北郵電磁場和電磁波實驗報告.doc

信息與通信工程學(xué)院電磁波與電磁場實驗報告北郵學(xué)5樓電磁波輻射場強的研究班級：2009211114姓名：班內(nèi)序號： 日期：2012.3一、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 研究北郵學(xué)5樓電磁波輻射強度的分布規(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 通過實地測量和撰寫實驗報告，加深對電磁場和電磁波基礎(chǔ)知識的理解，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的研究態(tài)度，提高對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理能力。二、實驗原理無線通信系統(tǒng)有發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、無線信道、接收機(jī)、接收天線所組成。對于接收者，只有處在發(fā)射信號的覆蓋區(qū)域內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接收信號，此時，電波場強大于等于接收機(jī)的靈敏度。因此，基站的覆蓋區(qū)的大小，是無限工程師所關(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(jī)高度、人體效應(yīng)、接收機(jī)靈敏度、建筑物的穿透損耗、同波、同頻干擾。發(fā)射機(jī)接收機(jī)發(fā)射天線接收天線無線信道2.1大尺度路徑損耗 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(jī)與接收機(jī)之間信號的平均衰落，即定義為有效發(fā)射功率和平均接收功率之間的（dB）差值，根據(jù)理論和測試的傳播模型，無論室內(nèi)還是室外信道，平均接收信號功率隨距離對數(shù)衰減，這種模型已被廣泛使用。對于任意的傳播距離，大尺度平均路徑損耗表示為： （n依賴于具體的傳輸環(huán)境）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的速度；d0為近地參考距離；d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)（T-R）之間的距離。公式中的橫崗表示給定值d的所有可能路徑損耗的綜合平均。坐標(biāo)為對數(shù)對數(shù)時，平均路徑損耗或平均接收功率可表示為斜率10ndB/10倍程的直線。n值依賴于特定的傳播環(huán)境。例如在自由空間，n為2，當(dāng)有阻擋物時，n比2大。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)出各種電波傳輸模型。下邊介紹幾種常用的描述大尺度衰落的模型。2.2 常用的電波傳播模型 2.2.1自由空間模型自由空間模型假定發(fā)射天線和接收臺都處在自由空間。我們所說的自由空間一是指真空，二是指發(fā)射天線與接收臺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到達(dá)移動臺的。自由空間模型計算路徑損耗的公式是： 其中是以為單位的路徑損耗，d是以公里為單位的移動臺和基站之間的距離，f是以MHz為單位的移動工作頻點或工作頻段的頻率?？諝獾奶匦越茷檎婵眨虼水?dāng)發(fā)射天線和接收天線距離地面都比較高時，可以近似使用自由空間模型來估計路徑損耗。2.2.2布靈頓模型布靈頓模型假設(shè)發(fā)射天線和移動臺之間是理想平面大地，并且兩者之間的距離d遠(yuǎn)大于發(fā)射天線的高度ht或移動臺的高度hr。布靈頓模型的出發(fā)角度是接收信號來自于電波的直射和一次反射，也被叫做“平面大地模型”。該模型的路徑損耗公式為：單位： d（km） ht（m）hr（m）Lp（dB）系統(tǒng)設(shè)計時一般把接收機(jī)高度按典型值hr=1.5m處理，這時的路徑損耗計算公式為： 按自由空間模型計算時，距離增加一倍時對應(yīng)的路徑損耗增加6dB，按布靈頓模型計算時，距離增加一倍時對應(yīng)的路徑損耗要增加12dB。2.2.3 EgLi模型前述的2個模型都是基于理論計算分析得出的計算公式。EgLi模型則是從大量實測結(jié)果中歸納出來的中值預(yù)測模型，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。其路徑損耗公式為：單位： d（km） ht（m） hr（m） f（MHz）G（dB） Lp（dB）其中G是地下修復(fù)因子，G反映了地形因素對路徑損耗的影響。EgLi模型認(rèn)為路徑損耗同接收點的地形起伏程度有關(guān)，地形起伏越大，則路徑損耗也越大。當(dāng)用米來測量時，可按下式近似的估計地形的影響：若將移動臺的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型則有：2.2.4 Hata-Okumura模型該模型也是依據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀．?dāng)hr=1.5m時，按此模型計算的路徑損耗為：市區(qū)： 開闊地： 單位： d（km） ht（m）f（MHz）Lp（dB）一般情況下，開闊地的路徑損耗要比市區(qū)小。2.3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，由于這種原因造成的衰落也叫“陰影衰落”或“陰影效應(yīng)”。在陰影衰落的情況下，移動臺被建筑物遮擋，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，特定位置的接收功率為隨機(jī)對數(shù)正態(tài)分布即：其中，為均值為0的高斯分布隨機(jī)變量，單位為，標(biāo)準(zhǔn)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T-R距離時，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)分布的概率密度函數(shù)是:應(yīng)用于陰影衰落時，上式的x表示某一次測量得到的接收功率，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、建筑物密度有關(guān)，在市區(qū)的150MHz頻段其典型值是5.除了陰影衰落外，大氣變化也會導(dǎo)致慢衰落。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。下表列出了陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差，其中的是陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。 表1 陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差（dB）頻率（MHZ）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形（米）城市郊區(qū)501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418212.4建筑物的穿透損耗建筑物的穿透損耗的大小對于研究室內(nèi)無線信道具有重要意義。穿透損耗也稱為大樓效應(yīng)，一般是指建筑物一樓內(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(jī)位于室外，接收機(jī)位于室內(nèi)，電波從室外進(jìn)入室內(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)所測得每一點的功率，單位，共個點，是在室外所測得每一點的功率，單位，共個點。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 研究在北郵學(xué)5樓內(nèi)電磁波傳播規(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 研究北郵學(xué)5樓這樣的建筑物中電磁波傳播與隨著樓層的變化規(guī)律。四實驗猜想五、數(shù)據(jù)測量4.1測量環(huán)境我們選擇在北京郵電大學(xué)學(xué)5樓進(jìn)行室內(nèi)信號的測量。選擇測量的頻段為無線電視頻道174.75MHz。測量時間為周末下午13:30到16:30，此時樓內(nèi)人的走動較少，門的開關(guān)也很少，室內(nèi)環(huán)境比較穩(wěn)定，比較適合我們的測量。根據(jù)測定要求，每半個波長測定一次數(shù)據(jù)，則對于174.75MHz而言，每個波長約為1.7m，半個波長為0.85m，故實驗時選定每正常的兩步測定一個數(shù)據(jù)。同時，打開場強儀的聲音，宏觀地感受接收到音頻信號的強度變化。我們共選擇了8層樓進(jìn)行測量，分為3組：中間樓層8、9、10層，低層樓4、3、1層、高層樓15、14樓。每層測的數(shù)據(jù)為60個以上，取穩(wěn)定的中間60個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測量的數(shù)據(jù)如下：北郵學(xué)5樓電磁波場強測量數(shù)據(jù)2012.03.11單位：-dBmwf10f9f8f4f3f1f15f1443.6 47.6 43.6 67.4 67.4 73.7 56.1 49.1 45.5 48.3 44.0 70.2 71.6 76.2 52.5 49.2 51.6 52.5 49.9 68.1 71.9 70.6 49.0 47.4 49.2 57.3 54.6 70.4 70.0 70.4 60.5 52.9 51.8 49.7 47.7 70.8 69.2 71.9 52.8 48.0 58.1 49.4 53.0 70.6 70.2 71.4 56.6 51.6 56.6 54.3 64.2 71.2 72.1 72.1 67.3 62.5 56.6 59.8 62.6 72.8 69.8 72.8 59.8 57.9 55.6 53.8 61.4 71.4 70.4 71.4 58.4 58.7 60.5 55.0 51.6 73.6 69.8 75.0 58.2 67.6 60.8 63.6 56.3 73.0 69.1 73.2 69.6 56.7 61.0 51.0 59.7 74.4 73.0 74.2 70.6 57.8 61.2 53.2 57.3 72.7 72.6 73.9 65.2 59.6 72.3 60.0 57.2 72.3 72.3 75.6 61.0 58.8 68.1 55.4 64.8 74.8 74.3 75.4 70.8 61.0 68.2 58.1 65.7 74.0 72.7 76.0 71.0 60.2 68.6 59.3 62.7 74.6 74.5 75.0 71.8 63.3 69.1 59.6 63.1 72.8 74.0 74.8 72.0 64.9 70.8 65.0 61.3 75.0 74.3 74.7 70.4 68.5 71.1 64.6 68.4 75.1 74.1 75.0 70.7 69.4 71.5 66.0 62.1 73.2 74.4 74.9 69.9 69.6 68.2 65.8 67.6 72.7 73.2 75.0 71.4 73.0 66.7 68.1 62.2 74.5 73.8 74.6 69.7 66.2 69.7 65.4 65.9 74.2 73.3 76.0 68.2 67.6 67.9 67.0 68.0 74.4 72.2 74.8 70.5 71.4 72.0 68.4 69.6 73.4 74.4 74.9 67.4 70.5 71.3 71.0 62.6 74.5 74.3 73.0 72.3 68.9 69.2 63.1 65.2 74.3 73.8 74.7 68.2 72.0 70.3 67.1 66.1 74.4 73.5 72.4 67.9 68.2 63.5 67.1 64.0 73.0 72.7 71.9 69.4 70.9 67.0 66.0 62.9 74.4 72.4 72.6 66.0 66.5 71.2 64.1 64.9 74.6 72.4 74.0 68.1 68.4 68.3 72.0 60.5 74.6 72.8 71.1 66.4 68.9 60.8 65.6 57.6 75.2 67.8 71.0 71.9 65.2 59.8 65.4 61.3 75.2 66.1 71.4 64.4 68.4 67.2 69.1 61.8 71.1 70.7 72.7 60.8 66.4 62.2 71.8 56.3 69.6 71.4 72.4 57.3 70.7 62.6 63.5 56.0 70.8 70.3 72.4 58.9 65.1 57.7 57.1 60.4 70.5 73.2 74.7 60.8 63.6 59.3 69.4 63.0 71.2 73.5 72.5 62.6 58.8 65.0 63.5 53.2 71.5 74.7 73.2 64.5 62.5 64.8 64.6 62.8 72.8 72.5 72.7 61.6 66.2 64.0 58.4 70.0 72.3 73.2 69.8 58.7 63.0 68.0 60.1 64.0 73.7 72.6 70.6 67.8 68.8 68.6 72.8 63.6 74.6 73.1 74.4 65.1 63.6 63.4 67.1 63.2 74.5 75.0 72.4 68.9 63.0 64.3 67.5 66.4 72.8 75.0 72.6 68.2 68.7 70.2 71.2 68.0 76.2 75.1 75.0 66.0 61.9 69.5 67.2 68.4 72.6 74.9 74.1 64.6 67.5 70.2 66.8 70.6 72.6 74.8 75.0 68.2 63.9 74.3 66.9 69.2 72.8 74.4 75.1 70.4 65.8 69.5 70.0 70.3 74.5 73.2 75.2 68.4 66.3 69.2 70.6 71.3 74.7 74.4 74.9 68.6 65.9 74.5 70.2 72.8 74.6 73.2 75.1 68.1 66.1 71.2 72.0 68.7 74.5 74.8 75.3 71.2 70.1 69.8 68.5 68.0 73.8 75.6 75.6 68.0 71.4 68.0 70.4 71.2 74.6 72.4 76.8 67.7 70.5 71.2 71.8 68.6 72.7 73.8 76.4 67.3 71.3 69.8 70.2 68.4 72.4 72.6 76.1 71.6 71.4 68.0 73.4 63.2 73.5 73.0 74.8 72.0 71.6 71.2 68.2 64.0 72.5 72.7 75.1 71.2 71.1 4.2測量注意事項（1）在使用場強儀時，由于天線的長度、方向等對于接收信號的強度值是有影響的，而且影響還不小，所以在使用時要保證天線始終處于全伸直狀態(tài)，并且盡量在測定一個區(qū)域時保證其方向不變，。（2）在測量時盡量保持身體的姿勢是不變的，減少由于身體的姿勢的不同而導(dǎo)致的對于測量的干擾。（3）在讀數(shù)時應(yīng)該注意，有時測量到的場強強度變化較快，有時甚至在一個比較夸張的動態(tài)范圍內(nèi)跳變，這時應(yīng)等待讀數(shù)數(shù)值比較穩(wěn)定時再進(jìn)行讀數(shù)，以免造成較大的誤差。（4）遇到有不穩(wěn)定情況時，比如有人走動，有人開關(guān)門，或者有人在樓道內(nèi)打移動電話時，應(yīng)在原地停止讀數(shù)，等周圍環(huán)境穩(wěn)定時再重新讀數(shù)。（5）場強儀電力不足時，應(yīng)停止測量，等充好了電再進(jìn)行測量。五、數(shù)據(jù)處理5.1matlab源程序：clear all; close all; tmp=xlsread(I:xwh.xls,H7:H67);%讀入數(shù)據(jù),14層的數(shù)據(jù)位于Exel表格H7至H67區(qū)域length=size(tmp,1); figure(1); subplot(1,2,1); histfit(tmp); axis(30,80,0,40); grid on; title(功率概率分布圖); xlabel(功率值(-dBmw); ylabel(樣本數(shù)(個);legend(實際樣本分布,標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線);%畫接收信號強度概率分布柱狀圖以及標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線 subplot(1,2,2); h,s=cdfplot(tmp); axis(30,80,0,1); hold on; text(30,0.95,最小值= ,num2str(s.min);%計算最小值 text(30,0.85,最大值= ,num2str(s.max);%計算最大值 text(30,0.75,均值= ,num2str(s.mean);%計算平均值 text(30,0.65,標(biāo)準(zhǔn)差= ,num2str(s.std); %計算標(biāo)準(zhǔn)差title(累積概率分布);%畫累計分布曲線附錄：使用的相關(guān)matlab函數(shù)：num = xlsread(filename, range)：讀取文件中某個區(qū)域中的數(shù)據(jù)。subplot（m,n,p）：subplot是將多個圖畫到一個平面上的工具。其中，m表示是圖排成m行，n表示圖排成n列，也就是整個figure中有n個圖是排成一行的，一共m行，如果第一個數(shù)字是2就是表示2行圖。p是指你現(xiàn)在要把曲線畫到figure中哪個圖上，最后一個如果是1表示是從左到右第一個位置。 histfit(x): histfit可以添加正態(tài)曲線的直方圖。h,stats = cdfplot(x)：繪制經(jīng)驗累計分布函數(shù)圖，顯示了一維向量X的累計概率分布F(x)的圖形。stats包含以下參數(shù)：stats.min 最小值 stats.max 最大值 stats.mean 樣本均數(shù) stats.median 中位數(shù) stats.std 樣本標(biāo)準(zhǔn)差5.2數(shù)據(jù)分析5.2.1 中層樓層5.2.1A 學(xué)5 10層從上面的接收功率概率分布柱狀圖的模型來看，實際的樣本曲線接近于理想的概率分布正態(tài)分布。而對應(yīng)于累計概率分布而言，其表現(xiàn)出平滑特性，并且均值和中值吻合的相當(dāng)好，標(biāo)準(zhǔn)差為3.7924，符合要求。但圖中-55dbm至-57dbm的區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)了一個短暫的下降。原因如下：1、由于采集的點數(shù)為100個，樣本數(shù)量有限，而正態(tài)曲線是大量數(shù)據(jù)擬 合得出的統(tǒng)計結(jié)果，因此在統(tǒng)計意義上有一定的誤差。2、由于當(dāng)時采樣時有比較強烈的風(fēng)存在，導(dǎo)致樹木等不斷搖擺，同時由于測量時有車輛、人群經(jīng)過，對于測量而言都為干擾，因此造成測量的精度不夠。3、場強儀由于環(huán)境因素導(dǎo)致顯示的數(shù)值不斷的發(fā)生跳變，因此人為估算時造成的誤差。從主干道接收強度分布圖來看，在測量到第2830個點時信號強度發(fā)生了突然的很大的衰減，這是由于此時測量地點正好經(jīng)過學(xué)四樓與圖書館之間，在這段距離里，由于兩邊是相對封閉的區(qū)域，經(jīng)過建筑物的遮擋，導(dǎo)致信號的衰落陡然加大，故測量的信號強度變小。但從總體來看，信號強度在主干道上由北向南是比較均勻的。5.2.1B 學(xué)5 9層接收信號強度基本符合正態(tài)分布曲線。對應(yīng)累積概率分布曲線較平滑，并且均值與中值接近。標(biāo)準(zhǔn)差為4左右。從信號功率分布圖來看，雖然采集的個別點數(shù)會出現(xiàn)一定的跳變，但從總體來說，在從主席像到西門的過程中，信號的強度是逐漸下降的（這從圖中顏色的總體變化趨勢可以得出）。這是因為在這樣一個相對開闊的地帶，在由東向西的過程中，測量地點距離基站的距離越來越遠(yuǎn)，故接收信號的強度也就不斷的衰減。5.2.1C 學(xué)5 8層學(xué)六的信號特征是比較特殊的，雖然其滿足信號概率分布為正態(tài)，但是其信號功率分布卻與其他地點有明顯的不同。首先從圖上可以發(fā)現(xiàn)整體信號的強度以紅色表示為主，這意味這一地點的總體信號強度較其他地區(qū)是比較弱的。這與學(xué)六的樓身構(gòu)造是有密切聯(lián)系的。學(xué)六是一種三面樓身的構(gòu)造，只有東側(cè)有一個入口，但在其東側(cè)還有住宅樓，這種接近于全封閉的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致信號很難直接進(jìn)入，只能借助于繞射、透射、反射等，因此信號的強度弱。圖中測量的第57-60個點時信號強度極弱，這是測量地點正好為學(xué)六深處樓層入口處，我們可以發(fā)現(xiàn)此時信號的強度達(dá)到了極弱。同樣的道理，這種封閉結(jié)構(gòu)不僅對97.4MHz的信號有影響，對于手機(jī)信號也一樣，這也正好比較恰當(dāng)?shù)慕忉屃藢W(xué)六的同學(xué)經(jīng)常出現(xiàn)手機(jī)等通訊設(shè)備無信號、無法接通的狀況。5.2.2 低層樓層5.2.2A 學(xué)5 4層對于主樓而言，并不是十分切合正態(tài)分布曲線，特別是中值附近，這是由于由于圍繞主樓周圍的環(huán)境是很復(fù)雜的，測量時由于距離主樓較近，導(dǎo)致測量的結(jié)果不僅僅由隨機(jī)因素導(dǎo)致，而且還由建筑物結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。另外，從信號強度分布圖來看，在從第50個測量點之后的數(shù)據(jù)都是大于-50dbm的，信號強度很好。這是由于此時的測量地點恰好為主樓的東側(cè)的南北路上，這條路是相對開闊的，所以信號在傳播的過程中沒有大的衰減，信號強度較大。5.2.2B 學(xué)5 3層對于風(fēng)雨操場而言，其周圍的環(huán)境是相對于其他環(huán)境最為簡單的，周圍沒有大的建筑物的遮擋，屬于最理想的開闊地帶。因此信號強度概率分布很接近于正態(tài)曲線。累計概率分布也非常的平滑。同時，從信號功率分布圖上可以知道，信號的強度值均為-55dbm以上，這也是由于信號衰減較小造成的。5.2.2C 學(xué)5 1層對于1層來說，實際樣本分布于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線比較符合，只是在-74dBmw的位置有一個突然的下降。累積概率曲線非常平滑，最大最小值分別為-69.8dBmw 和-76.8dBmw,均值為-73.7787mw，通過場強儀聽到的噪聲非常大，在說明本區(qū)域該波段電磁波強度較弱，標(biāo)準(zhǔn)差為1.7395，數(shù)據(jù)分布區(qū)間小而且比較均勻，這是因為在1層，一方面受附近建筑物的遮擋比較嚴(yán)重，另一方面受其他噪聲的影響非常大。5.2.3 高層樓層5.2.3A 學(xué)5 15層實際樣本分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線有一定的差異，實際所測數(shù)據(jù)只有上升的趨