北郵電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、信息與通信工程學(xué)院電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)報(bào)告校園無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)特性的研究姓名班級(jí)學(xué)號(hào)序號(hào)常曉東2013211114201321039603目錄實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1實(shí)驗(yàn)原理1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5問(wèn)題解決與分析16分工安排17心得體會(huì)17數(shù)據(jù)處理相關(guān)函數(shù)17附：磁場(chǎng)測(cè)量原始數(shù)據(jù)19實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握在移動(dòng)環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確測(cè)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(chǎng)強(qiáng)的正確測(cè)試方法，理解建筑物穿透損耗的概念；4. 通過(guò)實(shí)地測(cè)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用DS1131場(chǎng)強(qiáng)儀，實(shí)地測(cè)量信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。1.

2、 研究具體現(xiàn)實(shí)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(cè)試值與模型預(yù)測(cè)值的預(yù)測(cè)誤差如何；3. 研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)原理無(wú)線通信系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、無(wú)線信道、接收機(jī)、接收天線所組成。對(duì)于接收者，只有處在發(fā)射信號(hào)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接收信號(hào)，此時(shí)，電波場(chǎng)強(qiáng)大于等于接收機(jī)的靈敏度。因此，基站的覆蓋區(qū)的大小，是無(wú)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(jī)高度、人體效應(yīng)、接收機(jī)靈敏度、建筑物的穿透損耗、同播、同頻干擾。1) 陰影衰落在無(wú)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(duì)電波的遮擋。在測(cè)量過(guò)程中，不同測(cè)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(huì)觀察到衰落現(xiàn)象。在陰影衰落的情況下，移動(dòng)臺(tái)被建筑物遮擋，它所收到的信號(hào)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(hào)功率有可能相差很大，理論和測(cè)試表明，對(duì)任意的d值，特定位置的接收功率為隨機(jī)對(duì)數(shù)正態(tài)分布即：其中，為0均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位為，標(biāo)準(zhǔn)偏差為，單位也是。對(duì)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(shí)，不同的隨機(jī)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(jī)效應(yīng)。它的概率密度函數(shù)是

4、：應(yīng)用于陰影衰落時(shí)，上式中的x表示某一次測(cè)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(lèi)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(huì)導(dǎo)致慢衰落。但在測(cè)量的無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)中，路徑損耗是影響通信質(zhì)量的一個(gè)重要因素。大尺度平均路徑損耗：用于測(cè)量發(fā)射機(jī)和接

5、收機(jī)之間信號(hào)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(cè)試的傳播模型，無(wú)論室內(nèi)或室外信道，平均接受信號(hào)功率隨距離對(duì)數(shù)衰減，這種模型已被廣泛的使用。對(duì)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(zhǎng)的速度；為近地參考距離；為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)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(diǎn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個(gè)數(shù)值（對(duì)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(duì)于研究室內(nèi)無(wú)線信道具有重要意義。穿透損耗又稱(chēng)大樓效應(yīng)，一般指建筑物一樓內(nèi)的中值電場(chǎng)強(qiáng)度和室外附近街道上中值電場(chǎng)強(qiáng)度之差。發(fā)射機(jī)位于室外，接收機(jī)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(chǎng)強(qiáng)一定小于室外的場(chǎng)強(qiáng)，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(cè)量的信號(hào)平均場(chǎng)強(qiáng)減去在同一位置室內(nèi)測(cè)量的信號(hào)平均場(chǎng)強(qiáng)，用公式表示為：是穿透損耗，單位，是在室內(nèi)所測(cè)的每一點(diǎn)的功率，單位，共M個(gè)點(diǎn)，是在室外所測(cè)的每一點(diǎn)的功率，單位，共N個(gè)點(diǎn)。

7、實(shí)驗(yàn)步驟1. 選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象N北郵圖書(shū)館鳥(niǎo)瞰圖本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)我們選擇了北郵圖書(shū)館。圖書(shū)館建筑較為規(guī)整，其一圈近似為正方形，方便測(cè)量，且測(cè)量點(diǎn)比較整齊。在選頻方面，我們采用的是低頻測(cè)量，頻點(diǎn)選用的是97.5MHz，這是一個(gè)信號(hào)比較清晰的電視信號(hào)。2. 數(shù)據(jù)采集利用場(chǎng)強(qiáng)儀DS1131測(cè)量無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度（單位），圍繞北郵圖書(shū)館一周按照北東南西的順序順時(shí)針測(cè)量。此外，測(cè)量時(shí)以一步為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)基本保證平均取點(diǎn)。start測(cè)量行進(jìn)方向圖3. 數(shù)據(jù)錄入將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)錄入Excel表格，分別以東、南、西、北每個(gè)方向?yàn)橐粡垎为?dú)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1. 磁場(chǎng)強(qiáng)度地理分布西、北、東、南四個(gè)方向場(chǎng)強(qiáng)均值分別為：-63.498dBmW；-62.878dBmW；-63.257dBmW；-62.298dBmW西、北、東、南各方向磁場(chǎng)強(qiáng)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(lái)看圖書(shū)館南側(cè)信號(hào)強(qiáng)度最好，而西側(cè)則最差；標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看則是西側(cè)最小，說(shuō)明波動(dòng)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(shū)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(jiàn)的。而

9、均值南側(cè)最大東側(cè)最小極有可能是因?yàn)殡姶挪ǖ牟ㄔ次恢闷髂希阅蟼?cè)受到的損耗較小。2. 磁場(chǎng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布由于受到傳播路徑等諸多因素的影響，故磁場(chǎng)強(qiáng)度分布呈波動(dòng)特性。理論分析表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)高斯分布特性，針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可得到磁場(chǎng)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布，對(duì)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(jì)，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(shū)館周?chē)鷶M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(gè)方向的概率累分布圖：如上圖所示，斜率越大則表明磁場(chǎng)的分布區(qū)間越窄，即分布越集中。可以看出幾個(gè)方向的圖基本符合s型曲線，其中圖書(shū)館北側(cè)的圖最漂亮，且中間斜率較高，信號(hào)強(qiáng)度較為集中。由此可以看出北側(cè)信號(hào)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(jī)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(shí)變性，導(dǎo)致接收信號(hào)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(shū)館建筑體近似表面是正方形的長(zhǎng)方體，每個(gè)面都是個(gè)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(duì)于圖書(shū)館周?chē)鷾y(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度大致呈周期性變化，即在若干點(diǎn)上直射波和反射波的疊加導(dǎo)致該點(diǎn)位于波節(jié)點(diǎn)上，故場(chǎng)強(qiáng)衰落很大；在另外若干點(diǎn)上直射波和反射波的疊加導(dǎo)致該點(diǎn)位于波腹點(diǎn)上，故場(chǎng)強(qiáng)衰落很小。事實(shí)上，由于無(wú)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(wú)線通信中普遍存在，只是在這種更便于簡(jiǎn)化分析，得出相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論。問(wèn)題解決與分析1. Matlab仿真研究與分析本次實(shí)驗(yàn)前對(duì)Matlab了解比較少，通過(guò)查閱書(shū)籍對(duì)Matlab的使用有了基本的了解。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)查閱相關(guān)函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本次實(shí)驗(yàn)中比較困難的地方是生成殘差圖，在圖表選項(xiàng)中通過(guò)不斷摸索，終于找到相關(guān)位置。同時(shí)，處理數(shù)據(jù)過(guò)程中感受到了Matlab的強(qiáng)大。2. 特殊點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)分布的研究場(chǎng)強(qiáng)分布研究大體可從兩方面入手，即地理位置和統(tǒng)計(jì)分布。地理分布直觀上反映了場(chǎng)強(qiáng)在地理位置上的大體分布情況，而統(tǒng)計(jì)分布則從概率的角度上更加有效準(zhǔn)確的反映了一個(gè)地點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)特性。從我們這次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況

13、來(lái)看，對(duì)于圖書(shū)館的磁場(chǎng)強(qiáng)度造成主要影響的是陰影衰落，這一衰落效應(yīng)在測(cè)量圖書(shū)館室外的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)效果尤其明顯，在東面采集數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)椴煌攸c(diǎn)遮擋物不同，故接收功率有很大出入；而在西面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量點(diǎn)均未被圖書(shū)館所遮擋，測(cè)量地點(diǎn)比較寬闊，故接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差較小。但從另一方面來(lái)講，由于采集的數(shù)據(jù)并不夠充分，而且不排除在測(cè)量過(guò)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(duì)于移動(dòng)無(wú)線信道，其主要特征就是多徑傳播。多徑傳播是由于無(wú)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?dòng)臺(tái)的天線時(shí)，信號(hào)不是單一路徑來(lái)的，而是許多路徑來(lái)的多個(gè)信號(hào)的疊加。因?yàn)殡姴ㄍㄟ^(guò)各個(gè)路徑的距離不同，所以各個(gè)路徑電波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，相位也就不同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，有時(shí)是同相疊加而加強(qiáng)，有時(shí)是反向疊加而減弱。這樣接收信號(hào)的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了所謂的多徑衰落。應(yīng)該說(shuō)多徑衰落時(shí)無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在于任意一處地理空間的，但是對(duì)于本次場(chǎng)強(qiáng)測(cè)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(cè)量中相鄰的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離為半個(gè)波長(zhǎng)，在測(cè)量過(guò)程中可以很明顯的觀察到相鄰的兩個(gè)頻點(diǎn)的功率相差很大，通過(guò)定性分析其為頻率選擇性衰落。分工安排本次實(shí)驗(yàn)兩個(gè)

15、人一起測(cè)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(shí)驗(yàn)報(bào)告兩人共同完成。心得體會(huì)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)影響信號(hào)的幾個(gè)因素(傳播距離、遮擋物、天氣)等有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)和了解，對(duì)于通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了一個(gè)簡(jiǎn)單的概念。除此以外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的處理，對(duì)于Matlab的使用有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，同時(shí)認(rèn)識(shí)到它的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中的文件格式應(yīng)為xls格式。2. 室外場(chǎng)強(qiáng)地理分布處理bar（y）其中，y為數(shù)據(jù)數(shù)組。3. 室外磁場(chǎng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)處理histfit(y)其中，y為數(shù)據(jù)數(shù)組。4. 室外

16、磁場(chǎng)強(qiáng)度概率累計(jì)處理及平均差、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)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(huì)生成概率累計(jì)圖和最值、中間值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)。附：磁場(chǎng)測(cè)量原始數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間：2015.5.20地點(diǎn)：圖書(shū)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-