（电磁场与微波技术专业论文）通信基站电磁辐射测量系统.pdf

摘要 本文简要介绍了电磁波的辐射原理和传播方式，并详细阐述了移动通信系统 的工作原理，介绍了电磁辐射场强的国家规范和测试要求，并根据国家的测试规 范和要求设计了一套以c a 4 3 综合场强仪和a g i l e n te 7 4 0 2 a 为主要测试仪器的 自动测量系统。在这套软件系统中采用了虚拟仪器技术、l a b v i e w 语言和g p i p 控制技术。 论述了虚拟仪器技术在仪器自动控制领域的特点，现代仪器控制模型和其中 涉及到的主要技术标准，深入分析了v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e a r c h i t e c t u r e 虚拟仪器软件系统结构) 和s c p i ( s t a n d a r dc o 嗽n d sf o r p r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t a t i o n 可编程仪器标准命令) 的结构、原理和特点。在 通信基站电磁辐射自动测量系统应用程序设计中，采用v i s a 和s c p i 技术相结合 的方法，作为仪器驱动控制方案。 本文利用虚拟仪器技术，采用l a b v i e w 虚拟仪器编程语言，同时结合相应的 仪器，应用模块化的编程方法，设计了一套通信基站电磁辐射自动测量系统。并 利用该系统进行了通信基站电磁辐射的测试和分析。 整个系统具有界面友好、操作方便、功能齐全，实验结果表明研制基于虚拟 仪器的自动测量系减少了工作量，避免了人为的读数误差、计算误差以及相关数 据不能同时记录所引起的实验结果的偏差，提高了测试精度和试验效率，具有较 高的应用价值。 本文采用对移动通信基站在水平面上不同距离的电磁辐射及相同距离不同 高度上的电磁辐射进行了分析计算，以此对拟建中的移动通信基站周围的电磁环 境进行了预测，作为对未来移动基站的参考，并用来验证本文介绍的系统的稳定 性和有效性。 该论文的研究的内容是河南省的技术攻关项目，在文章的最后对桃源宾馆楼 顶的移动通信基站的电磁辐射进行了理论上的计算和实地测量，并将理论计算结 果和实测值进行比较，验证了该系统的有效性和可靠性。 关键词：虚拟仪器、l a b v i e w ，通信基站，辐射测量 a b s t r a c t n e 也e s i si n t r o d u c e s 也er a d i a t i o np r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n di t s t r a n s m i s s i o nm o d e s ，a n de l a b o r a t e st h eo p e r a t i v em o d e so ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，i n t r o d u c e st h en a t i o n a ls t a n d a r d sa n dt h em e a s u r i n gr e q u i r e m e n t s as o f t w a r e o fa u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mi sm a d ei na c c o r d a n c ew i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d sa n d r e q u i r e m e n t so fm e a s u r e m e n t , i ta d o p t st h ec a 4 3a n da g i l 驿n te 7 4 0 2 a a st h em a j o r m e a s u r i n gi n s t r u m e n t s t h ev m u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e , l a b v i e wl a n g u a g ea n d g p mc o n t r o lt e c h n i q u eh a v eb e e na d o p t e d t h et h e s i sd i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi nt h e a u t o m a t i cc o n t r o lf i e l d ic o n t r o lr o o d e lo fm o d e mi n s t r u m e n ta n dt h et e c h n i c a l s t a n d a r d sw h i c hi tr e l a t e d p r e s e n tt h ev i s a ( v m u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) a n ds t r u c t u r ea n dp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fs c p l ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o r p r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t a t i o n ) i n t h ep r o c e s so fm a k i n gt h es o f t w a r eo ft h e a u t o m a t i cc o n t r o lm e a s u r i n gs y s t e mo fc o m m u n i c a t i o nb a s ea n db r o a d c a s t i n ga n d t e l e v i s i o nt o w e r , i ti n t r o d u c e st h ec o m b i n a t i o no ft h ev i s aa n ds c p lt e c h n o l o g ya s s c h e m eo fc o n t r o l l i n gi n s t r u m e n t i te m p l o y sl a b v i e wa sa p p l i c a t i o np l a t f o r mb e c a u s e 0 ti t sp o p u l a r i t y , p o w e r f u l ，s i m p f i c i t yo fl e a r n i n ga n dp r o g r a m m m g b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h et h e s i se m p l o y sl a b v i e wv i r t u a l i n s t n u n e n tp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，m o d u l a t i n gp r o g r a m m i n gm e t h o da n dr e l a t e d i n s t m m e n t st od e v i s eaa u t o m a t i cm e a s u r i n g s y s t e mt ot h er a d i a t i o no f c o m m u n i c a t i o nb a s e f u r t h e r m o r e w eu s et h es y s t e mt om e a s u r et h er a d i a t i o no ft h e c o m m u n i c a t i o nb a s ea n da n a l y z et h em e a s u r i n gd a t a t h cs y s t e mh a v em a n ya d v a n t a g e s , s u c ha s 衔e n m yi n t e r f a c e c o n v e n i e n t m a n i p u l a t i o n , c o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n s ，e t c t h et e s ti n d i c a t et h a tt h es y s t e mb a s e do n v i l l l l a li n s t r u m e n td e c r e a s e sw o r k l o a d ，a v o i d sm a n - m a d er e a d i n ge r r o r , c a l c a l a t i o n e r r o ra n dc o r r e l a t i v ed a t ac a n tb er e c o d e da tt h es a m et i m e i ta l s oi n c r e a s e st h e p r e c i s i o na n de 丘c i e n c y i th a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s 、l a b v i e w 、c o m m u n i c a t i o nb a s e 、r a d i a t i o n m e a s u r e m e n t 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 电磁理论和电力、电子技术的迅速发展，为人类社会的发展倾注了新的活力， 同时也对各个科学领域带来了严峻的挑战。随着人为电磁辐射污染源的不断增 加，环境电磁污染问题已引起了人们极大的重视。尤其近年来，移动通信事业的 发展日新月异，用户规模飞速扩张，使得移动通信发射基站星罗棋布，空间电磁 辐射越来越强，暴露在强电磁场和电磁波辐射下的人群数量不断增加，如何定性 和定量地确定电磁污染对人体的影响已成为当前期待解决的问题。 而为了保障移动通信的顺畅和实现无缝隙覆盖，电信运营商有时需要在通话 需求量较大的写字楼、居民区增建移动通信基站。但是，出于对电磁辐射的误解 和担忧，不少地区的居民对此表现出抵触、排斥的情绪，个别地区甚至发生了阻 挠基站建设的过激行为。一方面，很多手机用户要求信号覆盖好，通话不掉线； 另一方面，谁又都不愿意通信基站建在自己的家门口。这成了移动通信服务的两 难选题。而且，对于基站辐射的“恐慌情结”，眼下还大有蔓延之势。我们知道 只有电磁辐射超过一定的频率和功率造成“电磁污染”，才会对人体产生危害。 电磁辐射是否对人体有害主要取决于两个因素：一是看电磁辐射频率的高低，二 是看电磁辐射功率的大小。只有当这两个因素超过一定的允许值而造成辐射污染 时，才有可能会对人体带来负面影响嘶。因此，基站周围的电磁辐射是否形成了 电磁污染，判断的标准是要看它的辐射强度是否符合国家的有关规定。这就要求 我们按照国家有关的标准迸行电磁场强度的测量。同时，有于电磁辐射是在不停 的变化中，在某些地方的某些时候有些电磁辐射可能超标，因此需要对一些敏感 的地方进行长时间的监测，而在目前的测试方法中是用人手动操纵仪器进行测 量，由于测试的点位多，数据量大，手动测量费力费时，所以建立自动测量系统 成为必要。 第一章绪论 1 2 课题研究的主要内容 本论文在对电磁辐射研究的基础上开发了一个以虚拟仪器技术为核心的电 磁辐射自动测试系统，详细介绍了系统的软硬件组成，并且利用该测试系统对郑 州市的几个移动通信基站的电磁辐射进行了测试并将测试结果和国家标准进行 了对比。本文的主要内容有： ( 1 ) 通过对移动通信基站不同距离及相同距离不同高度的电磁辐射的计算， 对拟建中的移动通信基蛄周围的电磁环境进行了预测，作为对未来移动基站的参 考。 ( 2 ) 基于6 p i b 接口的仪器控制系统构建；该部分内容主要利用f i p i p 技术 和g p i p 总线构建一个控制系统，使得计算机能够通过g p i p 接口卡控制测量仪器 进行测量，记录并存储数据。 ( 3 ) 基于综合场强仪测试的数据分析；利用l a b v i e w 开发平台编写控制程 序，将综合场强仪测试得到的数据读入计算机，按照一定的格式存储在e x c e l 文 件中，并按照环境测评的要求将数据进行处理。 ( 4 ) 基于频谱仪测试系统的数据分析；利用对数周期天线、a g l i e n te 7 4 0 2 a 频谱仪、6 p i b 接口卡与计算机构成自动测试系统，利用l a b v i e w 开发平台编制 控制程序，利用计算机通过g p i b 接口卡控制a g l i e n te 7 4 0 2 a 频谱仪进行自动测 试相应的频段的电磁辐射，并将测得的数据按照一定的格式存储在e x c e l 文件 中，同时按照环评的要求将测得的数据进行计算处理。 ( 5 ) 系统的构建完成后，利用这套系统对我校旁边的桃源宾馆楼顶的移动 通信基站的电磁辐射进行了理论的计算和实测，并将理论计算和实测值进行比较 分析，从而验证了测试系统得稳定性和有效性。 2 第二章电磁波的辐射与传播方式 2 1 电磁波传播方式 电磁发射是指“从源向外发出电磁能的现象”。电磁发射分为辐射发射和传 导发射。辐射发射是“通过空间传播的，有用的或不希望有的电磁能量”。而传 导发射是指“沿电源线或信号线传输的电磁发射”。辐射发射经常称为电磁辐射， 其定义为：“a 、能量以电磁波形式由源发射到空间的现象。b 能量以电磁波形式 在空间传播。”电磁辐射是一种能量流，且属于非电离辐射，具有的量子能量较 小。因此，电磁辐射的量子能量不足以引起物体的电离。但当非电离电磁辐射的 强度和作用时间达到一定限值时就会对人体产生不良的影响，电磁辐射污染是电 磁辐射强度超过国家允许标准的一种现象。 通信的实现最终是通过电磁波的传播来实现的，而电磁波传播方式和频率有 很大的关系，不同波长的电磁波其传播方式也不同。 电磁波传播方式可以分为： 地波辐射：电磁波沿地球表面的绕射传播； 天波辐射：为指向天空的无线电波被空中电离层反射后达到接受点的传播方 式； 直射波辐射：电磁波通过空间直射波和地面反射波的途径到达接受点，它是 超短波和微波传播的主要方式，其频率范围为0 3 h z 3 0 0 g h z 。 散射传播：利用对流层大气的不均匀气团、电离层的不均匀性以及流量堕落 大气层所形成的电离余迹等对电磁波的散射作用而建立的散射通信电路，它主要 用于超短波的远距离通信。 移动通信采用直射波辐射的方式传播，其特点为：天线高度远大于工作波长； 通信距离通常在视线距离之内；由于存在多径传播现象，造成直射波和反射波互 相干扰，引起接收点场强起伏变化并随距离呈波动变化；直射波辐射传播方式与 天波辐射相比更为稳定。 3 第二章电磁波的辐射与传播方式 2 2 移动通信原理 移动通信系统是指能够实现移动通信的技术系统。移动通信采用直射波传 播，它是移动台( m s ，一般为用户手机) ，基地站( b s ，称基站) ，移动业务交换中 心( m s c ) 以及与公众电话网( p s t n ) 相连接的中继线等组成。基站和移动台设有收、 发信机和馈线、天线等设备。每个基站都有一个可靠通信服务范围，称为无线小 区。无线小区的大小，主要由基站发射功率和基站天线高度以及接收机灵敏度等 传播条件决定，移动业务交换中心主要用来处理信息的交换和整个系统的集中控 制管理。大容量移动电话系统可以由多个基站构成一个像蜂窝的移动通信网。通 过基站，移动业务交换中心就可以实现在整个服务区任意两个移动客户之间的通 信，也可通过中继线与电话局的连接，实现移动客户和有线电话客户之阈的通信， 从而构成一个有线、无线相结合的公众蜂窝移动通信系统咖。 无线电频谱是一种有限的自然资源，目前，无线电频谱己经拥挤不堪。分配 给某些双向无线电业务包括公安局、消防车、救护车、航海、航空、商业用户的 频率严重短缺。要想使有限的频段能供大量的用户使用，关键在于一而再地重复 使用相同的频率。无线电发射机应当设计得只覆盖一个很小的区域，而在这个而 在这个区域内应有许多部这样的发射机。相同的频率可以在附近的区域内使用， 但不能在相邻的区域中使用。这就是所谓蜂窝状系统新型移动通信系统的基础。 蜂窝状系统的原理下图所示。服务区的边长( 根据具体情况确定) 相等，组成正 六边形。每个服务区分配到一组频率，相邻的服务区分配到不同的频率“3 。 图2 2 服务区系统示意图 4 第二章电磁波的辐射与传播方式 2 2 1 中心激励与顶端激励方式 移动通信基站的位置通常有两种方式，一种是蜂房正六边形的中心，称为 电蕾j _ 户 图2 3 通信系统示意图 “中心激励”方式，另一种是基站位于蜂房正六边形的一个顶头上，顶端激 励方式的基站采用三个呈1 2 0 度角扇形覆盖的定向天线。中心激励方式一般用于 农村或郊区，而市区则大部分采用顶端激励方式。每个六边形蜂房有三个无线电 话基站，设置在相间的三个角上。这些基站用地面线路同移动电话交换局相连， 移动电话交换局将与通的电话交换局相连“，如图2 3 所示。 2 3 移动通信基站电磁辐射的计算 对于移动通信基站，测量点位距离天线直线距离小于6 米时认为是近区场， 大于6 米时认为是远区场狮。由于通信基站的天线挂高都大于6 m ，因此对通信基 站的测量都是远场区测量。移动通信基站电磁辐射的计算公式如下： 移动通信基站中远场轴向功率密度的计算公式是m ： f p g di 4 , r d d 一离天线的距离m ； p - 设备辐射功率w ； g - 天线最大辐射方向的功率增益； s 一功率密度w m 2 ： 5 第二章电磁波的辐射与传插方式 天线中远场轴向电磁场强的计算公式是： e 矗面i s 一功率密度w 酽 e - 电场强度v u 1 远场区的电磁辐射场强计算公式是： e 。e ，( 日) ，( 妒) e - 天线中远场轴向电磁场强v 1 1 1 ，p ) 一天线的垂直方向的方向函数 一一垂直方向的偏离角度 ，( 咖一天线的水平方向的爿向函数 i p _ 水平方向的偏离角度嘲 在本文的验证测量中，移动通信基站的发射天线的方向函数由方向图采用作 图法的方式获得。然后将获得的离散函数值代人上式求得天线周围的电磁场强。 2 4 本章小结 本章介绍了电磁波的发射机理和传播方式，并介绍了通信基站的工作原理， 以及通信基站系统的构成和激励方式，讨论了移动通信基站电磁辐射的理论计算 公式和方法。 6 第三章通信基站电磁辐射标准及监测要求 3 1 电磁辐射标准 电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 8 8 ) 中规定：频率范围( 3 0 _ - 3 0 0 0 ) 删z 的电 磁辐射功率密度在一天2 4 h 内，环境电磁辐射场的场量参数在任意连续8 r a i n 内 的平均值满足公众照射导出限值0 4 w m 2 的要求( 相应的电场强度参考值为1 2 v m ) 。 辐射环境保护管理导则一电磁辐射环境影响评价方法与标准( h j t i o 3 一1 9 9 6 ) 同时也要求：对单个辐射体的电磁辐射功率密度的公众照射导出限 值应取国标电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 - 8 8 ) 中规定限值的1 5 ( 相应的电场 强度参考值应取y c ) ，即8 p w c m 2 。( 相应的电场强度参考值5 3 7 y m ) 作 v ) 为评价标准。公众总的受照射剂量包括各种电磁辐射对其影响的总和，即包括拟 建设施可能或已经造成的影响，还要包括已有背景电磁辐射的影响。 表3 1 公众照射导出限值 电场强度( v 磁场强度( a 功率密度( w 频率范围( m l - l z ) 吐) 皿) m 2 ) o 1 34 0 0 1 4 0 3 3 0 o 1 7 一 ，遗 1 2 f 3 0 3 0 0 01 20 0 3 20 4 3 0 0 0 1 5 0 0 0 o 2 2 fo 0 0 1 , f f f 7 5 0 0 1 5 0 0 0 3 0 0 0 02 70 0 7 32 7 第三章通信基站电磁辐射标准及监测要求 3 2 通信基站辐射的测试要求 根据辐射环境保护管理导则一电磁辐射环境影响评价方法与标准( h j t 10 3 - 1 9 9 6 ) 中的规定，发射功率p i o o k w 时，评价范围应为5 0 0 m 。根据基站 的电磁辐射影响范围，对于位于市区的基站评价范围取天线周围1 5 0 米；对于位 于市郊和乡镇的基站评价范围取天线周围2 0 0 米。重点评价天线主瓣方向的影 响。 根据国家无线电委员会的有关文件规定，移动公司g s m9 0 0 m h z 数字蜂窝移 动通信系统的工作频段共1 8 8 m h z ： 8 9 0 0 0 0m h z 一9 0 8 8 0 0 m h z ( 上行，移动台发，基站收) 9 3 5 0 0 0m h z 一9 5 3 8 0 0 瑚z ( 下行，移动台牧，基站发) 相邻频道间隔为2o o k h z 。每个频道采用t d m a 方式，分为8 个时隙，即8 个信道。双工收发频率间隔为4 5 m h z 。采用等间隔频道配置方法。频道序号和频 道标称中心频率的关系为： f n = 8 9 0 20 0 + ( n - 1 ) x o 20 0 跚z 移动台发，基站收 f n = 9 3 5 2 0 0 + ( n 1 ) o 2 0 0 姗z 移动台收，基站发 n 为频道序号 9 0 0 m h z 频段共有2 5 m h z 的带宽，由于每个信道为2 0 0 i ( h z 的宽度，因而可将 整个频段划分为1 2 4 个频道，频道序号为1 - 1 2 4 。根据国家无委的规定，去掉第 9 5 号傈护频道后，移动公司本期工程可使用的频率序号为1 - 9 4 ，共9 4 个频道， 1 8 8 m h z 的有效带宽咖。根据电磁辐射监测仪器和方法和电磁辐射环境影 响评价方法与标准中的有关规定，对于发射机功率p l o o k w 的陆地发射设备， 监测范围应以基站天线为中心半径5 0 0 m 范围。理想监测点位布设采用梅花瓣法， 即以基站发射天线为相对水平零点，间隔4 5 。角，分八个方向做测量线，每条 测量线上选取距离中心3 0 m 、5 0 m 、1 0 0 m 、1 5 0 m 5 0 0 m 等处布设测量点。但在 实际监测过程中，考虑到位于市区的基站由于建筑物相对密集，站距较近( 部分 站距仅为2o o 米左右) ，基站发射功率亦较小( 机顶最大输出功率氏。 4 0 w ) ，故 监测范围取以基站天线为中心半径1 5 0 m 范围：位于市郊和乡镇的基站由于建筑 物相对较少，地面比较空旷，站距较远( 几公里) ，故监测范围取以基站天线为中 心半径2 0 0 m 范围。 8 第三章通信基站电磁辐射标准及监测要求 考虑到基站电磁波的方向性，测量点位的布设对于全向站以天线发射方向选 择一条测试路径进行布点；对于定向站则取三个主瓣轴线方向进行布点。当受建 筑物、河流等自然条件的影响无法实现上述布点方式时，则沿基站附近的街道进 行布点监测。每条测量线上选取距离中心l o m 、2 5 m 、5 0 m 、l o o m 、1 5 0 m 、2 0 0 m 等 处布设测量点，直至测量值为本底值时止。测量时对于进入天线辐射主瓣半功率 角范围内的近距离的建筑( 5 0 米以内) 选择不同高度的楼层进行室内或室外的监 测，测量时不同高度布点在同一垂线上，一般测点数5 7 个。 此外，对于进入天线副瓣辐射影晌范围内的建筑( 环境保护目标) 亦布点监 测。在监测中若受环境条件限制，无法严格按照上述布点原则进行时，应在对周 围环境特征进行分析的基础上，沿天线主瓣方向，至少布设三个基站附近活动的 人群能够到达的距天线最近的点位( 根据电磁波在空阀衰减规律，若这些最近点 位的相关电磁场参量远低于限值 ，即可 认为该基站对周围其他点位的影响也低于相应的标准限制，若这些点位的相关电 磁场参量高于该阈值，则应适当选择更多的监测点位进行测量) 。 此外，现状监测过程中由于综合场强仪所监测到的值为基站周围环境电磁辐 射的综合值，若在监测过程中出现超标现象时( 即功率密度8uw c 确则考虑 采用频谱分析仪( h p - e 7 4 0 2 a 频谱分析仪，频率范围9 1 d d z - - 3 g h z ，量程范围- 9o d b m _ 3 0 d b m ，在有效标定期内) 进行监测或采取关闭本基站以监测其辐射本底值的方 法，从而确定本基站的辐射贡献大小。 按照辐射环境保护管理导则一电磁辐射监测仪器和方法( h j t i o 2 1 9 9 6 ) 中一般电磁环境测量方法的测量时间要求，并根据移动公司提供 的基站功率变化规律，选择城市环境电磁辐射的高峰期，一般为7 ：0 0 23 ： 0 0 。基站功率在白天基本处于同一水平，髓测时间确定在白天人群使用手机相对 频繁的时刻，即8 ：0 0 至19 ：0 0 为监测时间。 监测天线高度为1 7 米，每个监测点进行6 分钟连续测量( 仪器设定测量间 隔2 0 秒) ，并读取最大值和平均有效值作为监测值。测量选择晴天条件进行，避 开树木、高压线的影响，监测时应注意居民楼、学校等敏感点的测量。并记录现 场监测相关内容。 9 第三章通信基站电磁辐射标准及监测要求 3 3 测量方法及要求 以基站发射天线为相对水平零点，间隔4 5 。角，分八个方向做测量线，每 条测量线上选取距离中心3 0 m 、5 0 m 、1 0 0 m 、1 5 0 m 5 0 0 m 等处布设测量点。天 线高度为1 7 米，每个监测点连续测量6 分钟，每隔2 0 秒铡一个数据，并读取 最大值和平均有效值作为监测值。 测量仪器读出的场强测量值的单位为d b l lv m ，先按下列公式换算成以v m 为单位的场强测量值： e 1 0 和 式中： ) 【_ 淑4 量仪器的读数； b 一以伏每米( v m ) 为单位的场强测量值。 测量数据按下列公式处理： 弘丢骞岛 “z ) 式中： e 。，某测量位上行频率或下行频率的第j 次场强测量值； 占t 某测量位某频段中频率i 点的场强测量值的平均值； n 一某测量位某频段中频率i 点的场强测量次数； e s 某测量位某频段中的综合场强值； m _ - 某测量位某频段中被测频率点的个数； e 某测量位2 4 h ( 或一定时间内) 内测量的某频段的综合场强的平均值； k 2 4 小时( 或一定时间内) 内测量某频段电磁辐射的测量频次。 如果测量设备是宽带设备，由公式( 2 ) 和( 4 ) 直接计算，公式中的带入量 作相应的变动即可。 一2 ， i f 甜 e 蚤。荟 1 一七 i _ 鬈 第三章通信基站电磁辐射标准及监测要求 测量步骤： ( 1 ) 、在待测发射塔周围选择测试点位，监测点位布设采用梅花瓣法，即以 基站发射天线为相对水平零点，间隔4 5 。角，分八个方向做测量线，每条测量 线上选取距离中心3 0 m 、5 0 m 、1 0 0 m 、1 5 0 m 5 0 0 m 等处布设测量点。 ( 2 ) 、打开综合场强仪进行综合场强测量，每个点位总计测试6 分钟，每 2 0 秒纪录一下测试数据，共1 8 个数据，并将测得的数据用计算机进行数据处理。 ( 3 ) 、将测得的结果与国家标准相比较，如果测试结果表明该点的电磁辐射 低于国家标准，则表明该处的电磁辐射标准合格，否则进行下一步的测量。 ( 4 ) 、采用频谱仪测量该基站的电磁辐射强度，通信基站辐射的中心频率是 8 9 9 4 m 和9 4 4 4 m 。将测试参数输入程序，运行程序，自动得出结果。 ( 5 ) 、与国家标准相比较，并保存结果。 3 4 本章小结 本章主要介绍了电磁辐射的国家标准和通信基站附近的电磁辐射测试布点 要求和方法。并给出了测量数据的处理公式及测试步骤。这使得我们在进行电磁 辐射测量系统的设计时有了依据。 1 1 第四章虚拟仪器技术及l a b v i e w 的应用 4 。1 虚拟仪器概念 虚拟仪器( v l - v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是指通过应用程序将计算机与功 能化硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操 作自己定义和设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判 断、显示以及数据存储等。 虚拟仪器是计算机技术和仪器技术相结合的产物，是当前测控领域的技术热 点，代表了未来仪器技术的发展方向“”。它把计算机、仪器硬件与计算机软件结 合起来。除继承传统仪器已有的功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进 功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性。用户在使用过程中可以根据需要添加或 删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬 件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。 4 2 虚拟仪器的产生与发展 从1 9 8 7 年以专用集成电路( a s i c - a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 和计算机技术为基础的总线仪器即虚拟仪器的雏形问世，到1 9 9 3 年虚 拟仪器已发展到三百多家厂商，一千多种虚拟仪器产品，此后厂商和产品更是越 来越多。虚拟仪器以传统仪器无法比拟的速度飞速发展着“。 当前国内外许多部门和公司都在积极地开展虚拟仪器技术的研究和应用工 作。例如，美国的g e o n a t i c s 公司和g o d s m i t h 公司等利用虚拟仪器开发工具， 研制开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统。比利时i n t e r s o f t 电子工程公 司利用虚拟仪器思想开发出了雷达分析支持系统p a s s p d p 和p a s s s 软件。美国 斯坦福大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学、实验、仿真系统。挪威 c a r d i a c 公司采用l a b v i e w 平台构建了测试北海油田石油、大气、水流的m p f m 系统。在国内，清华大学应用虚拟仪器技术构建汽车发动机性能检测系统，用于 第四章虚拟仪器技术及m 唧的应用 汽车发动机出厂前的自动检测。石油科学研究院将虚拟仪器技术应用于小型石油 精炼实验系统中。 目前，虚拟仪器已在科研开发、计量检测、测量控制、超大规模集成电路测 试、模拟和数字电路测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以 及军事、航空航天、生物医学、电工技术领域可移动式测量工作中得到应用，并 将随着计算机技术的快速发展和专用软件的迅速发展而不断拓展其应用领域。 4 3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由数据采集与控制、数据分析和处理、结 果显示三部分组成。然而对于传统仪器来说，这三部分几乎均有硬件完成，而虚 拟仪器的后两部分主要有软件来实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块 化、标准化，设计工作量、复杂性大大减小“”。 咂互州数据采集r - - 1g p i b 接口仪| + _ 叫g p i b 接口卜卜_ 测 l 串行接口仪器i + p c + 控 。lj 测 对 1 7 iv x i p x i 仪1 1 7 试 象 软 1 7 i 现场总线设r 1 7 件 _ i 图像采集、d s p 卜_ + i 其他硬件设卜 。 图4 3 1 虚拟仪器系统的结构 虚拟仪器从硬件构成上看，已完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是在 计算机上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它是几 第四章虚拟仪器技术及l a b v i e w 的应用 种仪器的合成，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。虚拟仪器的 硬件结构如图4 3 1 所示，它主要以计算机为核心，在其基础上扩展了不同类型 的硬件设备，构成了不同类型的虚拟仪器系统。目前较为常用的虚拟仪器系统有 数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、，) 【i p x i 仪器系统、串行接口仪器系统以及 它们之间的任意组合“”。 从图4 3 1 中可以看出，支持虚拟仪器的硬件种类很多，这极大地丰富了虚 拟仪器的功能，每种虚拟仪器系统都是将硬件仪器搭载到计算机平台上，再加上 相应的应用软件而构成的。因而虚拟仪器技术伴随着计算机技术飞速同步发展 着。 虚拟技术的核心是软件，美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提出了“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的精神，并研制了 以l a b v i e w 和l a b w i n d o w c v l 为代表的虚拟仪器专用开发平台，这些软件提供了 虚拟仪器图形开发、调试和运行程序的集成化环境，再加上虚拟仪器硬件厂商提 供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术 的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，对各种硬件仪器的驱动软件的模块化、 标准化，将使虚拟仪器软件开发变得更加方便。 4 4l a b v i e w 概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h - - 实验 室虚拟仪器工程平台) 是n i 公司推出的一个图形化软件开发环境。n i 公司称， l a b v l e w 是一个通用的软件开发平台。确实，在一般的数据管理、科学计算等方 面，都可以在l a b v i e w 环境下开发出优秀的应用程序，然而l a b v i e w 最大的优势 还是在于测控系统的开发。因为它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大 量现代的高级信号分析工具，而且l a b v i e w 程序还非常容易和各种数据采集硬件 集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数据库 链接。国内外在科学研究与工程技术的各个领域应用l a b v i e w 开发了大量出色的 测控系统，取得了许多重要成果。 l a b v i e w 的特点是利用图形化编程，在计算机上使用其内含的功能库和开发 工具库产生一软面板，用来为测试系统提供输入值并接受其输出值；该面板在外 1 4 第四章虚拟仪器技术及l a b v i e w 的应用 观和操作上模仿有形仪器面板，在功能上则同于一般常用的程序语言。l a b v i e w 内部集成了大量的生成图形界面的模板，例如各种开关、按钮、表头、刻度杆、 指示灯等，包含了组成一个仪器所需要的主要部件，而且用户还可以方便地设计 库中所没有的仪器“”。 l a b v i e w 以框图方式集成了语言编程中结构化、模块化的编程特点，并可通 1 过d l l 、共享库、o l e 等与外部编碡( 如! c 程序) 蓬接。l a b v i e w 是一个带有扩 展功能库和子程序库的通用稗序设计系统，其开发环境下提供的应用程序有1 8 0 多种，除了具备其他语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模 板外，内部还包括许多特殊的功能函数库函数和开发工具库，例如f i r 这样的功 能，只需选取一个图标就可以实现。此外，l a b v i e w 还提供了多种硬件如：g p i b 、 v x i 、r s 2 3 2 等标准设备及数据采集卡的驱动功能，可非常方便地与外部设备进 行通讯和控制。 l a b v l e w 程序称为虚拟仪器或简称v i ，l a b v i e w 不同于基于文本的编程语言 ( 如f o r t r a n 和c ) ，它是一种图形化编程语言通常称为g 编程语言，其编 程过程就是通过图形符号描述程序的行为。它采用的数据流编程方法，控制v i 程序的运行方式叫做“数据流”。对一个节点而言，只有当他的所有输入端口上 的数据都成为有效数据时，它才被执行。当节点程序运行完毕后，它把结果数据 送给所有的输出端口，使之成为有效数据。并且数据很快就从源端口送到目的端 口 1 6 o l a b v i e w 编写程序的过程就是将多个目标用数据流连接起来的过程，被连接 的目标之间的数据流控制着执行次序，并允许有多个数据通路同步运行。这是一 种完全不同于文本程序语言线性结构的新型程序设计理念。因此，l a b v i e w 在绘 制方框图时只需从软件菜单中调用相应的功能方块并用导线连接起来即可，不必 受常规程序设计句法细节的限制。 当虚拟仪器建立起来并运行后，用户即可通过软面板来控制自己的仪器，如 按开关、移动滑块、旋转旋钮或从键盘输入一个数值等；同时，该软面板立刻响 应来自系统的实时反馈。作为人机对话的软面板，还可接受来自更高层次的虚拟 仪器参数。 l a b v i e w 以严格定义的概念构成了一种易于理解和掌握的硬件和软件模块并 提供了一个理想的程序设计环境，适合于从事科研开发的科学家和工程技术人 第四章虚拟仪器技术及i a b v i e w 的应用 员，可以使得科研和工程人员摆脱对专业编程人员的依赖，因此被誉为科学家和 工程师的语言。作为一种高水平的程序设计语言，同传统的编程语言相比，采用 l a b v i e w 图形编程方式可以节省大约8 0 的程序开发时间，而其运行速度却几乎 不受影响n 耵。 4 5t a b v i e w 的结构 任何一个v i 都是由三个部分组成：一个可交互的用户界面、一个相当于源 代码的流程图和用于与其它v i 连接的图标连接器嘲。 前面板( f r o n tp a n e l ) 。前面板是l a b v i e w 程序的图形用户接口。前面板是 控件和指示器的组合，控件仿真常规仪器上的输入设备类型，如旋钮和开关等， 指示器包括各种图表和图形，显示各种数据输出。如图4 5 1 所示，是对一个温 度信号测量其最大值、最小值和平均值，并在前面板上显示其波形和几个值。 框图( b l o c kd i a g r a m ) 。框图表面上类似于计算机程序流程图，与文本编程 语言中的文本行相对应，是实际的可执行代码。框图的组件包括节点( n o d e s ) 、 端予( t e r m i n a l s ) 和连线( w i r e s ) 。 图4 5 1 前面板示意图 图4 5 2 所示的框图程序，对应于图4 5 1 所示的前面板，调用t e m p 予v i 程序用f o r 循环结构产生4 0 个温度值，并求出最大值和最小值以及它们的平均 值。从图中可以看出，框图由节点、端子和连线构成。节点是程序中的功能模块 和函数，例如t e m p v i 、m a x & m i n 函数、m e a n v i 。端子是这些模块、函数与其他 1 6 第四章虚拟仪器技术及l a b v i e w 的应用 模块、函数交换数据的端口，相当于c 程序中的函数的参数。连线表示数据的传 递。 图4 5 2 流程图示意图 图标和接口( i c o n c o n n e c t o r ) 。图标和接口的图形如图4 5 3 所示。利用 它们在框图中可以将一个v i 作为另一个v i 的子v i 来调用。图标在一个v i 中表 示子v i 这个实体，接口用来进行数据输入、输出，与其他实体进行数据交换“”。 图标 接口 匮覃囊奎“。 l i ti m n ( e s ) 盯町i a i i t 图4 5 3 图标和接口示意图 4 6l a b v i e w7e x p r e s s 的特点 n i 公司于1 9 8 6 年1 0 月正式推出了l a b v i e w l 0 版，目前l a b v i e w 的最新版 本是7 1 版本，本论文采用的是2 0 0 3 年5 月发布的l a b v i e w7e x p r e s s 版本。 l a b v i e w7e x p r e s s 继承了l a b v i e w 的一贯传统。l a b v l e w7e x p r e s s 提供了创 新的开发环境、新的编程工具、交互式的测量以及运行方式选择，如e x p r e s s v i ， 测量i o 助理与更多的运载硬件等新增功能，同时具备了强大功能与方便使用 性能，将大大提高用户的生产率。本软件的主要功能和特点有： 拥有各种丰富的面板控件、指示器，便于用户灵活方便地组成各种所需的测 控仪器界面。 提供各种功能强大的函数库、子程序库，用户可以方便地进行各种数字信号 处理、数值变换等，便于结果的分析、运算。 1 7 第四章虚拟仪器技术及l a b v l e w 的应用 提供了方便的程序调试方法，用户可使用探针察看程序在任何位置的运行结 果，也可利用其所提供的工具，察看程序的运行过程，便于用户分析程序流程。 提供的调用库函数( c l f ) 和代码接口节点( c i n ) 便于用户使用其他程序语 言编写的程序，使其具有更好的开放性。 提供了许多仪器公司的仪器驱动程序，方便了用户对这些仪器的控制和利 用。 提供了支持a c t i v e x 控件的技术，便于用户开发使用更方便、有效、直观的 控件、指示器。 提供了网络通信功能，便于用户实现远程测控、数据传输。 l a b v i e w7e x p r e s s 的新特性之一是e x