电磁场实验校园无线信号场强特性的研究文档格式.docx
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(2)阴影衰落
在无线信道里,造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物体对电波的遮挡。
在测量过程中,不同位置遇到的建筑物遮挡情况不同,因此接收功率也不同,这样就会观察到衰落现象。
由于这种原因造成的衰落也叫“阴影效应”或“阴影衰落”。
在阴影衰落的情况下,移动台被建筑物所遮挡,它收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。
所以,在距基站距离相同的地方,由于阴影效应的不同,它们收到的信号功率有可能相差很大,理论和测试表明,对任意的d值,特定位置的接受功率为随机对数正态分布即:
其中,
为0均值的高斯分布随机变量,单位为dB,标准偏差为σ,单位也是dB。
对数正态分布描述了在传播路径上,具有相同T-R距离时,不同的随机阴影效应。
这样利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。
正态分布,也叫高斯分布,它的概率密度函数是:
应用于阴影衰落时,上式中的x表示某一次测量得到的接收功率,m表示以dB表示的接收功率的均值或中值,σ表示接收功率的标准差,单位是dB。
阴影衰落的标准差同地形,建筑物类型,建筑物密度等有关,在市区的150MHz频段其典型值是5dB。
除了阴影效应外,大气变化也会导致阴影衰落。
比如一天中的白天,夜晚,
一年中的春夏秋冬,天晴时,下雨时,即使在同一个地点上,也会观察到路径损
耗的变化。
但在测量的无线信道中,大气变化造成的影响要比阴影效应小的多。
下面是阴影衰落分布的标准差,其中
(dB)是阴影效应的标准差。
σs(dB)
频率
(MHz)
准平坦地形
不规则地形Δh(m)
城市
郊区
50
150
300
3.5---5.5
4---7
9
11
13
450
6
7.5
15
18
900
6.5
8
14
21
(3)建筑物的穿透损耗的定义
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:
ΔP是穿透损耗,单位是dB,Pj是在室内所测的每一点的功率,单位是dBμv,共M个点,Pi是在室外所测的每一点的功率,单位是dBμv,共N个点。
三、实验内容
利用DS1131场强仪,实地测量学五内外信号场强
(1)研究学五内外不同环境下阴影衰落分布规律,以及具体的分布参数如何;
(2)研究路径损耗与楼层高度的关系;
(3)研究建筑物穿透损耗的变化规律。
四、实验步骤
(1)数据采集
频点
91.5MHz(中国国际广播电台轻松调频)
地点
学五外四周及楼内1,3,5,7,9层楼道
测量步长
1个数据/步长
说明:
,每步长平均约70cm,相当于一个波长内测量4.6个数据。
(2)数据录入(原始数据见附录1)
将原始数据录入Excel表格:
在不同工作表下依次录入不同区域的实测数据,单列存储,便于读取。
(3)数据处理
1)用Matlab对数据进行编程处理
绘制相关曲线或图形:
实测数据曲线、信号强度图谱、概率分布柱状图、累积分布曲线等;
计算数据特征量:
均值、标准差、中值等。
2)得出测试区域阴影衰落的分布规律,研究路径损耗与楼层关系,并计算学五内外的穿透损耗。
五、程序代码
程序代码根据所要实现的内容进行模块化编程,编写了5个函数文件和3个命令文件(代码详见附录2)。
函数文件:
函数名
函数功能
datain
读入数据
datacurve
绘制实测数据曲线,并叠加均值线
colorscheme
绘制信号强度图谱
histogram
绘制概率分布柱状图,并叠加拟合的正态分布概率密度曲线
distribution
绘制累积概率分布图及相对应的正态分布概率累积曲线
命令文件:
文件名
No1
绘制不同区域实测数据线、概率分布柱状图、累积概率分布图
No2
绘制学五四周信号强度图谱
No3
同坐标显示1,3,5,7,9楼楼道实测数据曲线、绘制楼层信号强度图谱、绘制各楼层数据均值与楼层关系曲线
六、实验结果
(1)学五楼外不同区域阴影衰落
1)南侧(W→E)
●实测数据曲线
●样本分布柱状图
●累积概率分布图(含数据特征量)
2)西侧(N→S)
3)北侧(W→E)
4)东侧(N→S)
5)学五四周信号强度图谱
(2)学五内各层阴影衰落
1)1,3,5,7,9层楼道实测数据曲线
2)1,3,5,7,9层楼道信号强度图谱
3)1,3,5,7,9各楼层数据均值与楼层关系曲线
4)1楼楼道样本分布柱状图和概率累积曲线
5)3楼楼道样本分布柱状图和概率累积曲线
6)5楼楼道样本分布柱状图和概率累积曲线
7)7楼楼道样本分布柱状图和概率累积曲线
8)9楼楼道样本分布柱状图和概率累积曲线
七、结果分析
实测数据说明:
●学五外测试数据几乎全部在区间[-73,50]dBmw内,绘制学五外信号强度图谱时界定范围为[-73,50]。
●学五内各楼层测试数据有一部分都低于-73dBmw,调频信号噪音较大,但信号强度仍在接收机接收范围之内,为了客观的反映测试过程和数据分布规律,仍然保留了这部分数据,并在绘制信号各楼层信号强度图谱时将界定范围设置为[-90,40]。
备注:
-73dBm参见ARU一区的业余无线电爱好者制定的S刻度标准。
●另外,在数据采集过程中的,突然的环境变化(如房间门突然打开、路过行人车辆等)导致数据发生急剧变化的情况也予以保留,这在实测数据曲线和信号强度图谱可以体现出来。
各区域数据特征:
最大值
(dBmw)
最小值
均值
中值
标准差
外_南侧
-51.6
-74
-59.5693
-59.5
4.5720
外_西侧
-50.9
-68.6
-58.7563
.58.6
3.4946
外_北侧
-51.9
-77.7
-60.3918
4.8623
外_东侧
-50.2
-71.9
-60.0286
-59.7
4.7465
内_1楼
-61.6
-83.4
-74.2272
-76.2
6.3728
内_3楼
-86.3
-79.4741
-80.5
5.8745
内_5楼
-56.3
-87
-77.5403
-78.8
6.6211
内_7楼
-49.1
-85.4
-70.5934
-71.5
8.0603
内_9楼
-43.2
-78.1
-64.7907
-65.7
8.8723
分析说明:
(1)阴影衰落分布规律——随机对数正态分布
从实验结果中各区域实测数据的概率分布柱状图与拟合正态分布,及累积概率曲线和对应正态分布函数曲线(均值、方差相同)对比可得,无线信号强度为随机对数正态分布。
(2)穿透损耗
由学五内外测试数据均值对比可知,学五外的信号强度比学五内的信号强度大,这反映出建筑物对信号的屏蔽和吸收作用,即建筑物的穿透损耗。
应用公式:
由学五外测量信号均值减去一楼信号均值,可得穿透损耗:
ΔP=(-59.8251)-(-74.2272)=14.4021dBmw
(3)空间结构对信号强度的影响
由学五内外测试数据的标准差对比可知,建筑物内信号分布相对建筑物外信号分布较分散,这是由环境、空间因素造成的,因为建筑物外相对开阔,信号强度分布相对集中,起伏不大,而建筑物内由于受空间结构影响,导致各小区域信号强度分布较分散。
从图6和图7可以看出,楼内信号强度呈现出两头较大、中间稍微突起的基本规律。
这是因为学五楼道两头是窗户,中间是楼梯电梯房。
测试结果较好地反映了这点。
(4)楼层与信号强度关系
由图8可得,1楼信号强度均值接近-73dBmw,3楼最低,然后随楼层高度上升,信号强度均值也增大。
这跟学五周围建筑物有一定关系,学五东侧的学八和学五差不多高,南侧较开阔,而北侧的留学生公寓和西侧的学十三公寓较低,因此,在学五楼第七以上南、北、西三面都比较开阔,因此信号强度均值较大。
(5)关于传播模型
所提供的传播模型都是150-2000MHz内各区间段上适用的模型,因本实验选用的频点为91.5MHz,不是很适合模型,再加上采集数据有限和研究范围较小,故未分析传播模型。
八、实验总结
本次实验中,我们二人密切配合,合理分工,协同工作,较好地完成了实验内容并基本达到了实验目的的要求。
本次实验让我们深刻认识到通信系统的随机特性和统计特性。
我们不仅要具体问题具体分析,更需要把握事务的宏观规律。
九、附录
附录1原始数据登记表(见纸板报告)
附录2Matlab文件
函数文件:
datain.m
function[Data,L]=datain(s)
%DATAIN读入数据
%主要调用函数:
xlsread
%Data数据
%L数据长度
%s数据工作表名称
%原始数据位为单列存储
data=xlsread('
data.xls'
s);
%从Excel表格中读取工作表s的数据
Data=data'
;
%将数据转置为行向量
L=length(Data);
%数据长度
end
datacurve.m
functiondatacurve(Data,L)
%DATACURVE绘制实测数据曲线
%Data实测数据数据
n=1:
1:
L;
m=ones(1,L)*mean(Data);
%数据均值向量
plot(n,Data,n,m)%同坐标绘制实测数据曲线及其均值线
legend('
电平值曲线'
'
电平值均值'
)
xlabel('
测量点'
ylabel('
电平值x(dBmw)'
grid
colorscheme.m
functioncolorscheme(Data,L,az,el)
%COLORSCHEME绘制信号强度图谱
%主要调用函数:
meshgrid、surf
%L数据长度
%az,el3D图观察视角参数
x=1:
%x为测量数据点向量,维数为1*L
y=linspace(0,1,2);
%y为绘图辅助向量,维数为1*2(向量取值范围和列数也可设置为其他值)
[x,y]=meshgrid(x,y);
%生成xy平面网格坐标矩阵
z=[Data;
Data];
%z的维为2*L
surf(x,y,z);
%绘制三维曲面图
axis([1,L,0,1])
view(az,el)%观察视角
histogram.m
functionhistogram(Data)
%HISTOGRAM绘制概率分布柱状图,并叠加拟合的正态分布概率密度曲线
histfit
histfit(Data,30);
测量样本分布'
拟合正态分布'
);
电平值(dBmw)'
样本数量(个)'
grid;
distribution.m
functiondistribution(Data)
%DISTRIBUTION绘制累积概率分布图及相对应的正态分布
cdfplot、normcdf、num2str
[h,stats]=cdfplot(Data);
%绘制累积概率分布,stats为包含数据特征的结构体
holdon%图形保持
%添加与原始数据相对应(均值&
标准差)的正态分布的分布函数曲线
x=(stats.min-5):
0.1:
(stats.max+5);
mu=stats.mean;
sigma=stats.std;
f=normcdf(x,mu,sigma);
%根据原始数据特征(均值&
标准差)生成对应正态分布
plot(x,f,'
r'
)%绘制正态分布的分布函数曲线
电平值分布函数'
对应正态分布函数'
%添加数据特征说明
text(stats.median,0.45,['
最大值='
num2str(stats.max),'
dBmw'
],'
FontSize'
14)
text(stats.median,0.35,['
最小值='
num2str(stats.min),'
text(stats.median,0.25,[均值='
num2str(stats.mean),'
text(stats.median,0.15,[中值='
num2str(stats.median),'
text(stats.median,0.05,['
标准差='
num2str(stats.std)],'
命令文件:
No1.m
clc
clearall
closeall
[Data,L]=datain('
外_南_E2W'
%读入数据
Data=fliplr(Data);
%左右翻转(此句根据需要选择)
figure
(1)%绘制实测数据曲线
datacurve(Data,L);
title('
图1-1南侧(W2E)无线信号电平值曲线'
figure
(2)%绘制测量样本分布直方图,并叠加拟合的正态分布曲线
histogram(Data)
图1-2南侧(W2E)无线信号电平值分布'
figure(3)%绘制累积概率分布图及相对应的正态分布
distribution(Data);
图1-3南侧(W2E)无线信号电平值累积概率分布'
No2.m
[O_N_W2E,L1]=datain('
外_北_W2E'
[O_W_S2N,L2]=datain('
外_西_S2N'
[O_E_N2S,L3]=datain('
外_东_N2S'
[O_S_E2W,L4]=datain('
figure
(1)
subplot(4,1,1)
colorscheme(O_N_W2E,L1,0,90);
%北侧,视角为俯视,数据由西至东
subplot(4,1,2)
colorscheme(O_W_S2N,L2,-90,90);
%西侧,视角为俯视,数据由南至北
subplot(4,1,3)
colorscheme(O_E_N2S,L3,90,90);
%东侧,视角为俯视,数据由北至南
subplot(4,1,4)
colorscheme(O_S_E2W,L4,180,90);
%南侧,视角为俯视,数据由东至西
caxis([-73,-50]);
%界定信号强度界限,并与色彩进行作线性对应
colorbar('
horiz'
%水平显示色彩比例
No3.m
[I_1,L1]=datain('
内_1_W2E'
[I_3,L3]=datain('
内_3_W2E'
[I_5,L5]=datain('
内_5_W2E'
[I_7,L7]=datain('
内_7_W2E'
[I_9,L9]=datain('
内_9_W2E'
n1=1:
L1;
n3=1:
L3;
n5=1:
L5;
n7=1:
L7;
n9=1:
L9;
figure
(1)%学五内1,3,5,7,9层无线信号场强实测数据曲线
plot(n1,I_1,n3,I_3,n5,I_5,n7,I_7,n9,I_9)
学五内1,3,5,7,9层无线信号场强实测数据曲线'
1楼'
3楼'
5楼'
7楼'
9楼'
测试点(西—东)'
电平值(dBmW)'
figure
(2)%学五内1,3,5,7,9层楼道信号强度图谱
subplot(5,1,1)
colorscheme(I_9,L9,0,90)%9楼信号强度图谱
subplot(5,1,2)
colorscheme(I_7,L7,0,90)%7楼信号强度图谱
subplot(5,1,3)
colorscheme(I_5,L5,0,90)%5楼信号强度图谱
subplot(5,1,4)
colorscheme(I_3,L3,0,90)%3楼信号强度图谱
subplot(5,1,5)
colorscheme(I_1,L1,0,90)%1楼信号强度图谱
caxis([-90,-40]);
figure(3)%绘制各楼层数据均值与楼层关系曲线
h=[1,3,5,7,9];
E=[mean(I_1),mean(I_3),mean(I_5),mean(I_7),mean(I_9)];
plot(h,E)
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- 电磁场 实验 校园 无线 信号 场强 特性 研究
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