电磁场与电磁波实验报告——校园场强测试

1、电磁场与电磁波实验电磁场与电磁波实验报告题目：校园无线信号场强特性的研究 日期：2014-04-20目 录一、实验目的2二、实验内容2三、实验原理2四、实验步骤51、选择实验对象52、数据采集53、数据录入74、数据处理流程7五、实验结果与分析81、教二楼周边电磁场信号强度分析82、教二楼室内不同楼层楼道信号强度分析11六、问题分析与解决151、Matlab 仿真问题研究与解决232、场强分布的研究23 3、模型拟合.24七、分工安排25八、心得体会25附录I：原始数据26附录II：源代码30一实验目的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

2、的分布规律； 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 利用DS1131场强仪，实地测量信号场强1. 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；2. 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； 3. 研究建筑物穿透损耗的变化规律。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

3、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。【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，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

4、，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 造成的影响要比阴影效应小得多。阴影衰落分布的标准差（dB）频率

5、（MHz）准平坦地形不规则地形（米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821 【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；为近地参考距离； 为发射机与接收机之

6、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。 1. 自由空间模型 2. 布灵顿模型 3. EgLi模型 4. Hata-Okumura模型 【建筑物的穿透损耗定义】 建筑物的穿透损耗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

7、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在同一位置室内测 量的信号平均场强，用公式表示为： 是穿透损耗，单位，是在室内所测的每一点的功率，单位，共M 个点，是在室外所测的每一点的功率，单位，共N个点。四实验步骤1. 选择实验对象 北邮教二鸟瞰图这次实验数据采集地点我们选择了教二，主要测量两个部分的信号强度： 1. 测量其周边一圈，其一圈近似为长方形，方便测量，且测量点比较整齐 2. 测量每一楼层楼道，变量单一便于对比不同楼层的信号强度在选频方面，频点选用的是535.25MHz，因为这个频点

8、信号接收很好，且本班另一测量小组选取了57.25MHz的低频，我们两组将进行高低频对比。2. 数据采集利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位），每走1步读一次数并进行信号电平记录。共测量的9组数据进行分析比较，分别是教二楼西侧、南侧、东侧、北侧以及教二楼一层、二层、三层、四层、五层。在测量建筑物外的信号强度时，采用围绕该建筑物一周的测量方法。在测量室内信号时，则采用由西到东逐步测量的方法。 测量地点：1. 教二楼室外西、南、东、北侧2. 教二楼一至五层 天气情况：晴、微风 频点选择：535.25MHz测量行进方向图3. 数据录入将测量得到的数据录入Excel表格，分别以东、南、西、北以

9、及各个楼层方向为单独的一列，便于数据处理时进行matlab的数导入和获取。记录表格如图所示： 数据记录表格4. 数据处理流程采集到的数据有500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： 数据采集 数据整理和录入 导入matlab 获取每一地点 数据向量绘制数据向量散点图，计算均值，标准差，绘制概率累积分布图，以及直方图和正太分布拟合 对比分析数据 得出结论五实验结果与分析 1. 教二楼周边电磁场强度及其分析 （1）教二楼西侧 最大值 最小值 平均值 标准差 -64.4dbmw -79.2dbmw -70.1778dbmw 3.1300（2）教二楼南侧 最大

10、值 最小值 平均值 标准差 -60.1dbmw -72.3dbmw -65.8644dbmw 3.0491（3）教二楼东侧 最大值 最小值 平均值 标准差 -69dbmw -82.2dbmw -76.0391dbmw 3.7228 （4）教二楼北侧 最大值 最小值 平均值 标准差 -61.2dbmw -78.9000dbmw -69.4128dbmw 3.3644教二楼周边信号强度分析：1. 不同方位信号强度对比： 教二楼方位 最大值(dbmw) 最小值(dbmw) 均值(dbmw) 标准差 西侧 -64.4 -79.2 -70.1778 3.1300 南侧 -60.1 -72.3 -65.8

11、644 3.0491 东侧 -69 -82.2 -76.0391 3.7228 北侧 -61.2 -78.9 -69.4128 3.3644 可以看出南侧的信号强度最高，因为教二楼南侧的遮挡物较少、建筑物较低，比较空旷，因此信号衰减小，信号强度高；教二楼北侧的区域也比较空旷但其信号强度弱于南侧是由于，在测量南侧时，我们所沿的路线距离教二楼较远，而在测量北侧时，几乎是沿着教二楼测量，因此受到教二楼阴影衰落影响较严重，因此北侧虽然看起来比南侧空旷但信号强度弱于北侧。但同时可以发现在信号的概率累积分布中北侧表现的最好，最接近S型曲线，因此说明北侧信号环境较好，突发干扰较少。 信号强度最低的教二楼的东

12、侧，因为教二东侧与一栋楼房紧邻，仅有一个四五米宽的过道，因此遮挡严重，信号强度很弱。总体上说，南北两侧的信号强度由于东西两侧，这是由于南北两侧的建筑物间距较远，而东西两侧的相邻建筑物距离很近。 2.高低频信号强度对比： 结合同班另一测量小组（组员：王文雪，张玉洁），所测量的教二楼外部频道2（57.75MHz）的信号强度数据，进行高低频的对比： 信号电平 西侧 南侧 东侧 北侧 高频（535.25MHz） -70.1778 -65.8644 -76.0391 -69.4128低频（57.75MHz） -61.0018 -58.9465 -61.0298 -58.8750 可以看出，无论是哪个方位

13、，高频信号的衰减明显要大于低频，这与理论相符。同时低频也是南北侧信号强度高于东西侧。 2.教二楼各楼层楼道电磁场强度及其分析（1）教二楼一层楼道 最大值 最小值 平均值 标准差 -66.4000dbmw -84.6000dbmw -75.3429dbmw 4.6616 （2）教二楼二层楼道 最大值 最小值 平均值 标准差 -61.5000dbmw -84.7000dbmw -73.3209dbmw 4.9184（3）教二楼三层楼道 最大值 最小值 平均值 标准差 -57.3000dbmw -78.5000dbmw -68.0047dbmw 5.4170 （4）教二楼四层楼道 最大值 最小值 平

14、均值 标准差 -54.6000dbmw -73.9000dbmw -63.7930dbmw 5.1870 （5）教二楼五层楼道（包括天台部分） 最大值 最小值 平均值 标准差 -47.6000dbmw -68.4000dbmw -60.3256dbmw 5.6386 教二楼室内不同楼层楼道信号强度分析1.不同楼层信号强度对比： 教二楼楼层 最大值(dbmw) 最小值(dbmw) 均值(dbmw) 标准差 一层 -66.4 -84.6 -75.3429 4.6616 二层 -61.5 -84.7 -73.3209 4.9184 三层 -57.3 -78.5 -68.0047 5.4170 四层

15、-54.6 -73.9 -63.7930 5.1870 五层 -47.6 -68.4 -60.3256 5.6386 可以看出，随着楼层的升高，信号强度逐渐增强，特别是五楼，其大部分是室外且比较空旷，因此衰减很小。但是，同时发现室内楼道测量时数据的标准差很大，这是因为每层楼两侧部分空间狭小，信号较弱衰减很大，而中心楼梯口处一般比较空旷，信号强度较强，因此差别较大。从散点图中也可以看出，楼道两侧的信号衰减较大，而中间部分信号衰减较小。 2.高低频信号强度对比： 结合同班另一测量小组（组员：王文雪，张玉洁），所测量的教二楼内部楼道频道2（57.75MHz）的信号强度数据，进行高低频的对比： 信号电

16、平(dbmw) 一层 二层 三层 四层 五层高频（535.25MHz） -75.3429 -73.3209 -68.0047 -63.7930 -60.3256低频（57.75MHz） -72.4524 -62.5128 -59.0394 -57.1768 -57.9962 可以看出，同样是高频的衰减大于低频的衰减，与理论相符。且基本上也是随着楼层的上升衰减下降，信号强度增强。六问题分析与解决1. Matlab仿真问题研究与解决获取的数据需要进行matlab数据分析，绘出散点图、概率累积分布图和正太分布拟合图，并进行分析。主要解决的问题有：1.从excel表格里获取每个地方的数据列向量：直接从

17、excel里导入的是矩阵，而需要分析的是每个地点的数据列向量，于是用从矩阵中获取列向量的方法（例如：data1:54,1）2.绘制信号强度散点图：用matlab的plot函数绘制散点图，需要生成一个和数据点数相同的行向量作为横坐标，进行绘制。3.绘制概率累积分布图：用matlab的cdfplot函数进行概率累积分布图的绘制4.绘制正太分布拟合图：统计不同区间内数据的分布直方图，再在根据平均值和标准差进行正太分布的拟合。（具体代码请见附录）2. 场强分布的研究根据matlab的数据分析和绘图，我们进行了教二楼地点的信号强度分布特性。通过对比东、西、南、北侧的信号强度特性，发现教二楼南北侧的信号强

18、度要由于东西侧。南侧由于测量时距离教二楼较远，因此信号衰减较小，而北侧距离教二楼较近，因此受到阴影衰落比较严重，因此虽然较空旷但信号衰减略大。通过对比不同楼层的信号强度，发现随着楼层的上升，信号强度逐渐增强；且每个楼道的两侧信号强度较小，中心信号强度较大。通过对比高低频的信号的信号强度，发信低频信号的衰减明显要小于高频信号。这也与自由空间传播的损耗：空间损耗=20lg（F）+20lg（D）+32.4；F为频率，单位：MHz；D为距离，单位：Km；频率越高虽好越大相符。 3.模型拟合对教二楼周边进行模型拟合：取频率f=535.25MHZ，设发射天线在主楼，取发射天线到移动台水平距离为=150m，

19、取天线高度（即主楼高度）=40m，取移动台高度为=1.5m,得到各模型下的路径损耗计算值为：自由空间模型：55.6930 布灵顿模型：51.4806市区Hata-Okumura模型：71.1620 开阔地Hata-Okumura模型：56.7704比较可知教二楼周边较符合市区Hata-Okumura模型。 1、2、七分工安排测量过程和数据整理：由张诗悦读数，石蕊记录matlab仿真：由张诗悦完成讨论分析结果：共同完成论文整理：由石蕊完成八心得体会石蕊： 经过这次的实验，我了解到了教二外部和内部的场强分布，观察场强分布的变化可以学习到影响场强大小的各种原因以及其原理，像是阴影衰落和多径衰落相关的

20、知识。同时也在这次实验中加强了对matlab的运用能力。此次实验中得知在测量衰减的时候，无论是一棵小树或是一道门都会对场强衰减度产生影响，在高处空旷处得体场强相对就会稳定，衰减也会小一些。这些知识对我们以后的学习和生活都有很大得体帮助。张诗悦： 这次实验我收获了很多： 首先我了解了分析电磁场强度的方法，通过实地测量电磁场强度，我们了解了学校教二楼周边的电磁场强度分布，以及我们教二楼每一层楼道的电磁场强度分布。 其次，我学会了使用matlab处理数据。散点图的绘制，概率累积分布图的绘制，以及直方图和正太分布的拟合。 最后，我们通过与经典模型的对比得出了教二楼周边符合的基本模型。 通过这次实验，我

21、们第一次做了一个实地测量分析的实验，有趣有有意义，让我们亲身经历了实践当中电磁场分布的分析，收获了很多也学到了很多。 谢谢老师的指导和同学的帮助！附录I：原始数据1.教二楼周边数据教二楼西侧电平教二楼南侧电平教二楼东侧电平教二楼北侧电平-71.7-67.7-73.1-69.2-72-68.3-70.5-67.6-69.2-63.6-76.4-68.2-73.2-69.2-75.5-66.7-70.5-66.2-80.5-70.2-72-67.2-71.4-68.1-68.4-66.2-71.6-70.9-71.5-65.2-75.5-69.7-64.4-64.3-72.5-68.8-65.8-

22、70.4-75.4-62.5-71.2-72.3-76.8-66.4-70.3-65.2-72.8-75.8-73-70.8-71.3-68.7-68.2-68.8-73.5-68.8-65-65.7-71.7-68-64.7-67.2-73.5-74.9-68-71.4-79.6-70.2-69.4-64.5-82.2-66.9-70.3-62.4-77.9-67.3-70.8-65-80.2-64.3-70.7-68.3-79-74.2-71.5-63.7-80.6-63.4-69.2-68.9-78.2-73.3-69.9-71.2-81.3-72.2-74.3-66-82.1-73.3

23、-73.1-72-73.8-69.6-68.9-63.5-81.9-65.4-70.3-66-76-69.4-71.8-64.8-77.4-73.4-71.4-72.3-78.8-65.2-67.9-68.9-78.2-72-67.4-63.8-77.2-67.9-73.7-63.2-77.2-68.1-79.2-62.7-76.8-64.2-73.7-63-80.3-69.7-70.9-67.9-72.9-68.8-72.5-63.8-73.2-71.9-66.8-64.1-78.3-69-71.9-66.8-77.9-67.4-74.5-67.8-76.2-69.8-71.8-66.3-8

24、1-66.8-73-64.8-77.2-69.4-66.9-67.5-69-66.7-76.2-63.7-69.9-67.6-66.2-63.7-72.1-69-73.9-66.2-69.4-68.7-72.3-69-65.4-67.2-62.5-69.7-69.2-64-68.8-65.4-63.4-67.4-68.7-71.6-73-68.8-67.7-65.9-65.9-65.9-73.1-64.9-65.5-70.9-60.9-61.2-61.1-65.1-65-67.2-63.3-64.9-66.3-69.1-65-67.2-69.4-71.4-60.1-70.9-64.4-66.9

25、-66.5-65.9-65.2-68.4-70.9-67.5-62.8-63.3-70.9-68.8-67.2-67.3-63.2-72.2-65.2-70.3-60.4-75.9-65-73.4-61.2-76.3-66.2-74.4-67.3-71.5-60.6-70-67.7-71.2-67.1-78.9-69.2-71.2-60.2-70.6-61.2-70.9-60.8-74.9-62.2-73.5-66.5-71.9-65.8-73.5-64.8-69-68.5-64.62.教二楼每个楼层楼道数据教二楼一层电平教二楼二层电平教二楼三层电平教二楼四层电平教二楼五层电平-82.4-77

26、.8-70.5-66-65.8-77.9-73.3-73.1-72.5-66.6-80.4-78.1-78.5-66.5-67-81.3-77.4-77.9-68.7-63.7-78.3-81.2-74-73.9-59.8-74.7-74.7-72.1-71.7-54.8-80.4-79.9-73.8-66.5-48.6-77.2-75.8-72.2-72.9-65.9-75.9-71.4-65.1-65.8-58.2-78.5-74.2-72.9-63.4-53.2-75.7-75.5-63-70.4-47.6-77.1-72.6-66.6-63.4-54.8-74.7-75.4-68.4-

27、60.1-59.9-71.4-77.6-64.7-61.2-56.8-76.5-72.2-69.9-64.7-54.9-74.7-70.7-63.9-58.1-63.7-70.8-68.6-66.2-65.5-68-72.4-68.8-59.8-57.8-66.9-67.9-70.4-60.1-64.1-63.4-67.7-72.6-58.4-62.4-59.4-66.6-70.6-57.7-64-63.3-71.4-67.3-59.9-63-55.4-66.4-61.5-57.3-54.8-62.7-70.3-63.7-60.5-57.2-58.7-71.4-66.3-64.5-64.5-5

28、7.9-71.2-66.7-63.2-60-54.6-74.9-74.3-67.3-60.5-60.4-70.3-69.6-65.4-62.6-60.1-76-71.8-70.1-60.7-58.9-69.3-68.6-67.5-63.8-54.6-66.8-70.1-66.4-54.6-52.1-71-70.8-68.7-55.8-56.7-76.4-69.3-69.3-55.9-48.4-73.9-70.3-69-58.1-57.6-74.8-76.6-70.3-68.1-63.4-74.2-78.6-71.2-67.3-64.5-80.2-78.9-73.4-59.2-59.8-81.6-74.1-70-60.2-60.4-72.4-80.5-69.3-69.8-65.4-75.9-79.1-68.9-70.9-68.4-82.1-84.7-74.2-71-66.7-76.9-74-73.4-60.5-67-76.8-77.2-75.6-65-68-79.6-