北京邮电大学电磁场与电磁波实验报告(共24页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上信息与通信工程学院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姓名班级学号序号指导老师： 日期：2012年4月专心-专注-专业目录一、实验目的1. 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法；2. 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；3. 掌握在室内环境下场强的正确测量方法，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、实验原理1、电磁波的传播方式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。对于接受者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接受信号，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。决定覆盖区的大小的主要因素有：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，同频干扰等。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。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较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体树叶街道标志灯柱。 2、尺度路径损耗 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： 用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即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： （式1）即平均接收功率为： （式2）其中，定义n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度，d0为近地参考距离，d为发射机与接收机之间的距离。公式中的横杠表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。坐标为对数对数时，平均路径损耗或平均接收功率可以表示为斜率10ndB /10 倍程的直线。n依赖于特定的传播环境，例如在自由空间，n为2；当有阻挡物时，n比2大。决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它与接受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，中值是使实验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）。人们根据不同放入地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型。下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。常用的电波传播模型： 1) 自由空间模型 2) 布灵顿模型 3) EgLi 模型 4) Hata-Okumura 模型 3、 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： （式3）其中，Xs 为0 均值的高斯分布随机变量，单位dB；标准偏差s ，单位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，概率密度函数为： （式4）应用于阴影衰落时，上式中的表示某一次测量得到的接收功率，表示以dB 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。（dB）频率（MHz）准平坦地形不规则地形 （米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821表1. 阴影衰落分布的标准差（dB）4、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： （式5）是穿透损耗，单位是dB；是在室内所测的每一点的功率，单位是，共个点；是在室外所测的每一点的功率，单位是，共个点。三、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。 四、实验步骤1、实验对象的选择由于对衰落的现象比较感兴趣，经过两人的商定，分别对北邮学生生活区的电磁场强度和教三内外的电磁场强度进行测量。主干道的人流起伏较大，主干道路口附近的人流起伏更大，空间较为空旷。教四和学二之间的道路人流较少且数量起伏不大，周围有茂密的植物和大量停放的自行车，与其垂直的小路人流更少，周边整洁，有学三和学四两幢高楼的遮挡。教三是北邮体型最为庞大的教学楼，共有十层。五层及以下是高楼层，层高大约6米，分布着大量教室，空间较大，过道宽敞，环境整洁，人流起伏较大。五层以上是低楼层，层高大约3.5米，分布着多个学院的实验室，空间较为小，过道狭窄，人流起伏小。教三外围是较为宽大的柏油路，周围没有较高的植物，以矮灌木为主。示图1. 第二教学楼地理位置一览在选频方面，我们采用104Mhz。并且，考虑到FM97.4的频率接近100MHz，波长接近3m，数值较整；而教三的室内铺设了较大块的瓷砖，我们测量发现一格约70厘米，故走两格正好就是1.5m，这相当于走三步的路程。故我们每走三步（即两格）读一次数据，不易产生较大的间隔偏差。2、数据采集利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位：dBmw），分别对第二教学楼室内外的信号进行测量，以半个波长（约1.5米， 室内地砖两格半，大概走三步)为测量周期， 记录该点读数。对于建筑穿透损耗的测量就依据在室内一层的测量路径， 相应地在建筑外围一层的路面上， 转一圈测量，测量的方法与室内信号的测量方法类似（在室内走了几百个三步之后，步子大小已经基本规范）。实验中，我们在第三教学楼室内外采集数据的走向如下：示图2. 教三内各层测量走向示意图在室内，我们测了若干层的场强数据（走向已经在示图2中标出），在室外，我们采用了一楼沿着教三外墙由东向西的测量走向，以使室内外的测量数据更具可比性。3、数据录入将测量得到的数据录入Excel表格，为了便于MATLAB处理数据，将所有数据都存在一列，并注明地点和周边状态。 示图4. 数据表格部分截图4、数据处理流程采集到的数据有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。具体的Matlab代码和拟合方法在附录中进行了详细叙述。五、实验结果与分析1、磁场强度地理分布磁场的地理位置分布在实际工程中有着重要意义。基站的选址和盲区的测量均需要考究地理位置。由于我们测量选取的中心频点是104MHz，属于低频，不会存在盲区，但磁场强度的地理位置分布仍对于我们理解磁场分布规律有帮助，故实地测量第三教学楼磁场空间分布。A、室外分布对于室外，得到了如图1所示的磁场强度空间分布图。结合地形图（图2），进行分析。图1. 第三教学楼外围紧贴墙壁和内部1层磁场强度分布图图2. 第三教学楼实景图（注：浅绿色箭头为室外测量路径，红褐色箭头为室内测量路径）经过matlab统计计算，得到图一的两张场强排列图。在教三南侧的信号强度略低于教三一楼内部的强度。从图1的第一张图看，可以看出在第27至第37个测量点的位置信号较强，这恰好是教三北门的位置，而此范围之外的信号强度普遍偏弱，波动较室内略强，可能与建筑物外部干扰较多有关。从图2的第二张图看，信号分布较室外均匀，第30至第35的采样点位置与室外第27至第35的采样点位置较接近，场强分布也较为相近。在第48至第53采样点处的信号出现突增，而这附近时教三内部天井观光电梯附近，顶部有大型玻璃顶，信号骤变可能与电梯运行有关。B、室内分布对于室内，将教三的第1、2、3、4、5层楼的磁场空间分布顺次排列如下。图3-1. 第三教学楼第1、2、3、4、5层磁场强度分布图（东西）图3-2，第三教学楼第9层磁场强度分布图（由西向东）通过计算，得到教三第1、2、3、4、5、9层的样本均值是64.79、65.74、64.32、58.35、60.40、57.20(dBm)。均值随着楼层的升高而逐渐变大，在第9层达到最大值。而样本的标准差分别是5.0066、4.3444、5.2289、5.1124、4.106、5.5175。从图3-1可以明显看出，楼层越高，颜色越靠近红色，其中四楼的红色样本特别多，超过了样本数的一半，这个现象很奇怪。本组成员大致推断原因可能有几点：1.教三四楼的buptm1信号较强，虽然wifi工作在2.4Ghz频段，于本次试验所选用的频段完全不同，但考虑到wifi路由器电路在工作的时候产生的电磁泄漏（可能性较小）。2.教三南侧是北邮家属区和校医院，建筑普遍较矮，四楼的高度恰好和家属区的建筑高度相近，可能是建筑物顶部对信号的散射通过窗户较多的进入了教三四层，使得四层的信号强度偏大（可能性较大）。3.教三电梯间隙性工作对信号产生的干扰（可能性较小）。因为五层及以下和五层以上的楼层平面图并不完全相同，所以将第九层拿出来单独分析。可以看出九层的电磁场强度起伏明显，峰峰值较大，尤其在窗口和电梯附近强度起伏明显，在东南角的窗口处，场强达到最大值。合理猜测，由于，教三九楼地势较高，东南方向除远处今典花园等高楼遮挡，并没有较近的遮挡散射物体，故发射台可能在教三的东南方向。通过观察和分析以上数据图表，可以知道室内墙壁、门和窗户甚至是电梯都对磁场有较大影响，表现为突变部分，教三电磁场强度的变化的总体趋势是位置越高强度越大，这和理论分析一致，较高处受到的建筑物阻隔较少，电磁波在越接近自由空间的介质中传播损耗越少。C、主干道和小路的分布教四学二之间小路以及垂直小路周围的环境较为复杂的，从Google Earth上可以看出周围大致的环境。图4是从卫星图上截取下来的图形，并在周围一些主要的地方加上了标注。教四周围影响最大的高楼应该就是北边的学生宿舍楼了，这几栋楼都比教四高，对两条路上的附近电磁场造成较大的影响。南边有一个较大的广场，隔着广场是教三。虽然教三很高，但由于距离较远，估计对附近电磁场强度的衰减比较有限。东边隔着主干道的是教一楼、再往南的是主楼和教二楼，这些楼对教四周围的环境也有着一定的影响。西边是鸿通楼及学十三公寓，再往西则是学苑路，路公车流量较大，对无线信号的传播也造成了一定的影响。最后就是整个学校里都种满了树，在树叶开始发芽的季节里，估计电磁波传播的信道也会受此影响。图4.北邮建筑物分布图图5-1.主干道的磁场分布图观察图5-1可以得到，主干道所在区域场强较小，起伏较大，且从第30个测量点开始，场强明显增大，波动明显。结合数据表发现，第30个测量点大约在学二附近，空间较小松林更为开阔，数目遮挡较少，人流量较大，这可能是造成场强增大波动加强的主要原因。图5-2.主干道路口至主楼前广场附近磁场分布图观察图5-2可以得到，主干道路口至主楼前广场附近所在区域场强较大，波动不明显。在第30个测量点到第40个测量点，有较高的强度平均值。结合测量数据可以知道，这段区域位于教四教二前道路至毛主席像。这段区域，人流较为平稳，且环境空旷，有较多树木但属于高大乔木，对于人体高度的信号强度的衰落较茂密灌木小。图5-3.教四和学二之间的小路磁场分布图观察图5-3可以得到， 教四和学二之间小路的磁场强度普遍偏弱，而且起伏较小，可能的原因 ：1.周围环境没有较大的变化，人流较少，道路两侧整齐的停着自行车，环境的整齐造成信号起伏较小。2.周围树木尤其是茂密的矮灌木较多，而且自行车较多，对信号的衰落产生较大的影响。图5-4.学生公寓之间的小路磁场分布图观察图5-4可以得到，垂直小路上中间的磁场强度非常强，且起伏较大，可能造成的原因：1：沿路经过了学一学二老式宿舍楼、种有乔木的小公园、高大现代的学三学四新宿舍楼以及若干个装满设备的电线杆，环境变化较大。2.学三学四体型较为高大，可能对电磁波产生了折射，第15至第 40个测量点的位置都处在学二和学四之间小公园的位置，猜测该电磁波的发射台应该在学四的南面，使得电磁波折射至小公园的位置。与从教三九楼推出的结果相近，可以合理猜测发射台在北邮的南偏东方向。2、磁场强度统计分布由于受到传播路径的诸多影响，磁场强度呈现波动特性，理论分析表明磁场强度值在一定区间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，得到了如图4所示的结果。图4. 第二教学楼各楼层磁场强度统计分布图和概率累积分布曲线图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。拟合参数如表2所示。拟合的情况存在一定的偏差。层数1-64.795.012-65.744.343-64.324.344-58.355.115-60.404.109-57.255.52表2. 教二分楼层拟合参数表室内磁场的变化受门和电梯的影响较大。存在一些突发的变动。在统计特性上呈现出来的是高斯拟合偏差的部分（上凸和下凹直方）。对应于磁场统计分布，进行累积积分，可到到概率累积分布图，如图5所示。斜率越大的图表明磁场的分布区间越窄，即分布越集中，高斯拟合的值越小。其中1楼的值分布最为集中。3、建筑物的穿透损耗由室外磁场强度分布值，由磁场强度均值定义可求得室外磁场强度均值为P1= -59.72dBmw，其标准差为。=5.19。同理可求得室内一层的磁场强度均值为P2= -64.79dBmw，标准差=5.01。根据穿透损耗的定义可求穿透损耗：=P1-P2=5.07dBmw.六、问题分析与解决1、测量误差分析低频段的电磁波传播特性较好，绕射能力强，穿透性好，研究起来相对容易。移动通信频段呈现的趋势是不断提升，3G已经在2000MHz左右了，此频段信号呈现出的地理位置的依赖性增强，通信的复杂性增加，可研究的点很多。但高频设备较为昂贵。本实验采用的设备能测量的频段属于模拟电视信号段。而我们选取的频点在104MHz，属于低频，特性较好。高频的测量需要密集踩点，记录的数据量需要很大，而且一点通常也不会只有一次读数，而应该是多次取中值的。104MHz的频点大致是1.5m一个测量点，实测中室内磁场强度读数跳变不大，故1.5m测量和读数一次，可基本达到精度要求。2、场强分布的研究场强的分布研究可从两方面着手，一是地理位置分布，二是统计值分布。地理位置分布直观反映了场强在空间的分布，为工程实际的建设提供依据和参考。统计值的分布则在概率统计层面为研究场强的特性提供可能，场强的统计分布值能更加有效地反映一个地点的场强特性，为综合设计通信系统提供参考，例如基站或者发射塔定位、接收机的安装和灵敏度控制等等，均需要考虑空间分布和统计分布的影响。从我们时间测量和实验整理的情况看，地理位置分布总体呈现出掩蔽效应，即场强和遮挡物的多少成反比，这与理论值一致，但分布值中存在的诸多的突发变动点，为位置预测带来了困难。因而我们进行了统计分布的研究，统计分布值呈现的拟合效果不尽如人意，我们没有十足的把握说明场强的统计分布呈现高斯分布，这一方面由于现有测量数据拟合效果有偏差，另一方面是由于要求的测量数据不够（不到1000组），结论的可信度不够。解决的最好方法不是自己再去测量更多的数据，而是和其他组同学联合各自的数据进行统一分析，结论就具有很高的可靠性了。参考其他组同学的结论，高斯拟合仍然具有较高的可信度。七、分工安排吴XX： 测量读取、MATLAB编程、数据处理、图片处理、数据分析、报告撰写 刘XX： 测量记录、数据录入、图片处理、报告撰写。八、心得体会 吴XX本次实验本人初次感受了电磁波的传播特性，其波动性和掩蔽效应都很明显。我对电磁波的阴影衰落和穿透损耗有了更切身的体会。数据采集、数据处理、数据分析、分布研究，这些最基本的电磁测量和研究方法在这个实验中都得到了体现。研究频段的选择在低频，实验的难度下降了不少，但一次实际测量的体会，这种过程的积累，将对以后测试和把握高频的特性打下良好的基础。对于测试路径的安排，我们考虑了很久，处于方便测量较多数据的考虑，我们选择了体型较大的教三，和人流较为稀少的学二前道路和人流较为繁多的主干道。实验数据处理处理过程比较繁琐，需要相当程度的细心。大二的时候使用过一段时间的MATLAB，但是近一年时间没有使用，用起来手生，所以通过模仿网上和参考书上的例子来热身，渐渐地，数据处理和图形显示的代码就一行一行的敲出来了。本次实验用到的核心函数不多，其他的代码多是辅助绘图的，但图形的精细化处理是一个需要耐心和毅力的工作。数据的可视化给实验结论的得出带来了方便，分布的拟合为了解磁场统计特性提供了方法。以后的学习工作中，要继续加强数据处理和数据可视化的学习和实践，这将对将来的工作和科研夯实基础。实际中电磁波的测量研究大多是基于统计和概率的研究，这点在本次实验中得到了很好的体现。例如，测量本身就是一种多点多次测量，磁场强度分布的得到是一种统计结论，穿透损耗的计算也是统计计量值。这些值和分布虽然具有波动，但依旧服从一定的统计规律，这为实际的应用提供了可能。例如，可以依据穿透损耗，对信号进行补偿，对接收机的灵敏度进行调整等等。以后的工作和研究中，要有意识地积累更多的经验和参数结论，在工程应用中丰富自己。刘XX本实验是大学以来第一次实地测量性实验。与平时在实验室中照着书本或手册“依葫芦画瓢”大不相同的是，除了要完成理论到实践的过渡，还有许多实际问题等待着我们去分析和解决。在这次实验中，我们使用了场强仪进行测量，使用了excel 和 matlab 对数据进行处理，学会了绘制概率累计和柱状图曲线，对软件的使用进一步熟悉。通过数据处理，对电磁场的传播模型有了基本的认识，通过数据分析也更直观的认识到校园内场强变化。实验中一共测量了600多组数据，有效数据559组。经过实验前的预习，我了解了电磁波在空间中反射，绕射和散射的三种传输模式；并对无线信道中的阴影衰落、路径损耗和建筑物穿透损耗的概念形成了初步认识，为数据的测量和分析打下了理论基础。由于本次实验需要采集的样本数据量比较大，为了找出看似随机数据背后的统计特性，我们使用了Excel录入数据，Matlab处理数据。分析数据时，我们将一层的室内和室外数据单独提出来做了一张图，以便更直观地分析穿透损耗的影响；然后室内一到五层采用汇总图列出比较，方便观察场强分布与楼层垂直高度变化的关系。通过本次实验，我对电磁场与电磁波的特性以及移动通信的相关理论有了更为直观的认识，同时也提高了动手能力。九、附录：数据处理过程本次实验涉及到的Matlab核心处理代码不多，处理函数也仅有几个。作图涉及到诸多精细调整的地方（如图形排布、大小、位置，线形、颜色、粗细比例，标注的字体字号，坐标标度的特殊控制等等），使用代码控制作图细节将十分繁琐，故辅助采用了Matlab可视化工具处理。这里仅列出关键处理函数和处理步骤，略去大量图形细节的函数和调整过程。附：主要作图和计算代码；Tnorth=xlsread('mainstreet.xlsx','s');Enorth=mean(Tnorth)Vnorth=std(Tnorth)Tnorth1=reshape(Tnorth,1,558); Tnorth2=Tnorth1,zeros(1,558),1:558;Tnorth2=reshape(Tnorth2,558,3);figure(1) %操场北面subplot(1,2,1);histfit(Tnorth);axis(-80,-40,0,100);grid on;title('全体样本电平概率分布');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(Tnorth); %画累积概率分布图 axis(-75,-50,0,1); hold 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