1、北邮电磁场与微波测量实验实验七无线信号场强特性电磁场与微波测量实验报告学院：电子工程学院班级：2011211204执笔人：学号：2011210986组员：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。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
2、， 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
3、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：PL d dB PL dO 10nlog d/d0Pr d dBmPt dBm PL dO 10nlog d/dOPr dO dBm 10nlog d /dO即平均接收功率为：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， dO为近地参考距离，d为发射机与接收机之间
4、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 1OndB /1O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）自由空间模型自由空间模型假定发射天线和接收台都处
5、在自由空间。我们所说的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 + 2OLgl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是理想平面大地， 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
6、时的路径损耗计算公式为：Lp = 120 + 40Lgd - ZOLght - 20Lghr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。3) EgLi模型EgLi公式则是从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。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:Lp = 88 + 40Lg(i- 20Lght-20Lghr-l- 20Lf G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。 Eg
7、Li模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度厶 h有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当 h用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：Ah 1 丸 MH議段Ah 15m 280M圧频段Lp = 84.5 + 40Lgd 20Lght-F 20Lgf G4) Hata-Okumura 模型Hata-Okumura模型也是根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：市区内的Hata模型为：L冲=69,55+26.16-13.321-住%)+ (44.W 一 CreU + Q简化后为:Lpl = 6955 + 26.2Lgf
8、- 13.82Lght+ (44.9-6.55Lght) 28Lgd5） CCIR模型CCIR给出了反映自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗联合效果的经验公式。具体 公式请参见模型计算部分。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
9、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 Xs Pr（d0） dBm 10nlog（d/d0） X其中，X为0均值的高斯分布随机变量，单位 dB;标准偏差 ，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：2f（x） -2exp（ 厶）V2 2 2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， 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
10、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。F面是阴影衰落分布的标准差，其中 s （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2.1 阴影衰落分布的标准差 s（ 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
11、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，单位是 dB;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
12、型预测值的预测误 差如何。四、实验步骤1、实验对象的选择为了便捷，我们在北邮校园里进行测量，时间在早上 8:30左右，这个时间行人和车辆都比较少。在选频方面，我们决定采用交通台广播 112MHz,此时的波长约为 2.678m，半波长为1.339m，我们大约每两步读一个数据。我们的路线选择如下：说明：第一组数据要求在空间开放的区域，我们选择上图路线 1,即主干道部分。第二组数据要求选在室内，我们选择上图中标号 2,学生食堂位置。第三组在建筑物遮挡下，我们选择上图中标号 3路线。第四组测穿过建筑物内外之间，我们选上图中标号 4路线。 t2、数据采集路线 1: 10.0 9.7 9.5 9.5 9.
13、7 9.6 9.5 9.1 9.39.7 9.5 10.0 9.7 9.5 9.7 9.6 9.4 10.0 9.7 9.6 9.9.5 9.7 9.5 9.3 9.5 9.5 9.3 9.5 9.1 9.5 9.3 9.3 路线 2： 10.6 10.5 10.6 10.2 10.9 11.6 11.3 11.2 10.6 10.6 10.9 10.6 11.2 10.9 10.6 11*6 12.9 12.6 12.9 12.9 12.2 11.3 10.6 10.2 10.6 9.6 10.3 9.9 10.3 10.6 10.7 10.0 10.6 10.3 10.0 10.9 13.
14、6 11.010.3 10.6 10.7 10.0 10.0 10.7 9.7 9.7 10.0 10.3 10.0 9.7 10.3 19.0 21.0 29.2 30.6 10.3 10.0路线 3： 10.0 9.5 9.7 9.7 9.7 9.7 10.0 10.3 10.7 11.0 11.3 10.0 9.7 10.0 10.3 10.7 12.0 12.3 12.713.7 13.3 13.7 13.3 11.7 11.7 10.7 10.0 9.7 9.5 9.7 9.8 9.7 9.5 9.3 9.7 9.5 9.3 13.0 9.7 9.5 9.5 10.19.3 9.7
15、9.5 9.5 9.3 9.3 9.5 9.7 9.5 9.3 13.0 13.7 16.7 19.0 24.2 26.8 25.7 24.2 18.7 14.7 12.7 12.710.0 9.7 10.0 9.7 9.7 9.7 10.3 9.7 10.7 10.3 10.7 10.0 9.7 10.7 10.0 9.7 9.7 9.5 9.7 9.7 9.7 9.7 9.89.7 9.7 9.5 9.8 10.3 10.0 10.6 10.7 10.7 10.0 11.0 10.7 10.7路线 4: 18.5 21.7 20.0 16.1 15.5 15.8 16.1 17.1 18.
16、5 18.1 15.5 16.1 16.5 16.8 17.5 15.5 15.5 14.823.7 19.0 18.8 24.8 23.9 24.7 19.6 19.6 21.4 19.2 17.6 16.6 17.2 14.3 18.9 22.7 19.6 20.4 19.619.2 18.6 17.2 20.0 22.2 20.5 21.7 19.5 23.5 21.9 22.7 19.9 22.5 25.8 22.4 24.5 24.2 24.0 20.421.2 22.9 23.1 19.6 17.9 22.2 18.9 21.1 14.3 17.9 17.9 18.9 18.2 1
17、4.3 15.2 18.9 20.5 18.3 18.215.6 17.6 18.3 13.3 16.0 13.0 15.3 15.3 15.7 12.6 15.7 14.6 11.7 17.3 15.3 16.0 16.6 15.73、数据录入数据录入选择excel表格，如下图所示：ABCDE1ior2g. 739.549. 559,T69. 679. 589-199. 3109.1119. 3129. 41391149. 7159.2169. 3179.1189.6199. 52096219. 3229.4239.391Q 7十卜卜主干道/錢牵葩f食莹4、数据处理流程五、数据处理过程1、路
18、线 1A、matlab 代码 clear all ; close all ;tb1etow=-1.*10.0 9.7 9.5 9.5 9.7 9.6 9.5 9.1 9.3 9.1 9.3 9.4 9.19.7 9.2 9.3 9.1 9.6 9.5 9.6 9.3 9.4 9.3 9.7 9.5 10.0 9.7 9.5 9.7 9.69.4 10.0 9.7 9.6 9.9 9.4 9.6 9.6 10.0 9.9 9.5 9.7 9.7 9.6 10.0 9.79.7 9.3;9.3 9.5 9.7 9.5 9.3 9.5 9.5 9.3 9.5 9.1 9.5 9.3 9.3 10.0
19、 9.5 figure(11);subplot(1,2,1);hist(tb1etow) %画样本数目直方图axis(-15,-5,0,20);grid onstr= 路线 1 ; 信号电平概率分布直方图 ; title(str);xlabel( 电平值 (dBmw) );ylabel( 样本数目 ( 个 ) );legend( 实际样本分布 );h = get(gca, Children ); %设置颜色 set(h, FaceColor ,.8 .8 1)min1=min(tb1etow) %最小值max1=max(tb1etow) %最大值mean1=mean(tb1etow) %均值s
20、td1=std(tb1etow) %标准差subplot(1,2,2)%在相同均值标准差下，画正态分布图x=-15:1:-5.4;y=normpdf(x,mean1,std1); plot(x,y, r )axis(-15,-5,0,0.5);n,m=hist(tb1etow);plot(m,n/46)%在同一坐标系下，画出统计概率图legend( (i,相同的正态分布grid ontext(-33,0.11, 最大值 = text(-33,0.09, 最小值 = text(-33,0.07, 平均值 = text(-33,0.05, 标准差 = ,num2str(max1);%在图中标明最值
21、,num2str(min1);,num2str(mean1,%.2fn);,num2str(std1,%.2fn);str= 路线 1 ; 信号电平概率分布曲线与正态分布比较 ;执行后生成图形如下：样本概率分布 ) %显示图例hold onFile Edit View Insert Tools Desktop Window Help最小值：mi n1 =-10 最大值：maxi =-9.1000均值：mea n1 =-9.5333 标准差：stdl =0.2436路线1的样本变化不大，均值为 -9.53，从样本概率上说，较为规律但也有少许偏差。此时主干道上行人车辆都比较少，空间也较为宽阔。B、
22、总体样本分布与高斯拟合clear all ;close all ;tb1etow=-1.*10.0 9.7 9.5 9.5 9.7 9.6 9.5 9.1 9.3 9.1 9.3 9.4 9.19.7 9.2 9.3 9.1 9.6 9.5 9.6 9.3 9.4 9.3 9.7 9.5 10.0 9.7 9.5 9.7 9.69.4 10.0 9.7 9.6 9.9 9.4 9.6 9.6 10.0 9.9 9.5 9.7 9.7 9.6 10.0 9.79.7 9.3 9.5 9.7 9.5 9.3 9.5 9.5 9.3 9.5 9.1 9.5 9.3 9.3 10.0 9.5 9.3;
23、histfit(tb1etow) %画样本数目直方图axis(-11,-8,0,20);grid onstr=路线1;信号电平概率分布直方图;title(str);xlabel(电平值(dBmw);ylabel(样本数目(个);legend(实际样本分布,理想高斯分布);生成图形如下：信号电平布直方團81-10.S -19 -9 6 9 -8 5电平值(dBmw)6 42 o8 G4 2-实际样本分布 理想嵩斯分布与上面分析相似，实际样本分布与理想高斯分布接近， 但仍有一定误差。但也基本说明在空间宽阔区域场强比较均匀，基本出现较大衰减。2、路线2A、matlab 程序clear all ;cl
24、ose all ;tb1etow=-1.*10.6 10.5 10.6 10.2 10.9 11.6 11.3 11.2 10.6 10.6 10.910.6 11.2 10.9 10.6 11.6 12.9 12.6 12.9 12.9 12.2 11.3 10.6 10.2 10.69.6 10.3 9.9 10.3 10.6 10.7 10.0 10.6 10.3 10.0 10.9 13.6 11.0 10.310.6 10.7 10.0 10.0 10.7 9.7 9.7 10.0 10.3 10.0 9.7 10.3 19.0 21.029.2 30.6 10.3 10.0;fig
25、ure(11);subplot(1,2,1);hist(tb1etow) %画样本数目直方图axis(-31,-9,0,50);grid onstr=路线2;信号电平概率分布直方图;title(str);xlabel(电平值(dBmw);ylabel(样本数目(个);legend(实际样本分布);h = get(gca, Children ); %设置颜色set(h, FaceColor ,.8 .8 1)min 1=mi n(tb1etow) %最小值max仁max(tbletow)%最大值mean 1=mea n(tbletow)%均值std仁std(tbletow)%标准差subplot
26、(1,2,2)x=-31:1:-7.4;y=no rmpdf(x,mea n1,std1);%在相同均值标准差下，画正态分布图plot(x,y, r)axis(-35,-5,0,1);hold onn ,m=hist(tb1etow);%在同一坐标系下，画出统计概率图plot(m, n/46)legend( (i,相同的正态分布,样本概率分布)%显示图例grid ontext(-33,0.11, 取大值-,nu m2str(max1); %在图中标明最值text(-33,0.09, 最小值=,nu m2str(mi n1);text(-33,0.07, 平均值=,nu m2str(mea n1
27、, %.2fn );text(-33,0.05, 标准差=,nu m2str(std1, %.2fn );str=路线 2 ; 信号号电平概率分布曲线与正态分布比较 ;I I 11 相同的正态井布00.90 Z0.60.50 40.3C.20.10准；-35 30 2520 15 10三二二倍E冃平鮭率芬布亩户医邑平值！TRtm实验运行结果图如下所示:由上图可发现，由于室内环境复杂， 影响因素多，而空间又狭小，所以影响因素对样本的影 响较大，样本分布不均匀。而其分布概率趋向于符合正态分布。以从图中看出小尺度衰落，这主要是电磁波在传播路径上受到环境影响产生反射、绕射和散射引起的多径衰落引起的。B
28、、总体样本分布与高斯拟合clear all ;close all ;tb1etow=-1.*10.6 10.5 10.6 10.2 10.9 11.6 11.3 11.2 10.6 10.6 10.910.6 11.2 10.9 10.6 11.6 12.9 12.6 12.9 12.9 12.2 11.3 10.6 10.2 10.69.6 10.3 9.9 10.3 10.6 10.7 10.0 10.6 10.3 10.0 10.9 13.6 11.0 10.310.6 10.7 10.0 10.0 10.7 9.7 9.7 10.0 10.3 10.0 9.7 10.3 19.0 21.029.2 30.6 10.3 10.0;histfit(tb1etow) %画样本数目直方图axis(-31,-9,0,50);grid onstr=路线2;信号电平概率分布直方图;title(str);xlabel(电平值(dBmw);ylabel(样本数目(个);legend(实际样本分布,理想高斯分布);生成图形如下：信号电平瘀爵布直方團6-2样本分布趋向于正态分布， 但由于室内影响因素太多， 影响效果-22 -20 -18 -1S -14 -12 -10电平值fdBmw)0-5 03 2
