北京郵電大學(xué)電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告室外

1、電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)特性的研究實(shí)驗(yàn)姓名學(xué)號(hào)班級(jí)班內(nèi)序號(hào)伊迪201321104720901沃子堯201321104820902劉博聞2013211049209032016 年03月25日1/191 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過(guò)實(shí)地測(cè)量校園內(nèi)室內(nèi)外的無(wú)線電信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值，掌握室內(nèi)外電波傳播的規(guī)律。2、熟悉并掌握無(wú)線電中的傳輸損耗，路徑損耗，穿透損耗，衰弱等概念。3、熟練使用無(wú)線電場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)試空間電場(chǎng)的方法。4、學(xué)會(huì)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到相關(guān)傳播模型。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備HF-4040 場(chǎng)強(qiáng)儀。3 實(shí)驗(yàn)原理3.1 電波傳播方式電磁場(chǎng)在空間中的傳輸方式主要有反射，繞射，散射三種模式。 當(dāng)電磁波傳播遇到比

2、波長(zhǎng)大很多的物體時(shí)，發(fā)生反射。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間無(wú)線路徑被尖銳物體阻擋時(shí)發(fā)生繞射。當(dāng)電波傳播空間中存在物理尺寸小于電波波長(zhǎng)的物體，且這些物體的分布比較密集時(shí)，產(chǎn)生散射。 散射波產(chǎn)生于粗糙表面， 如小物體或其他不規(guī)則物體、樹葉、街道、標(biāo)志、燈柱。3.2 無(wú)線信道中信號(hào)衰減無(wú)線信道中的信號(hào)衰減分為衰弱， 路徑損耗， 建筑物穿透損耗。 此外還有很多路徑傳播的影響 .1、移動(dòng)環(huán)境下電波的衰弱包括快衰弱和慢衰弱 （也叫慢衰弱），快衰弱的典型分布為 Rayleigh 分布和 Rician 分布；陰影衰弱的典型分布為正態(tài)分布?？焖偎ト鹾蜐M衰弱兩者構(gòu)成移動(dòng)通信系統(tǒng)中接受信號(hào)不穩(wěn)定因素。2、路徑損耗：測(cè)量發(fā)射

3、機(jī)和接收機(jī)之間信號(hào)的平均衰弱。即定義為有效發(fā)射功率（ Pt）和平均接收功率（ Pr）之差（ dB）。距離是決定路徑損耗大小的首要因素；除此之外， 還與接收點(diǎn)的電波傳播條件密切相關(guān)。 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， 對(duì)任意的傳輸距離，大尺度平局路徑損耗表示為：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(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。2/19人們根據(jù)不同地形地貌條件， 總結(jié)出各種電波傳輸； 自由空間模型， 布靈頓模型， Egli 模型， HaTa-Okumura模型。3.2.1 自由空間模型我們說(shuō)的自由

4、空間一是指真空， 二是指發(fā)射天線與接收平臺(tái)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達(dá)到移動(dòng)臺(tái)的。 自由空間模型計(jì)算路徑損耗公式是：其中是以公里為單位的移動(dòng)平臺(tái)和基站之間的距離。是以MHz 為單位的移動(dòng)工作頻點(diǎn)或工作頻段的頻率。3.2.2 布靈頓模型布靈頓模型假設(shè)發(fā)射天線和移動(dòng)平臺(tái)之間的地面時(shí)理想平面大地， 并且兩者之間的距離（單位： m）遠(yuǎn)大于發(fā)射天線的高度 ht（單位： Km ）或移動(dòng)臺(tái)高度hr（單位： Km ），此時(shí)的路徑消耗（單位： dB）計(jì)算公式為：3.2.3 Egli 模型EgLi 模型是從大量實(shí)測(cè)結(jié)果中歸納出來(lái)的中值預(yù)測(cè)公式，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其?jì)算公式為 :EgL

5、i 模型認(rèn)為路徑損耗同接收點(diǎn)的地形起伏 ?h 有關(guān)，地形起伏越大，則路徑損耗也越大，當(dāng) ?h 用米來(lái)測(cè)量的時(shí)候，可按照下面的式近似的估計(jì)地形的影響：3.2.4 HaTa-Okumura 模型HaTa-Okumura 模型也是一句實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的模型，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)高度為靜電紙 hr = 1.5m 時(shí)，按照 HaTa-Okumura 模型計(jì)算路徑損耗的公式為：市區(qū)： Lp1 = 69.5526.2Lgf-13.82Lght+ (44.9-6.55Lght ) Lgd開闊地： Lp2=Lp1-4.78 () 2+18.33-40.94一般情況下，開闊地的路徑損耗都比市區(qū)小。3.2.5 建筑物的穿透損耗定義

6、：建筑物外測(cè)量的信號(hào)的中值電廠強(qiáng)度和同一位置室內(nèi)測(cè)量的信號(hào)中值電廠強(qiáng)度之差 (dB)。建筑物穿透損耗的大小同建筑物的材料、結(jié)構(gòu)、高度、室內(nèi)3/19陳設(shè)、工作頻率等多種因素有關(guān)。 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：?P 為穿透損耗 (dB)，是在室內(nèi)所測(cè)得沒(méi)一點(diǎn)的功率（單位：dBv），共 M個(gè)點(diǎn)。是在室外所測(cè)的每一個(gè)點(diǎn)的功率（單位：dBv），共 N 個(gè)點(diǎn) .4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、根據(jù)不同的地形地貌條件，歸納總結(jié)各種環(huán)境條件下可能采用的各種點(diǎn)播傳播模型；在數(shù)據(jù)測(cè)試之前，先用理論模型在理論上對(duì)待測(cè)區(qū)進(jìn)行一下分析。2、觀測(cè)波段

7、的確定；實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的確定。3、數(shù)據(jù)的測(cè)量；第一組數(shù)據(jù)在空間開放區(qū)域，地點(diǎn)自行選擇，每半個(gè)波長(zhǎng)為單位記錄數(shù)據(jù)。4、第二組數(shù)據(jù)可以選在室內(nèi)，例如，樓道或房間，仍以半個(gè)波長(zhǎng)為單位記錄數(shù)據(jù)。5、第三組數(shù)據(jù)在建筑物的遮擋下，觀察 “陰影衰弱 ”；總結(jié)衰弱服從的分布規(guī)律。6、第四組數(shù)據(jù)可以找個(gè)地點(diǎn)， 以反映建筑物外和建筑物內(nèi)之間的場(chǎng)強(qiáng)差異。對(duì)建筑物穿透損耗的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析， 用室外平均信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減去同一位置室內(nèi)的所測(cè)信號(hào)的額平均場(chǎng)強(qiáng)，得到的建筑物穿透損耗。7、數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)錄用可以用Excel 表格等工具，表格設(shè)計(jì)要清晰，數(shù)據(jù)點(diǎn)評(píng)的分布和處理利用 MATLAB 等工具，得到不同區(qū)域下信號(hào)電平分布情況；得到累

8、計(jì)概率分布曲線；得到理論值和實(shí)際值之間的標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行誤差分析。8、根據(jù)不同區(qū)域的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行比較分析，分析不同環(huán)境下造成這些結(jié)果的原因。9、模型分析：根據(jù)自己所測(cè)試的數(shù)據(jù)，分析不同地帶的測(cè)試結(jié)果，所適用的理論模型。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5.1.1 開闊空間測(cè)量地點(diǎn)：風(fēng)雨操場(chǎng)與體育館之間道路。選取頻率 940MHz ，測(cè)量間隔為半波長(zhǎng) 16cm。（數(shù)據(jù)順序?yàn)閺纳系较?，從左到右?/19表 1 開闊空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄f = 940MHz = 32cm 距離間隔 = 16cm信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbu

9、V)464341405136504241424140424142404242414639444242425146394143384340414442434042394340434139464340464044414042434241455.1.2 室內(nèi)測(cè)量地點(diǎn)：教三一樓走廊。選取頻率 940MHz ，測(cè)量間隔為半波長(zhǎng) 16cm。（數(shù)據(jù)順序?yàn)閺纳系较?，從左到右）?2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄f = 940MHz = 32cm 距離間隔 = 16cm信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)30282637463130263944342

10、82942503429294744352632433940253246383925335438362633464530303546402942354739344242474432324338302936465.1.3 建筑物遮擋測(cè)量地點(diǎn)：主樓東側(cè)陰影區(qū)域道路。選取頻率940MHz ，測(cè)量間隔為半波長(zhǎng)16cm。（數(shù)據(jù)順序?yàn)閺纳系较拢瑥淖蟮接遥?/19表 3 建筑物遮擋實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄f = 940MHz = 32cm 距離間隔 = 16cm信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)信號(hào)強(qiáng)度 (dbuV)40323232323532353234343335

11、373434333437363633343435373334343437333532343631353534363031323432303632303330363131333033313133323332355.1.4 建筑物內(nèi)外差異測(cè)量地點(diǎn)：教三外圍一周及教三一樓走廊。選取頻率 940MHz ，測(cè)量間隔為半波長(zhǎng) 16cm。（數(shù)據(jù)順序?yàn)閺纳系较?，從左到右）?4 建筑物內(nèi)外對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄f = 940MHz = 32cm距離間隔 = 16cm信號(hào)強(qiáng)度（ dbuV)西南內(nèi)側(cè)東北48.238.734.534.334.741.937.930.936.935.244.938.832.437.635.

12、144.836.929.637.83647.335.734.636.933.443.133.531.838.434.645.436.831.534.938.445.133.630.334.735.347.935.732.837.933.851.340.135.335.733.748.736.133.538.635.246.938.534.236.036.16/1943.841.147.641.948.938.647.939.842.534.545.838.346.839.552.740.446.93647.538.848.635.946.037.745.738.639.939.744.836.

13、444.232.946.535.744.737.947.937.345.937.749.137.844.834.946.942.845.632.748.736.553.337.447.936.351.135.252.736.451.937.348.637.946.338.243.736.544.735.429.733.630.534.930.229.330.235.834.134.731.330.429.627.929.829.331.531.632.732.134.833.533.931.134.237.435.635.836.335.933.833.732.931.632.534.636.

14、335.936.232.535.933.637.134.536.437.135.035.236.533.335.835.734.736.833.437.137.936.938.134.238.435.135.636.737.234.235.535.234.135.037.137.235.835.436.236.538.033.938.337.637.538.236.137.834.236.636.334.137.238.333.434.232.733.134.333.835.234.935.436.136.136.47/1944.835.131.538.537.946.236.833.538.

15、434.146.936.933.639.538.348.137.134.138.537.649.337.635.737.538.853.238.236.338.938.653.439.736.737.938.950.637.435.938.738.448.736.834.638.137.946.535.633.839.738.745.937.333.537.938.149.238.934.837.437.65. 2 作圖分析使用 MATLAB R2014b 軟件處理數(shù)據(jù)，流程如圖1 所示。圖 1源代碼見附錄。8/195.2.1 開闊空間開闊空間的信號(hào)電平概率分布、 累計(jì)概率分布、信號(hào)電平分布，

16、以及最大值、最小值、均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差如圖 2、圖 3 所示。圖 2圖 39/195.2.2 室內(nèi)室內(nèi)的信號(hào)電平概率分布、累計(jì)概率分布、信號(hào)電平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差如圖 4、圖 5 所示。圖 4圖 510/195.2.3 建筑物遮擋建筑物遮擋即“陰影衰落”的信號(hào)電平概率分布、累計(jì)概率分布、信號(hào)電平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差如圖8、圖 9 所示。圖 8圖 95.2.4 建筑物內(nèi)外區(qū)別建筑物教三樓外圍一周的信號(hào)電平概率分布、 累計(jì)概率分布、信號(hào)電平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差如圖 10、圖 11 所示。教三內(nèi)一樓如圖 12、圖 13 所示1

17、1/19圖 10圖 1112/19圖 12圖 1313/195. 3 數(shù)據(jù)分析表 5 信號(hào)強(qiáng)度處理結(jié)果區(qū)域最小值 (dbuV)最大值 (dbuV)均值 (dbuV)標(biāo)準(zhǔn)差開闊空間365142.222.86室內(nèi)255436.547.27建筑物遮擋304033.482.09教三外一周325339.255.10教三內(nèi)一樓283833.022.275.3.1 開闊空間根據(jù)圖 3 由于操場(chǎng)附近空間較為開闊，電平分布較為均勻。由圖 2 得到的累計(jì)概率分布曲線可知， 此開闊空間的電波傳播比較符合布靈頓模型。5.3.2 室內(nèi)由圖 5 可以看出，教三一樓樓道內(nèi)， 信號(hào)衰減嚴(yán)重， 但有后面一段信號(hào)衰減較小，因?yàn)檫@

18、里接近大門，遮擋物較少，因此信號(hào)較強(qiáng)；而有些位置有教室，故信號(hào)衰減相對(duì)較大。由圖 4 的概率分布圖可知， 在樓道內(nèi)， 信號(hào)衰減很大， 且因?yàn)闃堑纼?nèi)部和門口位置環(huán)境情況差異較大，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度分布范圍廣，但仍呈衰減趨勢(shì)。5.3.3 建筑物遮擋由圖 7 可知，主樓東側(cè)信號(hào)衰減較大， 因?yàn)橹鳂潜容^高， 對(duì)信號(hào)的遮擋作用強(qiáng)。另外，由于主樓東墻比較平，門窗少，所以信號(hào)強(qiáng)度也比較均勻。由圖 6 的概率分布可知，其接近正態(tài)分布，符合陰影衰落的特點(diǎn)5.3.4 建筑物內(nèi)外區(qū)別由圖 11 可以看出，教三樓西側(cè)和南側(cè)的信號(hào)衰減小于東側(cè)和北側(cè)，推測(cè)原因?yàn)槲鱾?cè)和南側(cè)更為開闊， 以西是西土城路，以南有一片空地，附近的遮擋較

19、小。對(duì)比圖 11 和圖 13，可以看出教三樓內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度明顯小于樓外，符合理論的穿透損耗效應(yīng)。由圖 10 和圖 12，將教三外一周信號(hào)強(qiáng)度的均值與教三一層內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度均值做差，得到教三一層穿透損耗為5. 4 誤差分析從表 5 可知， 5 組標(biāo)準(zhǔn)差有一定差值，且與理論值不是很吻合，這是由于環(huán)境中的干擾因素比較多，如行人、車輛、樹木和其它建筑等。14/196 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得剛開始做實(shí)驗(yàn)時(shí)， 由于進(jìn)口的場(chǎng)強(qiáng)儀功能比較多，我們用了一段時(shí)間熟悉儀器。之后為了減小環(huán)境影響，使數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，我們將頻率選在了 940MHz 。但是這樣做也有缺點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)即測(cè)量間隔為 16cm，比較小，所以實(shí)際的測(cè)量間隔很難

20、準(zhǔn)確把握。處理數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)MATLAB軟件，得到的圖更加直觀，也更加便于分析。鍛煉了我們使用MATLAB處理數(shù)據(jù)的能力。實(shí)驗(yàn)加深了我們對(duì)無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)特性的認(rèn)識(shí)與理解， 也鍛煉了我們?cè)O(shè)計(jì)測(cè)試方案和分析問(wèn)題的能力附錄clear all;close all;%- 讀取文件 -%電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420data1.xlsx','Sheet1');電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420data1.xlsx','Sheet2');電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420data1.xlsx','Sheet3');電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420da

21、ta1.xlsx','Sheet4');電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420data1.xlsx','Sheet5');電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420data1.xlsx','Sheet6');電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420data1.xlsx','Sheet7');電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)0420data1.xlsx','Sheet9');%- 轉(zhuǎn)換成矩陣 -%a1=reshape(a,1,58);b1=reshape(b,1,63);c1=reshape(c,1,65);d1=r

22、eshape(d,1,58);e1=reshape(e,1,58);f1=reshape(f,1,58);g1=reshape(g,1,58);t1=reshape(t,1,232);%- 為畫平面場(chǎng)強(qiáng)圖作準(zhǔn)備-%a2=a1,zeros(1,58),1:58;a3=reshape(a2,58,3);b2=b1,zeros(1,63),1:63;b3=reshape(b2,63,3);15/19c2=c1,zeros(1,65),1:65;c3=reshape(c2,65,3);d2=d1,zeros(1,58),1:58;d3=reshape(d2,58,3);e2=e1,zeros(1,58

23、),1:58;e3=reshape(e2,58,3);f2=f1,zeros(1,58),1:58;f3=reshape(f2,58,3);g2=g1,zeros(1,58),1:58;g3=reshape(g2,58,3);%- 開闊空間 -%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(a1);% 畫柱狀圖%axis(40,80,0,30);grid on;str=' 開闊空間 ' '信號(hào)電平概率分布'title(str);xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個(gè) )'

24、);legend('實(shí)際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(a1)% 畫累積概率分布圖%axis(40,80,0,1);hold on;a1mean=num2str(s1.mean);a1estd=num2str(s1.std);text(43,0.23,' 最小值 = ',num2str(s1.min);text(43,0.18,' 最大值 = ',num2str(s1.max);text(43,0.13,' 均值 = ',num2str(s1.mean

25、);text(43,0.08,' 中值 = ',num2str(s1.median);text(43,0.03,' 標(biāo)準(zhǔn)差 = ',num2str(s1.std);title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');figure(12)surf(a3');% 畫衰落強(qiáng)度圖title(' 開闊空間信號(hào)電平分布圖');xlabel('<- 西東->');ylabel('<- 北南->');axis(1,58,1,2);caxis(35 55);colorbar('horiz

26、9;);16/19%- 室內(nèi) -%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(b1);% 畫柱狀圖axis(10,70,0,18);grid on;str=' 室內(nèi) ' '信號(hào)電平概率分布'title(str);xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個(gè) )');legend('實(shí)際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(b1)% 畫累積概率分布圖%axis(40,80,0,1);hol

27、d on;a1mean=num2str(s1.mean);a1estd=num2str(s1.std);text(43,0.23,' 最小值 = ',num2str(s1.min);text(43,0.18,' 最大值 = ',num2str(s1.max);text(43,0.13,' 均值 = ',num2str(s1.mean);text(43,0.08,' 中值 = ',num2str(s1.median);text(43,0.03,' 標(biāo)準(zhǔn)差 = ',num2str(s1.std);title('

28、對(duì)應(yīng)累積概率分布');figure(22)surf(b3');% 畫衰落強(qiáng)度圖title(' 室內(nèi)信號(hào)電平分布圖');xlabel('<- 西東->');ylabel('<- 北南->');axis(1,58,1,2);caxis(25 55);colorbar('horiz');%- 建筑物遮擋 -%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(c1);% 畫柱狀圖axis(20,50,0,18);grid on;str=' 建筑物遮擋 ' '信

29、號(hào)電平概率分布'title(str);xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個(gè) )');legend('實(shí)際樣本分布','理想概率分布線');17/19subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(c1)% 畫累積概率分布圖%axis(40,80,0,1);hold on;a1mean=num2str(s1.mean);a1estd=num2str(s1.std);text(35,0.23,' 最小值 = ',num2str(s1.min);text(3

30、5,0.18,' 最大值 = ',num2str(s1.max);text(35,0.13,' 均值 = ',num2str(s1.mean);text(35,0.08,' 中值 = ',num2str(s1.median);text(35,0.03,' 標(biāo)準(zhǔn)差 = ',num2str(s1.std);title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');figure(32)surf(c3');% 畫衰落強(qiáng)度圖title(' 建筑物遮擋信號(hào)電平分布圖');xlabel('<- 北南->&#

31、39;);ylabel('<- 西東->');axis(1,58,1,2);caxis(30 40);colorbar('horiz');%- 建筑物內(nèi)外區(qū)別-%figure(41)subplot(1,2,1);histfit(t1);% 畫柱狀圖%axis(20,65,0,35);grid on;str=' 建筑物內(nèi)外區(qū)別' '信號(hào)電平概率分布'title(str);xlabel(' 電平值 (-dBmw)');ylabel(' 樣本數(shù)量 (個(gè) )');legend('實(shí)際樣本分布','理想概率分布線');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(t1)% 畫累積概率分布圖%axis(40,80,0,1);hold on;a1mean=num2str(s1.mean);a1estd=