电磁场与电磁波实验报告(修复的)

1、北京邮电大学电磁场与电磁波实验报告北京邮电大学电磁场与电磁波实验报告 实验名称：校园无线信号场强的测量与特性研究学院：信息与通信工程学院班级：2011211123日期：2014/4/28目录一、实验目的：1二、实验内容：1三、实验原理：11、阴影衰落22、大尺度路径衰落3四、实验步骤：31、选择实验环境32、数据采集：43、数据汇总54、数据处理过程：9五、实验结果：9六、实验结果分析：13七、实验源代码：14八、实验中遇到的问题及解决方法：15九、分工安排15十、心得体会16一、实验目的：1. 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确测试方法；2. 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；

2、3. 掌握在室内环境下场强的正确测试方法，理解建筑物穿透损耗的概念；4. 通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系；5. 研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。二、实验内容：1. 利用DS1131场强仪，实地测量北邮图书馆四周的信号场强分布特性2. 研究具体现实环境下阴影衰落分布规律，以及具体的分布参数如何；3. 研究在校园内电波传播规律与现有模型的吻合程度，测试值与模型预测值的预测误差如何；4. 研究在不同频率下（高频和低频）的无线信号的衰落情况，分析接收到的信号场强分布特性。三、实验原理：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。对于接收者，只有处在发射信号

3、覆盖的区域内，才能保证接收机正常接收信号，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。决定覆盖区大小的因素主要有：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。1、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他物体对电波的遮挡。在测量过程中，不同测量位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率不同，这样就会观察到衰落现象。在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物遮挡，它所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

4、，他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，特定位置的接收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，标准偏差为，单位也是。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同的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的分析阴影的随机效应。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受功率，m表示以表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的标准差，单位为。阴影衰落的标准差同地形、建筑物类型、建筑物密度等有关，在市区的频段其典型值是。除了阴影效应外，大气变化也会导致慢衰落。但在测量的无线信道中，大气变化所造成的影响要比

5、阴影效应小得多。阴影衰落分布的标准差s（dB）频率（MHz）准平坦地形不规则地形h（米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418212、大尺度路径衰落在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机和接收机之间信号的平均衰落，定义为有效发射功率和平均接受功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离。大尺度平均路径损耗表示为：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；

6、为近地参考距离；为发射机与接收机之间的距离。决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它还与接收点的电波传播条件密切相关。为此，我们引进路径损耗中值的概念。中值是使实测数据中一半大于它而另一半小于它的一个数值（对于正态分布中值就是均值）。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型。 自由空间模型 布灵顿模型 EgLi模型 Hata-Okumura模型四、实验步骤：1、选择实验环境北邮图书馆周围，图书馆建筑较为规整，其一圈近似为正方形，方便测量，且测量点比较整齐。在选频方面，我们采用的是低频测量，频点选用的是150MHz。属于低频范围。图书馆的外围结构如下图 N2、数据采集：利用场强仪

7、DS1131测量无线信号的强度（单位），围绕北邮图书馆一周按照东北西南的顺序逆时针测量。测量时间在早上8点钟，此时，图书馆附近人，车辆都很少。此外，测量时以一大步为一个测量点进行测量，数据基本保证平均取点。测量行进方向如下图所示：3、数据汇总单位（-dBmw）数据1：图书馆东靠近篮球场的马路上 低频部分：7966.565.570.37070.973.567.766.567.770.870.158.366.670.270.966.673.567.765.567.770.870.265.668.570.367.766.772.670.670.666.670.87059.468.770.270.95

8、8.465.570.666.670.867.770.163.568.670.270.858.472.666.565.567.770.967.763.568.670.267.766.567.667.765.670.866.570.258.668.770.16667.766.566.563.470.865.670.163.568.570.170.965.565.570.665.567.765.67058.468.870.27065.567.770.656.470.866.670.163.568.670.270.973.666.666.566.670.863.566.468.37075.774.66

9、5.668.756.467.765.464.468.470.27675.665.658.665.565.664.364.468.570.976.776.765.558.669.667.766.564.570.870.975.665.666.563.566.579.766.465.567.770.870.867.770.658.466.579.866.465.470.270.870.977.670.663.565.679.8高频部分：68.671.466.263.172.766.564.867.156.660.264.573.369.66372.470.267.968.262.866.157.9

10、60.668.374.671.872.567.867.864.570.264.163.658.868.269.165.472.165.963.270.771.972.571.861.457.367.965.674.768.868.973.173.972.170.27060.255.169.172.172.271.967.971.571.871.264.767.966.155.970.572.473.662.866.66571.670.473.463.46354.663.267.977.666.271.268.371.969.268.166.759.758.971.167.365.570.470

11、.871.772.165.568.871.558.558.772.768.267.570.267.766.666.871.765.258.658.769.170.8数据2：图书馆北侧低频部分：66.675.866.674.869.865.765.960.859.756.272.175.865.575.778.666.465.965.862.456.270.671.378.675.770.766.556.865.864.164.171.37057.367.671.360.757.360.761.470.278.678.666.671.566.664.165.765.675.978.672.670

12、.370.856.664.165.853.975.976.578.670.765.860.260.762.160.875.47076.666.666.464.165.964.160.279.764.676.670.471.356.265.865.965.170.164.674.670.266.756.164.165.865.175.864.476.670.966.364.160.465.860.2高频部分：67.87469.360.862.373.172.677.772.675.171.383.771.174.571.262.772.972.672.779.77577.377.67971.58

13、3.57567.573.572.976.583.874.377.781.876.575.174.369.466.670.375.978.879.573.770.379.271.272.173.972.367.370.771.377.775.472.674.279.87578.472.576.669.482.775.485.479.9858176.875.474.372.779.270.378.375.881.481.181.375.581.977.479.780.575.381.667.478.377.67781.67275.57469.976.468.472.968.781.382.6737

14、5.378.471.87470.574.168817675.981.972.976.28377727674.868.772.373.971.87980.782.875.776.778.468.88466.371.473.870.884.878.77674.971.583.775.171.76367.174.374.676.67671.681.180.37970.471.163.667.879.283.977.679.774.476.68276.573.571.561.867.376.181.879.770.777.373.780.871.2数据3：图书馆南侧与小白楼之间的马路上低频部分：78.

15、669.473.663.259.365.259.363.775.757.770.770.475.273.663.269.469.965.175.765.467.857.770.661.470.266.563.273.663.978.175.768.367.967.670.775.375.269.465.869.466.265.159.368.367.957.759.378.973.665.469.471.664.165.159.363.768.867.670.669.476.773.669.469.466.171.675.763.757.767.870.774.375.274.56554.86

16、5.260.659.361.467.870.761.478.975.263.269.471.664.161.475.761.457.770.870.96875.269.471.661.467.262.475.759.367.670.670.761.478.674.563.263.764.168.268.161.457.757.570.963.771.673.663.265.367.261.475.761.467.574.567.861.473.673.669.465.371.675.765.478.357.757.567.869.473.671.663.768.959.359.378.357.

17、757.470.864.973.673.669.461.459.368.378.167.957.370.863.263.273.665.961.475.765.468.167.859.370.6高频部分：73.169.962.369.761.865.170.175.567.266.964.773.266.263.166.364.166.658.662.260.366.266.672.264.466.472.67367.26162.165.258.658.864.467.67265.267.87266.273.764.377.359.754.657.269.169.667.271.769.269

18、64.662.35874.373.660.959.463.970.671.764.267.765.86868.573.463.863.464.661.359.169.979.965.767.167.170.262.96564.562.366.762.461.970.170.475.577.468.565.761.964.864.959.262.963.270.571.469.271.971.370.362.467.37368.955.762.16162.6686372.467.671.765.770.462.170.258.961.567.769.169.561.867.969.570.466

19、.269.772.467.161.670.164.460.877.365.46968.870.166.766.55962.770.566.967.661.368.871.672.168.67362.265.365.459.361.865.168.967.967.471.190.468.866.2数据4：图书馆西侧正门主干道上低频部分：67.265.359.370.370.367.257.475.875.567.367.362.468.370.368.670.370.359.368.464.757.475.979.162.462.462.459.377.562.468.672.467.375.5

20、75.979.578.468.362.459.361.159.357.268.268.368.569.967.361.168.374.368.462.470.352.268.367.362.464.767.361.162.465.372.362.470.572.257.974.364.764.967.361.162.468.672.361.165.672.667.864.862.479.374.361.168.362.468.162.467.452.752.967.668.364.967.362.465.372.368.365.367.772.367.575.877.967.362.465.3

21、72.368.365.359.367.567.364.875.767.368.359.355.355.365.365.378.165.364.774.368.374.359.368.168.259.368.362.465.379.764.868.368.365.255.368.359.368.369.665.479.675.874.368.365.168.367.568.872.875.661.169.775.768.368.365.255.370.355.968.379.761.175.964.974.3高频部分：75.770.87369.97965.66870.86561.162.367.

22、476.673.271.669.97168.773.367.163.96065.163.270.870.2727076.165.174.963.164.963.668.563.679.876.3767472.771.868.766.666.362.661.268.670.974.667.768.574.480.765.664.165.766.661.964.671.371.571.764.266.475.667.67177.468.170.479.173.379.570.170.379.169.967.168.870.359.166.760.379.674.367.670.675.671.56

23、4.969.56662.967.367.470.173.767.974.970.372.378.465.865.862.57263.277.974.875.97472.379.465.372.571.566.170.863.676.777.666.674.373.876.762.169.760.170.271.968.675.87270.666.6696769.27057.465.367.464.64、数据处理过程：采集到的数据有600多组，需要对数据进行细致的处理以便得到明确的结论。下图所示为数据处理的流程图五、实验结果：本实验除了研究不同校园环境下无线信号场强的分布情况，也和另外一组测高频

24、的同学合作想研究在不同频率下的无线电波的传播衰落特性，所以会有两种情况下的比较。1. 图书馆东侧东侧低频 东侧高频 低频高频2. 图书馆北侧：北侧低频北侧高频 低频 高频3. 图书馆西侧：西侧低频西侧高频 低频高频 4. 图书馆南侧南侧低频南侧高频 低频高频六、实验结果分析：从上图可以读出图书馆东 南 西 北 四个方向上的无线信号的统计规律为：低频高频单位（-dBmw）东西南北东西南北均值68.122567.037367.580767.288267.38967.38966.90774.976标准差4.23045.93495.84716.37164.85484.85484.98674.999最大

25、值79.879.778.979.777.677.690.485.4最小值56.452.254.853.954.654.654.660.8中值67.767.367.96668.568.167.1751. 从上表可以看出：从均值来看，低频时在图书馆的东侧的信号平均强度最大，说明东侧的接收情况良好，信号的衰落较小；且东侧的方差最小，说明信号的波动很小，信号接收较稳定。在高频时，北侧的信号强度最大，同样也是在东侧的接收信号方差最小，说明东侧的遮挡物较少对信号接收影响不大。东侧的环境较为空旷，没有大的建筑物的遮挡，所以受到的损耗较小。2. 从上面各图可以看出：由于受到传播路径等诸多因素的影响，故磁场强度

26、分布呈波动特性。理论分析表明，磁场强度在一定范围内呈现高斯分布特性，针对实测数据，可得到磁场强度的统计分布，对该分布进行高斯拟合。如上图所示，蓝色矩形条为直方统计，红色曲线为高斯分布拟合曲线。拟合表达式为，拟合参数的均值，如上述表格所示，显然拟合情况存在一定的偏差。3. 从上面的累积概率分布图可以看出：斜率越大则表明磁场的分布区间越窄，即分布越集中。可以看出几个方向的图基本符合s型曲线，其中图书馆南侧的图最漂亮，且中间斜率较高，信号强度较为集中。由此可以看出南侧信号较其他方向更为稳定。4. 对于移动无线信道，其主要特征就是多径传播。多径传播是由于无线传播环境的影响，在电波的传播路径上电波产生了

27、反射、绕射和散射，这样当电波传输到移动台的天线时，信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。因为电波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反向叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了所谓的多径衰落。七、实验源代码：>> tmph=xlsread('dbhigh.xlsx'); %读入数据>> subplot(1,2,1);>> histfit(tmph); %画出功率分布的直方图>> grid on;>&g

28、t; title('功率概率分布图');>> xlabel('功率值（-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);>> h,s=cdfplot(tmph); % 画出概率累积分布曲线>> title('概率累积分布图');>> xlabel('功率值（-dBmw）');>> yl

29、abel('累积概率');>> text(50,0.97,'最小值=',num2str(s.min); % 计算数据的统计规律>> text(50,0.92,'最大值=',num2str(s.max);>> text(50,0.87,'均值=',num2str(s.mean);>> text(50,0.82,'中值=',num2str(s.median);>> text(50,0.77,'标准差=',num2str(s.std);>&

30、gt; length=size(tmph,1);>> surf(tmph'zeros(1,length);1:length); %画出信号的分布图>> title('信号功率分布图');>> axis(1,length,1,2);>> caxis(50,90)>> colorbar('horiz')八、实验中遇到的问题及解决方法： 本实验使用了DS1131 场强仪来进行图书馆周围无线信号的实地测量，由于是第一次接触这种实验仪器所以在设置参数的时候遇到一些小问题，首先根据实验手册了解了一下基本操作，可能是由于参数设置的不准确，另外在测量过程中可能由于考虑不全面，测得数据不太完整，数据太少没办法很好地得出