北邮场强仪实验报告

电磁场与电磁波实验报告班级：2012211119姓名：学号：姓名：学号：时间：2015年5月3日校园内无线信号场强特性的研究一、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；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，只有处在发射信号的覆盖区内，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。(1)大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收功率之间的(dB)差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛地采用。对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示式为：PL(d)[dB]PL(d0)10nlg(d/d0)(5-1)即平均接收功率为：P(d)dBmPdBmPL(d0)10nlog(d/d0)P(d0)dBm10nlog(d/d0)（5-2）其中，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(T-R)之间的距离。公式(5-1)和(5-2)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表示为斜率10ndB/10倍程的直线。n值取决于特定的传播环境。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。常见的电波传播模型有：1)自由空间模型自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收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到达移动台的。自由空间模型计算路径损耗的公式是：Lp32.420Lgd20Lgf（5-3）其中Lp是以dB为单位的路径损耗，d是以公里为单位的移动台与基站之间的距离，f是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。空气的特性可近似为真空，因此当发射天线与移动台距离地面都较高时，可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。2)布灵顿模型布灵顿模型假设发射天线和移动台之间的地面时理想平面大地，并且两者之间的距离d远大于发射天线的高度ht或移动台的高度hr，此时的路径损耗计算公式为：Lp12040Lgd20Lgt20Lghr（5-4）其中距离d的单位是公里，天线高度ht及hr的单位是米，路径损耗Lp的单位是dB。系统设计时一般把接收机高度按典型值hr=1.5m处理，这时的路径损耗计算公式为：Lp116.540Lgd20Lght（5-5）按自由空间模型计算时，距离增加一倍时对应的路劲损耗增加6dB；按布灵顿模型计算时，距离增加一倍时对应的路径损耗要增加12dB。3)EgLi模型前述的自由空间模型及布灵顿模型都是基于理论分析得出的计算公式。EgLi模型则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，其计算式为：Lp8840Lgd20Lght20Lghr20LgfG（5-6）其中路径损耗Lp的单位是dB，距离d的单位是公里，天线高度ht及hr的单位是米，工作频率f的单位是MHz，地形修正因子G的单位是dB。G反应了地形因素对路径损耗的影响。EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度h有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当h用来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：若将移动台的典型高度值hr=1.5m代入EgLi模型，则有：Lp84.540Lgd20Lght20LgfG（5-8）4)Hata-Okumura模型Hata-Okumura模型也是依据实测数据建立的模型，当移动台的高度为典型值hr=1.5m时，按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为：市区：Lp169.5526.2Lgf13.82Lght(44.96.55Lght)Lgd（5-9）开阔地：Lp2Lp14.78Lgf18.33Lgf40.94（5-10）一般情况下，开阔地的路径损耗一般都比市区小。(2)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：Pr(d)[dBm]Pr(d)[dBm]XPr(do)[dBm]10nlog(d/do)X（5-11）其中，X为0均值的高斯分布随机变量，单位为dB，标准偏差为，单位也是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(Normal)分布，也叫高斯(Gaussian)分布，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收功率，m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。表5-1列出了阴影衰落分布的标准差，其中的s(dB)是阴影效应的标准差。(3)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：P是穿透损耗，单位dB，Pj是在室内所测每一点的功率，单位dBm，共M个点，Pi是在室外所测的每一点的功率单位是dBm，共N个点。三、实验设备DS1131场强仪、拉杆天线四、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。五、实验步骤1.选择实验对象经过讨论我们决定做电磁波建筑物穿透损耗的测量，试验频率选为97.4MHz，即北京音乐广播；实验地点选为教二。下图为教二楼外景平面图及俯视图：由图可知，教二为工字型结构，外侧为矩形道路，西侧为十层建筑教三，东侧是两侧建筑网络中心，南侧为四层建筑家属楼，北侧是音乐广场及主楼，但是由于周围建筑和教二楼相距较远，对实验结果的影响不大，因此教二很适合作为测量电磁波的穿透损耗的实验地点。2．实地测量利用场强仪DS1131测量教二楼室外及各楼层无线信号的强度，单位dBm，每隔半个波长记录一个数据，将数据按测量地点分类，每个地点测量的数据至少大于50个，并且记录测量地点。我们在教二楼室外，沿箭头方向走一圈进行测量，每步长（约60cm）测量一个数据，测量方向如下图所示：我们在室内1-5楼层沿从东向西的方向测量信号强度。但是由于周末时间一层西半侧以及三层东半侧不开放，故未能测得这两个地点的数据。楼梯楼梯楼梯3．数据录入将测量数据填入excel表格，每个方向或每层楼的数据作为一列，列名为测量地点，数据记录为信号电平值，单位是dBm，状态用不同颜色或荧光笔标记标出以便于将来筛选分类数据。其中，室内蓝色表示教二两头凸出部分的数据，红色表示在教二中间楼梯的位置；室外字体用黄色标出表示北侧两头凸出部分楼底数据，黑色字体表示测量数据附近没有明显环境特征。部分数据及图例如下：4．数据处理数据处理我们使用MATLAB软件，对各个楼层以及室外四个方向分别编程处理，计算其均值与标准差，并且画出概率的累积分布曲线，与标准正态分布的累积曲线比较，得出室内室外阴影衰落的分布规律，按照上述公式计算建筑物的穿透损耗。六、MATLAB代码信号强度值的概率分布south=xlsread('data.xls','south');south1=reshape(south,1,78);subplot(1,2,1);histfit(south1);axis([-80,-40,0,30]);gridon;title('教二南侧电平分布');xlabel('电平值x/dBmW');ylabel('样本数量y/个');legend('实际样本分布','统计曲线');subplot(1,2,2);[h_south,states_south]=cdfplot(south1);axis([-80,-30,0,1]);text(60,0.3,['最小值=',num2str(states_south.min),'dBmW']);text(60,0.24,['最大值=',num2str(states_south.max),'dBmW']);text(60,0.18,['均值=',num2str(states_south.mean),'dBmW']);text(60,0.12,['中值=',num2str(states_south.median),'dBmW']);text(57,0.06,['标准差=',num2str(states_south.std)]);title('累积概率分布');信号强度随位置的变化south=xlsread('data.xls','south');south1=reshape(south,1,78);south2=[south1,zeros(1,78),[1:78]];south3=reshape(south2,78,3);surf(south3');title('教二南侧从西向东电平分布图');xlabel('西---------东');axis([1,78,1,2]);caxis([-80,-20]);colorbar('horiz');由于各组数据处理方式相同，所以仅列出上述两组代码，七、数据处理结果及分析室外：1.教二楼北侧教二北侧电平分布和累积概率分布如上图所示，教二楼北侧地形较为空旷，仅有一些树木可能影响较大，如上图蓝色部分。由图可知，电平分布基本服从正态分布，最小值为-71dBm，最大值为-48dBm，均值为56.9024dBm，标准差为4.2298，信号大部分在-50——-60dBm之间，信号强度较好。2.教二楼西侧教二楼西侧为主干道，主干道西侧为教三，同时有一些树木和广告牌可能会产生影响。由图可知，电平分布基本服从正态分布，电平值大部分在-60dBm左右，最大值为-51dBm，