1、北京邮电大学电磁场实验报告室外电磁场与电磁波测量实验报告无线信号场强特性的研究实验姓名学号班级班内序号伊迪201321104720901沃子尧201321104820902刘博闻201321104920903 2016年03月25日1 实验目的1、通过实地测量校园内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，衰弱等概念。3、熟练使用无线电场强仪测试空间电场的方法。4、学会对大量数据进行统计分析，得到相关传播模型。2 实验设备 HF-4040场强仪。3 实验原理3.1 电波传播方式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
2、。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，且这些物体的分布比较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其他不规则物体、树叶、街道、标志、灯柱。 3.2 无线信道中信号衰减无线信道中的信号衰减分为衰弱，路径损耗，建筑物穿透损耗。此外还有很多路径传播的影响.1、移动环境下电波的衰弱包括快衰弱和慢衰弱（也叫慢衰弱），快衰弱的典型分布为Rayleigh分布和Rician分布；阴影衰弱的典型分布为正态分布。快速衰弱和满衰弱两者构成移动通信系统中接受信号不稳定因素。 2、路径损耗：测量发
3、射机和接收机之间信号的平均衰弱。即定义为有效发射功率（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（dB）。距离是决定路径损耗大小的首要因素；除此之外，还与接收点的电波传播条件密切相关。根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，对任意的传输距离，大尺度平局路径损耗表示为：即平均接收功率为：其中n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。 人们根据不同地形地貌条件，总结出各种电波传输；自由空间模型，布灵顿模型，Egli模型，HaTa-Okumura模型。3.2.1 自由空间模型我们说的自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收
4、平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达到移动台的。自由空间模型计算路径损耗公式是：其中是以公里为单位的移动平台和基站之间的距离。是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。3.2.2 布灵顿模型布灵顿模型假设发射天线和移动平台之间的地面时理想平面大地，并且两者之间的距离（单位：m）远大于发射天线的高度ht（单位：Km）或移动台高度hr（单位：Km），此时的路径消耗（单位：dB）计算公式为：3.2.3 Egli模型EgLi模型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，其计算公式为:EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏h有关，地形起伏越大，则路径损
5、耗也越大，当h用米来测量的时候，可按照下面的式近似的估计地形的影响：3.2.4 HaTa-Okumura模型HaTa-Okumura模型也是一句实测数据建立的模型，当移动台高度为静电纸hr = 1.5m时，按照HaTa-Okumura模型计算路径损耗的公式为： 市区：Lp1 = 69.55 26.2Lgf13.82Lght+ (44.96.55Lght) Lgd 开阔地：Lp2=Lp14.78 () 2+18.3340.94 一般情况下，开阔地的路径损耗都比市区小。 3.2.5 建筑物的穿透损耗定义：建筑物外测量的信号的中值电厂强度和同一位置室内测量的信号中值电厂强度之差(dB)。建筑物穿透损
6、耗的大小同建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。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在同一位置室内测量的信号平均场强，用公式表示为： P为穿透损耗(dB)，是在室内所测得没一点的功率（单位：dBv），共M个点。是在室外所测的每一个点的功率（单位：dBv），共N个点.4 实验内容与步骤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点播传播模型；在数据测试之前，先用理论模型在理论上对待测区进行一下分析。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，每半个波长为单位记录数据。4、第二组数据可
7、以选在室内，例如，楼道或房间，仍以半个波长为单位记录数据。5、第三组数据在建筑物的遮挡下，观察“阴影衰弱”；总结衰弱服从的分布规律。6、第四组数据可以找个地点，以反映建筑物外和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额平均场强，得到的建筑物穿透损耗。7、数据处理：数据录用可以用Excel表格等工具，表格设计要清晰，数据点评的分布和处理利用MATLAB等工具，得到不同区域下信号电平分布情况；得到累计概率分布曲线；得到理论值和实际值之间的标准差，进行误差分析。8、根据不同区域的测试结果，进行比较分析，分析不同环境下造成这些结果的原因
8、。9、模型分析：根据自己所测试的数据，分析不同地带的测试结果，所适用的理论模型。5 实验数据处理与误差分析5.1 实验数据5.1.1 开阔空间测量地点：风雨操场与体育馆之间道路。选取频率940MHz，测量间隔为半波长16cm。（数据顺序为从上到下，从左到右）表1 开阔空间实验结果记录f = 940MHz = 32cm 距离间隔 = 16cm信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)4643414051365042414241404241424042424146394442424251463941433843404144424340423
9、94340434139464340464044414042434241455.1.2 室内测量地点：教三一楼走廊。选取频率940MHz，测量间隔为半波长16cm。（数据顺序为从上到下，从左到右）表2 室内实验结果记录f = 940MHz = 32cm 距离间隔 = 16cm信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)30282637463130263944342829425034292947443526324339402532463839253354383626334645303035464029423547393442424744323
10、24338302936465.1.3 建筑物遮挡测量地点：主楼东侧阴影区域道路。选取频率940MHz，测量间隔为半波长16cm。（数据顺序为从上到下，从左到右）表3建筑物遮挡实验结果记录f = 940MHz = 32cm 距离间隔 = 16cm信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)信号强度(dbuV)40323232323532353234343335373434333437363633343435373334343437333532343631353534363031323432303632303330363131333033313133323332
11、355.1.4 建筑物内外差异测量地点：教三外围一周及教三一楼走廊。选取频率940MHz，测量间隔为半波长16cm。（数据顺序为从上到下，从左到右）表4建筑物内外对比实验结果记录f = 940MHz = 32cm 距离间隔 = 16cm信号强度（dbuV)西南内侧东北48.238.734.534.334.741.937.930.936.935.244.938.832.437.635.144.836.929.637.83647.335.734.636.933.443.133.531.838.434.645.436.831.534.938.445.133.630.334.735.347.935.7
12、32.837.933.851.340.135.335.733.748.736.133.538.635.246.938.534.236.036.143.841.129.732.534.647.641.933.636.335.948.938.630.536.232.547.939.834.935.933.642.534.530.237.134.545.838.329.336.437.146.839.530.235.035.252.740.435.836.533.346.93634.135.835.747.538.834.734.736.848.635.931.333.437.146.037.730
13、.437.936.945.738.629.638.134.239.939.727.938.435.144.836.429.835.636.744.232.929.337.234.246.535.731.535.535.244.737.931.634.135.047.937.332.737.137.245.937.732.135.835.449.137.834.836.236.544.834.933.538.033.946.942.833.938.337.645.632.731.137.538.248.736.534.236.137.853.337.437.434.236.647.936.335
14、.636.334.151.135.235.837.238.352.736.436.333.434.251.937.335.932.733.148.637.933.834.333.846.338.233.735.234.943.736.532.935.436.144.735.431.636.136.444.835.131.538.537.946.236.833.538.434.146.936.933.639.538.348.137.134.138.537.649.337.635.737.538.853.238.236.338.938.653.439.736.737.938.950.637.435
15、.938.738.448.736.834.638.137.946.535.633.839.738.745.937.333.537.938.149.238.934.837.437.65. 2 作图分析使用MATLAB R2014b软件处理数据，流程如图1所示。图1源代码见附录。5.2.1 开阔空间开阔空间的信号电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图2、图3所示。图2图35.2.2 室内室内的信号电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图4、图5所示。图4图55.2.3 建筑物遮挡建筑物遮挡即“阴影衰落”的信号
16、电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图8、图9所示。图8图95.2.4 建筑物内外区别建筑物教三楼外围一周的信号电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图10、图11所示。教三内一楼如图12、图13所示图10图11图12图135. 3 数据分析表5 信号强度处理结果区域最小值(dbuV)最大值(dbuV)均值(dbuV)标准差开阔空间365142.222.86室内255436.547.27建筑物遮挡304033.482.09教三外一周325339.255.10教三内一楼283833.022.275.3.1
17、开阔空间根据图3由于操场附近空间较为开阔，电平分布较为均匀。由图2得到的累计概率分布曲线可知，此开阔空间的电波传播比较符合布灵顿模型。5.3.2 室内由图5可以看出，教三一楼楼道内，信号衰减严重，但有后面一段信号衰减较小，因为这里接近大门，遮挡物较少，因此信号较强；而有些位置有教室，故信号衰减相对较大。由图4的概率分布图可知，在楼道内，信号衰减很大，且因为楼道内部和门口位置环境情况差异较大，导致信号强度分布范围广，但仍呈衰减趋势。5.3.3 建筑物遮挡由图7可知，主楼东侧信号衰减较大，因为主楼比较高，对信号的遮挡作用强。另外，由于主楼东墙比较平，门窗少，所以信号强度也比较均匀。由图6的概率分布
18、可知，其接近正态分布，符合阴影衰落的特点5.3.4 建筑物内外区别由图11可以看出，教三楼西侧和南侧的信号衰减小于东侧和北侧，推测原因为西侧和南侧更为开阔，以西是西土城路，以南有一片空地，附近的遮挡较小。对比图11和图13，可以看出教三楼内的信号强度明显小于楼外，符合理论的穿透损耗效应。由图10和图12，将教三外一周信号强度的均值与教三一层内信号强度均值做差，得到教三一层穿透损耗为5. 4 误差分析从表5可知，5组标准差有一定差值，且与理论值不是很吻合，这是由于环境中的干扰因素比较多，如行人、车辆、树木和其它建筑等。6 实验总结与心得刚开始做实验时，由于进口的场强仪功能比较多，我们用了一段时间
19、熟悉仪器。之后为了减小环境影响，使数据更为准确，我们将频率选在了940MHz。但是这样做也有缺点，对应的半波长即测量间隔为16cm，比较小，所以实际的测量间隔很难准确把握。处理数据时，通过MATLAB软件，得到的图更加直观，也更加便于分析。锻炼了我们使用MATLAB处理数据的能力。实验加深了我们对无线信号场强特性的认识与理解，也锻炼了我们设计测试方案和分析问题的能力附录clear all; close all; %-读取文件-% a = xlsread(D:COLLEGECourse3-Junior电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet1); b = xlsread(D
20、:COLLEGECourse3-Junior电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet2); c = xlsread(D:COLLEGECourse3-Junior电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet3); d = xlsread(D:COLLEGECourse3-Junior电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet4); e = xlsread(D:COLLEGECourse3-Junior电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet5); f = xlsread(D:COLLEGECourse3-Juni
21、or电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet6); g = xlsread(D:COLLEGECourse3-Junior电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet7); t = xlsread(D:COLLEGECourse3-Junior电磁场与电磁波测量实验0420data1.xlsx,Sheet9); %-转换成矩阵-% a1=reshape(a,1,58);b1=reshape(b,1,63);c1=reshape(c,1,65);d1=reshape(d,1,58);e1=reshape(e,1,58);f1=reshape(f,1,58)
22、;g1=reshape(g,1,58);t1=reshape(t,1,232);%-为画平面场强图作准备-% a2=a1,zeros(1,58),1:58;a3=reshape(a2,58,3); b2=b1,zeros(1,63),1:63;b3=reshape(b2,63,3); c2=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),1:58;e3=reshape(e2,58,3); f2=f1,zeros(1,58),1:58;f3=
23、reshape(f2,58,3); g2=g1,zeros(1,58),1:58;g3=reshape(g2,58,3); %-开阔空间-%figure(11) subplot(1,2,1); histfit(a1);%画柱状图 %axis(40,80,0,30); grid on; str=开阔空间; 信号电平概率分布; title(str);xlabel(电平值(-dBmw); ylabel(样本数量(个); legend(实际样本分布,理想概率分布线); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(a1)%画累积概率分布图 %axis(40,80,0,1); hold
24、 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,标准差= ,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布); figure(12) surf(a3);%画衰落强度图 title(开阔空间 信号电平分布图
25、); xlabel(); ylabel(); axis(1,58,1,2); caxis(35 55); colorbar(horiz);%-室内-%figure(21) subplot(1,2,1); histfit(b1);%画柱状图 axis(10,70,0,18); grid on; str=室内; 信号电平概率分布; title(str);xlabel(电平值(-dBmw); ylabel(样本数量(个); legend(实际样本分布,理想概率分布线); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(b1)%画累积概率分布图 %axis(40,80,0,1); ho
26、ld 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,标准差= ,num2str(s1.std); title( 对应累积概率分布); figure(22) surf(b3);%画衰落强度图 title(室内 信号电平分布图); xlabel(); ylabel(); axis(1,58,1,2); caxis(25 55); colorbar(horiz);%-建筑物遮挡-%figure(31) subplot(1,2,1); histfit(c1);%画柱状图
