微波与电磁场测量实验七无线通信场强特性研究.docx
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微波与电磁场测量实验七无线通信场强特性研究
电磁场与微波测量实验报告
学院:
电子工程学院
专业:
光电信息科学与工程
班级:
成员:
无线通信场强特性研究
一、实验目的
1.通过实测量校园室内外的无线电信号场强值,掌握室内外电波传播的规律。
2.熟悉并掌握无线电中的传输损耗,路径损耗,穿透损耗,衰落等概念。
3.熟练使用无线电场仪测试空间电场强的方法。
4.学会对大量数据进行统计分析,并得到相关传播模型。
二、实验原理
1、电磁波的传播方式
无线通信系统是由发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。
对于接受者,只有处在发射信号的覆盖区内,才能保证接收机正常接受信号,此时,电波场强大于等于接收机的灵敏度。
因此基站的覆盖区的大小,是无线工程师所关心的。
决定覆盖区的大小的主要因素有:
发射功率,馈线及接头损耗,天线增益,天线架设高度,路径损耗,衰落, 接收机高度,人体效应,接收机灵敏度,建筑物的穿透损耗,同播,同频干扰等。
电磁场在空间中的传输方式主要有反射﹑绕射﹑散射三种模式。
当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时,发生反射。
当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。
当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体﹑且这些物体的分布较密集时,产生散射。
散射波产生于粗糙表面,如小物体或其它不规则物体﹑树叶﹑街道﹑标志﹑灯柱。
2、无线信道中信号衰减
无线信道中的信号衰减分为衰落,路径损耗,建筑物穿透损耗。
此外还有很多径传播的影响。
(1)移动环境下电波的衰减包括快衰落和慢衰落(又叫阴影衰落),快衰落的典型分布为Rayleigh分布或Rician分布;阴影衰落的典型分布为正态分布,即高斯分布。
快衰落和慢衰落两者构成移动通信系统中接收信号不稳定因素。
(2)路径消耗:
在移动通信系统中,路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。
大尺度路径损耗:
用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落,即定义为有效发射功率和平均接收功率之间的dB差值,根据理论和测试的传播模型,无论室内或室外信道,平均接收信号功率随距离对数衰减,这种模型已被广泛地采用。
对任意的传播距离,大尺度平均路径损耗表示式为:
.
即平均接收功率为
其中,
为路径损耗指数,表明路径损耗随距离增长的速度;
为近地参考距离;
为发射机与接收机之间的距离。
人们根据不同放入地形地貌条件,归纳总结出各种电波传播模型。
下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。
常用的电波传播模型:
1)自由空间模型
自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。
我们所说的自由空间一是指真空,二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体,电波是以直射线的方式到达移动台的。
自由空间模型计算路径损耗的公式是:
其中Lp是以dB为单位的路径损耗,
是以公里为单位的移动台与基站之间的距离,
是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率.
2)布灵顿模型
布灵顿模型假设发射天线和移动台之间的地面是理想平面大地,并且两者之间的距离
远大于发射天线的高度
,或移动台的高度
,此时的路径损耗(单位
)计算公式为:
3)Egli模型
前述的自由空间模型及布灵顿模型都是基于理论分析得出的计算公式。
EgLi公式则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测公式,属于经验模型,其计算式为:
其中路径损耗
的单位是
,距离
的单位是公里,天线高度
及
的单位是米,工作频率
的单位是MHz,地形修正因子
的单位是
。
反应了地形因素对路径损耗的影响。
EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度
有关,地形起伏越大,则路径损耗也越大。
当
用米来测量时,可按下式近似的估计地形的影响:
4)Hat-cost231模型
Hata-Okumura模型也是根据实测数据建立的模型。
当移动台的高度为典型值
=1.5m时,按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为:
市区:
开阔地:
(3)建筑物的穿透损耗
建筑物穿透损耗的大小对于研究室内无线信道具有重要意义。
穿透损耗又称大楼效应,一般指建筑物一楼内的中值电场强度和室外附近街道上中值电场强度dB之差。
发射机位于室外,接收机位于室内,电波从室外进入到室内,产生建筑物的穿透损耗,由于建筑物存在屏蔽和吸收作用,室内场强一定小于室外的场强,造成传输损耗。
室外至室内建筑物的穿透损耗定义为:
室外测量的信号平均场强减去同一位置室内测量的信号平均场强。
用公式表示为:
是穿透损耗,单位是
;
是在室内所测的每一点的功率,单位是
,共
个点;
是在室外所测的每一点的功率,单位是
,共
个点。
三、实验内容
(1)根据不同的地形地貌条件,归纳总结各种环境条件下可能采用的各种电波传播模型;在数据测试前,先用理论模型在理论上对待测区域进行一下分析;
(2)观测波段的确定,实验地点的确定;
(3)数据的测量:
第一组数据在空间开放区域,地点自行选择,每半个波长测量一组数据,每个地点的数据应该在50—100个;
(4)第二组数据可以选择在室内,例如,楼道或房间,仍以半个波长为单位记录数据;
(5)第三组数据在可以选择在建筑物的遮挡下,观察“阴影衰落”;总结衰落服从的分布规律;
(6)第四组数据可以找个地点,以反映建筑物外个建筑物内之间的场强差异,对建筑物穿透损耗的测量结果进行分析,用室外平均信号场强减去同一位置室内的所测信号的平均场强,得到建筑的穿透损耗。
(7)数据处理
(8)根据不同区域的测量结果,进行比较分析,分析不同环境下造成这些结果的原因;
(9)模型分析:
根据自己所测的数据,分析不同地带的测量结果,所使用的理论模型。
四、实验步骤
1、数据采集
本次实验我们选择测量空旷处,两侧遮挡处,室内及半侧遮挡处,因此接收功率也不同,这样就会观察到衰落现象。
利用场强仪测量无线信号的强度,围绕体育馆和游泳馆一周按照西北东南的顺序顺时针测量。
下图中箭头所示是我们采集数据的路线。
在绕采集数据的过程中,我们每走一步记录一个数据,每处测量50个数据。
将测量得到的数据录入Excel表格,得到一个原始数据表。
2、数据处理
我们利用matlab软件强大的分析功能,对大量数据进行编程处理,计算其均值与标准差,并且画出概率的累积分布曲线,与标准正态分布的累积曲线比较,得出室外阴影衰落的分布规律,此外,作出场强空间分布图,具体流程图如下。
五、实验数据整理及分析
1、阴影衰落的分布规律
1)概率分布柱状图
空旷处场强概率分布柱状图
单侧遮挡处场强概率分布柱状图
双侧遮挡处场强概率分布柱状图
室内场强概率分布柱状图
注:
曲线为拟合的正态分布曲线。
2)原始数据表格
遮挡(dB)
空旷(dB)
室内(dB)
室外(dB)
-39
-45
-65
-41
-35
-50
-57
-43
-42
-49
-55
-40
-37
-41
-47
-42
-35
-42
-59
-43
-35
-41
-54
-43
-38
-45
-58
-42
-36
-45
-61
-43
-40
-44
-59
-43
-38
-45
-61
-41
-39
-42
-59
-43
-37
-39
-68
-42
-34
-40
-71
-39
-37
-48
-47
-45
-37
-48
-47
-42
-43
-50
-57
-43
-34
-41
-54
-41
-37
-43
-46
-46
-34
-50
-57
-45
-36
-48
-50
-44
-38
-46
-41
-44
-37
-42
-60
-42
-35
-45
-51
-46
-30
-46
-49
-44
-45
-44
-52
-42
-40
-46
-50
-45
-44
-47
-50
-45
-34
-43
-42
-41
-40
-42
-44
-41
-40
-41
-50
-47
-38
-44
-47
-46
-40
-47
-50
-47
-46
-46
-44
-45
-39
-47
-43
-41
-41
-43
-42
-36
-39
-42
-45
-41
-33
-45
-45
-41
-43
-42
-61
-42
-42
-45
-63
-44
-41
-42
-57
-41
-37
-36
-54
-47
-40
-37
-52
-47
-41
-36
-56
-47
-46
-38
-60
-51
-44
-35
-63
-51
-40
-37
-45
-51
-44
-34
-47
-47
-43
-32
-54
-53
-42
-36
-51
-53
-41
-39
-63
-46
六、实验结果分析
通过以上四幅拟合曲线,我们可以看出,在不同遮挡程度的地方,不同强度的场强概率分布并不均匀,但其与标准正态分布曲线在上升下降趋势具有一致性。
然而,在局部也会出现偏离的情况。
我们分析这可能主要有两个因素:
一是我们采集数据量不够多,有可能没有控制好数据密度,错过了重要的变化点,二是测量路线上的遮挡物情况不同,也会影响其测量情况。
应用函数及关键代码
主要运用了matlab中xlsread()、histfit(x)函数来做出柱状图和高斯拟合。
xlsread():
从excel表格中读出数据;
histfit(data,nbins):
用所采集的数据画直方图,并默认生成一条与之对应的正态分布曲线;
关键代码如下:
loaddata;
k=ceil(1.87*(length(data3)-1)^0.4);
[ni,ak]=hist(data3,k);
fi=ni/length(data3);
mfi=cumsum(fi);
h=histfit(data3,k);
set(h
(1),'facecolor','b','edgecolor','w');
set(h
(2),'color','r');
1)累积分布曲线
空旷处场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比
半侧遮挡处场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比
两侧遮挡处强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比
室内场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比
应用函数及关键代码
主要运用了matlab中xlsread()、histfit()、bar()、cdfplot()、normcdf()函数。
[h,stats]=cdfplot(x)同时返回累计分布函数曲线的句柄及统计数据;normcdf(x,mu,sigma)累计正态分布函数。
也叫高斯积分。
其中x表示以x为分界,坐标轴左边的所有分布的累计概率;
mu表示该函数中的x的平均值;sigma表示该函数中的标准差。
关键代码如下:
A=xlsread('data.xlsx',1,'C321:
C478');
[h,stats]=cdfplot(A);
holdon
ylabel('累积频率')
x=-80:
0.1:
-53;
f=normcdf(x,stats.mean,stats.std);
plot(x,f,'m');
legend('概率累积分布曲线','标准正态分布累积曲线','Location','NW');
xlabel('信号衰减强度(dBmW)')
1)具体分布参数
分布
统计值
空旷处
单侧遮挡处
双侧遮挡处
室内
原始
数据
Min
-73.25
-77.24
-79.27
-79.22
Max
-54.95
-61.96
-55.93
-55.98
Mean
-64.1
-69.6
-67.6
-67.6
Median
-64.1
-69.6
-67.6
-67.6
Std
5.844
5.065
7.367
7.379
Range
18.29
15.27
23.34
23.25
标准正态
分布
Min
-75.86
-79.33
-79.39
-79.39
Max
-49.77
-57.84
-54.72
-54.72
Mean
-62.81
-68.59
-67.05
-67.05
Median
-62.81
-68.59
-67.05
-67.05
Std
7.646
6.295
7.23
7.23
Range
26.09
21.48
24.67
24.67
六、实验总结
经过理论课的学习,我们对于电磁波的一些特性有了初步的了解。
电磁波在空间中会发生反射、绕射和散射的三种传输方式,这也造成了信号的多径损耗;而由于许多建筑物的遮挡,会对无线信号造成阴影衰落;电磁波虽然能穿过建筑物,但会有一定的穿透损耗;这些理论上的知识使我对实验内容有了初步了解,为数据的测量和分析打下了理论基础。
本次实验是第一次接触到场强仪,从对着说明书举步维艰地测量,到了后来地熟悉使用,我们真切的感受到了电磁波就在我们身边,认识了电磁波的传播特性,其波动性和掩蔽效应都很明显。
这次实验使我们进一步了解和巩固了MATLAB的用法,包括Excel文件的调用、数据的统计、绘制直方图、绘制折线图、样条插值等内容。
通过各种曲线我们可以看到,虽然理论上场强的概率分布服从标准正态分布,但是实际测量结果却是有所偏差的。
其中部分原因是由于我们所测数据依然不够多,另外则是我们发现,测试过程中所经过的小型障碍物(如车辆、走到的人群)都会对场强产生一定的干扰。
总之这次实验使我们加深了对理论课内容的理解,再次熟悉了MATLAB的使用,也锻炼了我们的动手能力,收获颇深,希望在今后的学习中能够更好的应用所学知识,多思考多动手。
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- 关 键 词:
- 微波 电磁场 测量 实验 无线通信 场强 特性 研究