數(shù)據(jù)并記錄結(jié)尾：整理并寫報告五、實驗結(jié)果與分析h1 =229.0038s1 =min: 39.3000max: 61.7000電磁場與電磁波·實驗報告數(shù)據(jù)格式化：數(shù)值處理：數(shù)據(jù)整理和錄入導(dǎo)入matlab，運行后期處理：概率統(tǒng)計分析：損耗計算和結(jié)論計算，做圖第 8頁電磁場與電磁波·實驗報告mean: 47.1760median: 45.4500std: 5.4407h1 =671.0024s1 =min: 37.5000max: 58mean: 45.8845median: 45.5000std: 4.5477h1 =1.1130e+003s1 =mi

18、n: 30.4000max: 58mean: 43.6837median: 44std: 6.2097h1 =1.5550e+003s1 =min: 35.6000max: 62.1000mean: 49.8205median: 49.5000std: 6.4593h1 =1.9970e+003s1 =min: 43.8000max: 66.4000mean: 53.2384median: 52.8000std: 3.9029westV =第 9頁電磁場與電磁波·實驗報告47.1765.4407southV =45.88454.5477eastV =43.68376.2097nort

19、hV =49.82056.4593代碼：clear all;close all;%- 讀取文件 -%w2e=xlsread('data1.xlsx','sheet2');s2n=xlsread('data1.xlsx','sheet1');e2w=xlsread('data1.xlsx','sheet4');n2s=xlsread('data1.xlsx','sheet5');e2wout=xlsread('data1.xlsx','sheet

20、3');%- 轉(zhuǎn)換成矩陣 -%w2e2=reshape(w2e,1,50);s2n2=reshape(s2n,1,58);e2w2=reshape(e2w,1,147);n2s2=reshape(n2s,1,73);e2wout2=reshape(e2wout,1,159);%-為畫平面場強圖作準備-%w2e3=w2e2,zeros(1,50),1:50;w2e3=reshape(w2e3,50,3);s2n3=s2n2,zeros(1,58),1:58;s2n3=reshape(s2n3,58,3);e2w3=e2w2,zeros(1,147),1:147;e2w3=reshape(

21、e2w3,147,3);n2s3=n2s2,zeros(1,73),1:73;n2s3=reshape(n2s3,73,3);e2wout3=e2wout2,zeros(1,159),1:159;e2wout3=reshape(e2wout3,159,3);%-科學會堂正面由西向東-%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 畫柱狀圖axis(30,70,0,30);第 10頁電磁場與電磁波·實驗報告grid on;str=' 科學會堂正面由西向東' ' 信號電平概率分布'title(str);xlabel(&#

22、39; 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個 )');legend(' 實際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(w2e2)% 畫累積概率分布圖axis(30,70,0,1);hold on;w2emean=num2str(s1.mean);w2estd=num2str(s1.std);text(56,0.23,' 最小值 = ',num2str(s1.min);text(56,0.18,' 最大值 = ',num2str(s

23、1.max);text(56,0.13,' 均值= ',num2str(s1.mean);text(56,0.08,' 中值 = ',num2str(s1.median);text(56,0.03,' 標準差 = ',num2str(s1.std);title('對應(yīng)累積概率分布');figure(12)surf(w2e3');% 畫衰落強度圖title(' 科學會堂正面由西向東信號電平分布圖');xlabel(' 科學會堂正面由西向東');axis(1,50,1,2);caxis(30 7

24、0);colorbar('horiz');%-科學會堂正面由東向西-%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(s2n2);axis(30,70,0,30);grid on;title(' 科學會堂正面由東向西信號電平概率分布');xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個 )');legend(' 實際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(s2n2)axis(30,70,0,1);

25、第 11頁電磁場與電磁波·實驗報告hold on;s2nmean=num2str(s1.mean);s2nstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,' 最小值 = ',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,' 標準差 = ',nu

26、m2str(s1.std);title('對應(yīng)累積概率分布');figure(22)surf(s2n3');title(' 科學會堂正面由東向西信號電平分布圖');xlabel(' 科學會堂正面由東向西');axis(1,58,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');%- 科學會堂西側(cè)面由北向南-%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(e2w2);axis(30,70,0,100);grid on;str=' 科學會堂西側(cè)面由北向南' '

27、信號電平概率分布'title(str);xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個 )');legend(' 實際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(e2w2)axis(30,70,0,1);hold on;e2wmean=num2str(s1.mean);e2wstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,' 最小值 = ',num2str(s1.min);text(56,0.18,'

28、; 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,' 標準差 = ',num2str(s1.std);第 12頁電磁場與電磁波·實驗報告title('對應(yīng)累積概率分布');figure(32)surf(e2w3');title(' 科學會堂西側(cè)面由北向南信號電平分布圖');xlabel(' 科學會堂

29、西側(cè)面由北向南');axis(1,147,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');%- 足球場后面由西向東-%figure(41)subplot(1,2,1);histfit(n2s2);axis(30,70,0,40);grid on;title(' 足球場后面由西向東信號電平概率分布');xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個 )');legend(' 實際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2

30、);h1,s1 = cdfplot(n2s2)axis(30,70,0,1);hold on;n2smean=num2str(s1.mean);n2sstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,' 最小值 = ',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,

31、9; 標準差 = ',num2str(s1.std);title('對應(yīng)累積概率分布');figure(42)surf(n2s3');title(' 足球場后面由西向東信號電平分布圖');xlabel(' 足球場后面由西向東');axis(1,70,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');第 13頁電磁場與電磁波·實驗報告%-足球場東側(cè)面由南向北-%figure(61)subplot(1,2,1);histfit(e2wout2);axis(30,70,0,100);gri

32、d on;str=' 足球場東側(cè)面由南向北' ' 信號電平概率分布'title(str);xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個 )');legend(' 實際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(e2wout2)axis(30,70,0,1);hold on;e2woutmean=num2str(s1.mean);e2woutstd=num2str(s1.std);text(56,0.23,'

33、 最小值 = ',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,' 標準差 = ',num2str(s1.std);title('對應(yīng)累積概率分布');figure(62)surf(e2wout3');title(' 足球場東側(cè)面由南向北信號電平分

34、布圖');xlabel(' 足球場東側(cè)面由南向北');axis(1,159,1,2);caxis(30 70);colorbar('horiz');%-顯示各個均值和標準差-%westV=w2emean,'',w2estdsouthV=s2nmean,'',s2nstdeastV=e2wmean,'',e2wstdnorthV=n2smean,'',n2sstdplatformV=w2eoutmean,'',w2eoutstdBplatformV=e2woutmean,

35、9;',e2woutstd第 14頁電磁場與電磁波·實驗報告1、 磁場強度空間分布第 15頁電磁場與電磁波·實驗報告2、磁場強度統(tǒng)計分布磁場強度呈現(xiàn)波動特性，理論分析表明磁場強度值在一定區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)高斯分布特性。( x)212藍色矩形條為直方統(tǒng)計，紅色曲線為高斯分布擬合曲線。擬合表達式為f ( x)e 2。2六、問題分析與解決1、測量誤差分析本次測量，采集的點很多，記錄的數(shù)據(jù)量很大，每個點都是讀取了好多個數(shù)取中間值，而且每 1.5m 是一個測量點，這樣場強的連續(xù)性很好，不至于有很大的起伏，從而是測量值偏離中心值的概率大大減小，誤差減小，精度提高，基本達到要求。2、場強分布的研究場強的地理位置分布從幾何的角度反映場強的分布，可以被工程借鑒，為統(tǒng)計做鋪墊。場強的統(tǒng)計值分布場強的統(tǒng)計分布主要從微積分、概率的角度反映了場強的自然規(guī)律，可以被實際的應(yīng)用設(shè)計做參考和模擬，尤其對于通信系統(tǒng)的設(shè)計有很大的幫助。第 16頁電磁場與電磁波·實驗報告我們把自己的測量結(jié)果和其他同學的比較看了看，分析了一下，認為擬合的比較好，雖然算不是嚴格的高斯分布，不過也算是比較精確的了。七、分工安排a： 測量讀取， Matlab 編程，數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)處理。b： 測量記錄，圖片處理、結(jié)果分析，報告撰寫。八、心得體會a：本次實驗我第一次實際體會了電磁波的波動性和掩蔽效應(yīng)。對電磁波的