北郵電磁場(chǎng)及電磁波實(shí)驗(yàn)報(bào)告

信息與通信工程學(xué)院電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：校園無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)特性的研究姓名班級(jí)學(xué)號(hào)序號(hào)251272015年5月10日目 錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1二、實(shí)驗(yàn)原理 11、電磁波的傳播方式 12、尺度路徑損耗 13、陰影衰落 24、建筑物的穿透損耗的定義 3三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 3四、實(shí)驗(yàn)步驟 41、實(shí)驗(yàn)對(duì)象的選擇 42、數(shù)據(jù)采集 53、數(shù)據(jù)錄入 54、數(shù)據(jù)處理 6五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 71、各道路處理結(jié)果 72、場(chǎng)強(qiáng)情況匯總及分析 16六、誤差分析 19七、分工安排 20八、心得體會(huì) 20九、附表一：原始測(cè)量數(shù)據(jù) 21一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆赵谝苿?dòng)環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確的測(cè)試方法；研究校園內(nèi)各種不同環(huán)境下陰影衰落的分布規(guī)律；掌握在室內(nèi)環(huán)境下場(chǎng)強(qiáng)的正確測(cè)量方法，理解建筑物穿透損耗的概念；通過實(shí)地測(cè)量，分析建筑物穿透損耗隨頻率的變化關(guān)系；研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理1、電磁波的傳播方式無線通信系統(tǒng)是由發(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(duì)于接受者，只有處在發(fā)射信號(hào)的覆蓋區(qū)內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接受信號(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(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，同頻干擾等。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，如小物體或其它不規(guī)則物體﹑樹葉﹑街道﹑標(biāo)志﹑燈柱。2、尺度路徑損耗在移動(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)與接收機(jī)之間信號(hào)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(cè)試的傳播模型，無論室內(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：（式1）即平均接收功率為：（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(zhǎng)的速度，d0為近地參考距離，d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)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(biāo)為對(duì)數(shù)－對(duì)數(shù)時(shí)，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(dāng)有阻擋物時(shí)，n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它與接受點(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)驗(yàn)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。常用的電波傳播模型：自由空間模型布靈頓模型EgLi模型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(duì)電波的遮擋。在測(cè)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(huì)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(dòng)臺(tái)被建筑物所遮擋，它收到的信號(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，它們收到的信號(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，特定位置的接受功率為隨機(jī)對(duì)數(shù)正態(tài)分布即：（式3）其中，X為0均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位dB；標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位dB。對(duì)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(shí)，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，也叫高斯分布，概率密度函數(shù)為：（式4）應(yīng)用于陰影衰落時(shí)，上式中的表示某一次測(cè)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(biāo)準(zhǔn)差，單位是dB。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150MHz頻段其典型值是5dB。除了陰影效應(yīng)外，大氣變化也會(huì)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(shí)，下雨時(shí)，即使在同一個(gè)地點(diǎn)上，也會(huì)觀察到路徑損耗的變化。但在測(cè)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(biāo)準(zhǔn)差，其中(dB)是陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。QUOTE（dB）頻率（MHz）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形QUOTE（米）城市郊區(qū)501503001503.5~5.54~79111345067.51115189006.58141821表1.陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差（dB）4、建筑物的穿透損耗的定義建筑物穿透損耗的大小對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度和室外附近街道上中值電場(chǎng)強(qiáng)度dB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：（式5）是穿透損耗，單位是dB；是在室內(nèi)所測(cè)的每一點(diǎn)的功率，單位是，共個(gè)點(diǎn)；是在室外所測(cè)的每一點(diǎn)的功率，單位是，共個(gè)點(diǎn)。三、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)。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。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。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)對(duì)象的選擇在頻點(diǎn)的選擇方面，我們決定采用音樂臺(tái)廣播90.0MHz，此時(shí)的波長(zhǎng)約為3.33m，每隔半個(gè)波長(zhǎng)記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，也即大約1.5m（2步左右）讀取一個(gè)數(shù)據(jù)。由于對(duì)陰影衰落現(xiàn)象比較感興趣，我們選擇了室外作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。我們的記錄路線如下圖示。我們從教四的東南角出發(fā)，沿教四南側(cè)道路自東向西測(cè)量，而后到達(dá)ATM機(jī)處，再沿西門東側(cè)道路繼續(xù)測(cè)量，然后再沿著教三南側(cè)道路自西向東測(cè)量，最后沿著主干道自南向北測(cè)量并回到出發(fā)點(diǎn)。校醫(yī)院教三樓主草坪草坪主席像校訓(xùn)石西門干草坪草坪起點(diǎn)道教四樓測(cè)量地點(diǎn)及測(cè)量路徑2、數(shù)據(jù)采集利用場(chǎng)強(qiáng)儀DS1131測(cè)量無線信號(hào)的強(qiáng)度（單位：dBmw），以半個(gè)波長(zhǎng)為測(cè)量周期進(jìn)行測(cè)量，原始數(shù)據(jù)測(cè)量情況見附表1。3、數(shù)據(jù)錄入因?yàn)楹笃趯?duì)數(shù)據(jù)的處理會(huì)用到matlab，會(huì)有對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用，因此我們將數(shù)據(jù)重新錄入到excel表格中，并根據(jù)四條道路分別建立了相應(yīng)的表格，部分情況如下。一共測(cè)量有533個(gè)數(shù)據(jù)。4、數(shù)據(jù)處理流程采集到的數(shù)據(jù)有535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。具體的Matlab代碼和擬合方法在后文進(jìn)行了詳細(xì)敘述。數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab數(shù)據(jù)整理和錄入數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab數(shù)據(jù)整理和錄入數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)結(jié)論和報(bào)告整理場(chǎng)強(qiáng)分布統(tǒng)計(jì)分析，擬合，作圖實(shí)驗(yàn)結(jié)論和報(bào)告整理場(chǎng)強(qiáng)分布統(tǒng)計(jì)分析，擬合，作圖五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、各道路處理結(jié)果我們用matlab對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理。具體代碼及處理情況如下：matlab源代碼：clearall;closeall;%讀取文件%jiaosi=xlsread('F:\data\data1.xls');ximen=xlsread('F:\data\data2.xls');jiaosan=xlsread('F:\data\data3.xls');zhudao=xlsread('F:\data\data4.xls');%轉(zhuǎn)換成矩陣%jiaosi2=reshape(jiaosi,1,135);ximen2=reshape(ximen,1,156);jiaosan2=reshape(jiaosan,1,116);zhudao2=reshape(zhudao,1,126);%為畫平面場(chǎng)強(qiáng)圖作準(zhǔn)備%jiaosi3=[jiaosi2,zeros(1,135),[1:135]];jiaosi3=reshape(jiaosi3,135,3);ximen3=[ximen2,zeros(1,156),[1:156]];ximen3=reshape(ximen3,156,3);jiaosan3=[jiaosan2,zeros(1,116),[1:116]];jiaosan3=reshape(jiaosan3,116,3);zhudao3=[zhudao2,zeros(1,126),[1:126]];zhudao3=reshape(zhudao3,126,3);%教四南側(cè)道路%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(jiaosi2);%畫柱狀圖axis([-75,-40,0,30]);gridon;str={'教四南側(cè)道路';'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(jiaosi2)%畫累積概率分布圖axis([-75,-40,0,1]);holdon;jiaosimean=num2str(s1.mean);jiaosistd=num2str(s1.std);text(-58,0.23,['最小值=',num2str(s1.min)]);text(-58,0.18,['最大值=',num2str(s1.max)]);text(-58,0.13,['均值=',num2str(s1.mean)]);text(-58,0.08,['中值=',num2str(s1.median)]);text(-58,0.03,['標(biāo)準(zhǔn)差=',num2str(s1.std)]);title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');figure(12)surf(jiaosi3');%畫衰落強(qiáng)度圖title('教四南側(cè)道路信號(hào)電平分布圖');xlabel('<--東西-->');axis([1,135,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');處理結(jié)果：由圖可看出，教四南側(cè)道路的信號(hào)衰減總體來說比較小，可能是因?yàn)樵趶V場(chǎng)旁邊，地形變化小，遮擋物較少。在70附近的信號(hào)出現(xiàn)了比較大的波動(dòng)，信號(hào)衰減突增，可能是由于此時(shí)到到教四門口，周圍情況有了較大的變化，以及教四內(nèi)的各種儀器會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響。本地段的衰減與預(yù)期吻合，電平概率分布接近理論概率分布，符合信號(hào)先變大后變小的趨勢(shì)。%西門東側(cè)道路%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(ximen2);axis([-75,-40,0,40]);gridon;title('西門東側(cè)道路信號(hào)電平概率分布');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);[h2,s2]=cdfplot(ximen2)axis([-75,-40,0,1]);holdon;ximenmean=num2str(s2.mean);ximenstd=num2str(s2.std);text(-59,0.23,['最小值=',num2str(s2.min)]);text(-59,0.18,['最大值=',num2str(s2.max)]);text(-59,0.13,['均值=',num2str(s2.mean)]);text(-59,0.08,['中值=',num2str(s2.median)]);text(-59,0.03,['標(biāo)準(zhǔn)差=',num2str(s2.std)]);title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');figure(22)surf(ximen3');title('西門東側(cè)道路信號(hào)電平分布圖');xlabel('<--北南-->');axis([1,156,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');處理結(jié)果：西門東側(cè)道路兩邊的信號(hào)衰落非常大，這是由于兩邊是兩條路的交匯處，地形變化比較大，建筑物情況比較復(fù)雜。中間有一部分衰減非常小（紅色處），這是因?yàn)榻?jīng)過了毛主席廣場(chǎng)正對(duì)西門的出口，這里比較開闊，幾乎沒有遮擋物，所以信號(hào)的接收比較容易。從概率密度上來看，信號(hào)更加集中在中間，也就是西門處的電平值較密集，兩邊的概率都較小。%教三南側(cè)道路%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(jiaosan2);axis([-75,-40,0,30]);gridon;title('教三南側(cè)道路信號(hào)電平概率分布');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);[h3,s3]=cdfplot(jiaosan2)axis([-75,-40,0,1]);holdon;jiaosanmean=num2str(s3.mean);jiaosanstd=num2str(s3.std);text(-59,0.23,['最小值=',num2str(s3.min)]);text(-59,0.18,['最大值=',num2str(s3.max)]);text(-59,0.13,['均值=',num2str(s3.mean)]);text(-59,0.08,['中值=',num2str(s3.median)]);text(-59,0.03,['標(biāo)準(zhǔn)差=',num2str(s3.std)]);title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');figure(32)surf(jiaosan3');title('教三南側(cè)道路信號(hào)電平分布圖');xlabel('<--西東-->');axis([1,116,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');處理結(jié)果：教三南側(cè)道路的信號(hào)衰減由小變大，一開始比較小是因?yàn)樵诮倘蟼?cè)道路的西側(cè)建筑物的分布非常穩(wěn)定，地形基本無變化，干擾小。在后一半的測(cè)量，信號(hào)變得越來越難接收，可能是因?yàn)橛覀?cè)出現(xiàn)了校醫(yī)院，醫(yī)院內(nèi)的一些設(shè)施會(huì)對(duì)信號(hào)的接收造成影響，并且隨著距離南門越來越近，干擾也會(huì)越來越大。信號(hào)電平概率分布也比較接近理論概率分布。%主干道%figure(41)subplot(1,2,1);histfit(zhudao2);axis([-75,-40,0,30]);gridon;title('主干道信號(hào)電平概率分布');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);[h4,s4]=cdfplot(zhudao2)axis([-75,-40,0,1]);holdon;zhudaomean=num2str(s4.mean);zhudaostd=num2str(s4.std);text(-59,0.23,['最小值=',num2str(s4.min)]);text(-59,0.18,['最大值=',num2str(s4.max)]);text(-59,0.13,['均值=',num2str(s4.mean)]);text(-59,0.08,['中值=',num2str(s4.median)]);text(-59,0.03,['標(biāo)準(zhǔn)差=',num2str(s4.std)]);title('對(duì)應(yīng)累積概率分布');figure(42)surf(zhudao3');title('主干道信號(hào)電平分布圖');xlabel('<--南北-->');axis([1,126,1,2]);caxis([-75,-40]);colorbar('horiz');處理結(jié)果：主干道的衰減相較來說較大。開始時(shí)，因?yàn)閮蓚?cè)有兩棟教學(xué)樓，教三和教二，因此信號(hào)的接收不太容易，而隨著經(jīng)過教學(xué)樓，兩側(cè)就變得非常開闊，信號(hào)接收容易，信號(hào)衰減小。而越到達(dá)起始點(diǎn)，衰減越小，這是由于到達(dá)了教四前的十字路口，地形開闊，遮擋物少。另外，東南角轉(zhuǎn)角處的衰減比較大，可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)角處的建筑物情況都比較復(fù)雜，導(dǎo)致會(huì)有較大的衰減。%顯示各個(gè)均值和標(biāo)準(zhǔn)差%jiaosiV=[jiaosimean,'',jiaosistd]ximenV=[ximenmean,'',ximenstd]jiaosanV=[jiaosanmean,'',jiaosanstd]zhudaoV=[zhudaomean,'',zhudaostd]處理結(jié)果：2、場(chǎng)強(qiáng)情況匯總及分析1、總體樣本分布與理想高斯分布擬合上圖中藍(lán)色矩形條為直方統(tǒng)計(jì)，紅色曲線為理想高斯分布擬合曲線。由于受到傳播路徑的諸多影響，磁場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)特性，理論分析表明磁場(chǎng)強(qiáng)度值在一定區(qū)間內(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，我們可以得到上圖。擬合表達(dá)式為：。

由于實(shí)地測(cè)量的情況受天氣、周圍人群等多種隨機(jī)情況影響，因此測(cè)量結(jié)果和理想擬合曲線有一定的出入，但是從以上的統(tǒng)計(jì)分布圖中不難看出，場(chǎng)強(qiáng)電平值的總體分布趨勢(shì)和擬合曲線的走勢(shì)還是基本吻合的。

2、各道路信號(hào)電平圖匯總?cè)缟纤灸M了四條道路的場(chǎng)強(qiáng)分布情況，可見相對(duì)來說教四南側(cè)道路的信號(hào)衰減最小，電平概率分布也最接近理論概率分布，可能是因?yàn)樵趶V場(chǎng)旁邊，地形變化小，遮擋物較少。本地段的衰減與預(yù)期吻合，符合信號(hào)先變大后變小的趨勢(shì)。而南北兩條路的衰減相較來說較大。西門東側(cè)道路中間有一部分衰減非常小，這是因?yàn)榻?jīng)過了毛主席廣場(chǎng)正對(duì)西門的出口，這里比較開闊，幾乎沒有遮擋物，所以信號(hào)的接收比較容易。從概率密度上來看，信號(hào)更加集中在中間，也就是西門處的電平值較密集，兩邊的概率都較小。另外，西北角和東南角轉(zhuǎn)角處的衰減都比較大，可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)角處的建筑物情況都比較復(fù)雜，導(dǎo)致會(huì)有較大的衰減。而相對(duì)來說西南角和東北角的衰減就比較小且平穩(wěn)，因?yàn)樗鼈兊牡匦巫兓^小，并且在路口比較開闊，因此衰減小。3、各地點(diǎn)的信號(hào)均值與標(biāo)準(zhǔn)差道路均值μ(dBmW)方差教四南側(cè)道路-56.29783.9893西門東側(cè)道路-57.91545.1664教三南側(cè)道路-57.09224.5343主干道-58.87784.6762由上表可看出，第一組即教四南側(cè)道路的信號(hào)質(zhì)量最好，衰減小，最容易接收。并且具有最小的方差，信號(hào)分布最均勻。第二組即西門東側(cè)道路的信號(hào)方差最大，波動(dòng)最明顯。第四組也即主干道的信號(hào)衰減最大，最不易接受。以上說明接收信號(hào)的分布與大致符合高斯分布，但依然受到陰影衰落的影響，與路徑選擇有很大關(guān)系。最后，通過對(duì)室外道路的信號(hào)測(cè)量和分析，與幾種經(jīng)典模型對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況更接近于Hata市區(qū)模型。六、誤差分析1、我們選取了校園內(nèi)地形不同的四條道路進(jìn)行測(cè)量，不同地方的遮擋情況不同，陰影衰落也不同。

2、場(chǎng)強(qiáng)儀的跳動(dòng)變化比較大，在記錄數(shù)據(jù)時(shí)我們只能大概找到平均值來記錄，因此讀數(shù)也會(huì)帶來較大誤差。

3、每條道路選取的數(shù)據(jù)都不同，并且總共只有五百多組數(shù)據(jù)，平均每條道路只有一百五十