北邮2016电磁场与电磁波实验报告

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目录一、实验目的 (2)二、实验内容 (2)三、实验原理 (5)四、实验步骤 (5)1、实验对象选取 (5)2、数据采集 (5)五、实验数据 (2)1、原始数据录入 (7)2、数据处理流程 (7)六、实验结果与分析 (8)1、主楼周边电磁场信号强度分析82、主楼室内不同楼层楼道信号强度分析11七、问题分析与解决 (15)1、Matlab 仿真问题研究与解决 (23)2、场强分布的研究 (23)3、模型拟合........................................................ . (24)八、分工安排及心得体会 (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；2.通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系；3.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。

4.掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确测试方法。

二．实验内容利用DS1131场强仪和拉杆天线，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】阴影衰落是电磁波在空间传播时受到地形起伏、高达建筑物群的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减。

阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，又称为慢衰落，其特点是衰落与无线电传播地形和地物的分布、高度有关。

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。

阴影衰落一般表示为电波传播距离r 的m 次幂与阴影损耗的正态对数分量的乘积。

移动用户和基站之间的距离为r 时，传播路径损耗和阴影衰落可以表示为：00()[]()[]()[]10log(/)r r r P d dBm P d dBm X P d dBm n d d X σσ=+=-+ 其中，X σ为0均值的高斯分布随机变量，单位为dB ，标准偏差为σ，单位也dB 。

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：22()()2x m f x σ-- 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dB 表示的接收功率的均值或中值，σ表示接收功率的标准差，单位为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 。

【大尺度路径衰落】大尺度衰落是由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的，衰落特性一般服从d律，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征。

利用不同测试环境下的移动通信信道的衰落中值计算公式，可以计算移动通信系统的业务覆盖区域。

实际上，大尺度衰落)(t ς不仅与时间有关，还与距离和载波频率有关。

为了表达方便，上式中省略了距离因子d 和载频c f 。

基于理论和测试的传播模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收信号功距离的对数而衰减。

n d d d t )(),(0∝ς (2.2)或 )log(10])[,(])[,(00d d n dB d t dB d t +=ςς(2.3)式中，n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；0d 是近地参考距离，由测试决定；d 为发射机和接收机距离。

在自由空间传播时，n 为2，当有障碍物时，n 变大。

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：()[]()()010log /0PL d dB PL d n d d =+即平均接收功率为：0000()[][]()10log(/)()[]10log(/)r t r P d dBm P dBm PL d n d d P d dBm n d d =--=- 其中，n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；0d 为近地参考距离；d 为发射机与接收机()T R -之间的距离。

测试表明，对于任意d ，特定位置的路径损耗),(d t ς又服从随机正态分布，对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同距离时，不同的随机阴影效应。

这种现象叫对数正态阴影。

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】1. 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：()()1111N M outside inside i j i j P P P N M==∆=-∑∑ P ∆是穿透损耗，单位dB ，j P 是在室内所测的每一点的功率，单位dB v μ，共M 个点，i P 是在室外所测的每一点的功率，单位dB v μ，共N 个点。

电磁波透射墙体示意图2.影响因素无线信号对透射能力是频率及高度的函数，天线对信号透射也有非常重要的影响。

以室外发射机的天线高度远小于建筑物本身高度考虑，在测试中显示，随着频率的增加透射损耗（净穿透损耗）减小。

例如下表数据：（卢东如2014.楼宇信号强度及穿透损耗研究） 地点（状态） 频率（MHz ） 透射损耗（dB ）建筑物底层（第一组44116.4透射损耗即净穿透损耗是指不考虑绕射等因素综合影响，墙体和玻璃等物体的穿透损耗，在绕射和反射等几乎没有或不明显的环境下测量得到的，近似穿透损耗。

3.不同建筑材料各类墙体净穿透损耗：（卢东如 2014.楼宇信号强度及穿透损耗研究）钢筋混凝土类建筑贯穿损耗中值：数据自（通信人家园论坛|中国第一通信社区）由于我国的城市环境与国外有很大的不同，贯穿中值一般比国外同类名称高8-10dB。

四．实验步骤1. 实验对象选取这次实验数据采集地点我们选择了主楼（图），主要测量三个部分的信号强度：1.靠近主楼测量其周边一圈信号强度，由西北角开始顺时针绕主楼测量（图）。

测量时分为东南西北四个方向，其中东西侧较长，南北侧较短，近似为一个矩形；2.测量1,2,4,6,10,13楼室内信号强度，由西北角开始顺时针绕室内走廊测量，记录特殊结构造成的信号强度波动。

由于主楼每层建筑结构大致相同，变量单一便于对比不同楼层高度对信号强度的影响；3.测量电梯内部信号强度，电梯从上而下运行过程中记录测量数据。

北邮主楼卫星图北邮主楼3D指示图同时，经过查证，电视信号发射塔位于测量地点的西南方向约6.5公里处（图）。

信号发射塔方位图在选频方面，频点选用的是低频190.758MHz（CH8，中央2套伴音频道频点），因为这个频点信号接收很好，且本班另一测量小组将在教二室内测量相同频点的信号强度，我们两组将进行钢筋混泥土建筑结构和砖石建筑结构的对比。

2. 数据采集本组频点选择：190.758MHz（CH8，中央2套伴音频道频点），利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位dBmW），估测频点相应半波长伟0.78米，每走1步约为0.8米（恰好为楼道地砖2格）读一次数并进行信号电平记录。

共测量的近1000组数据进行分析比较，分别是主楼外北侧、东侧、南侧、西侧以及主楼一层、二层、四层、六层、十层、十三层，电梯内部。

在测量建筑物外的信号强度时，采用自西北角起顺时针方向围绕该建筑物一周的测量方法。

在测量室内信号时，采用自西北角起顺时针方向围绕该楼层楼道一周的测量方法。

（图）。

测量当天天气情况：多云转晴、微风。

场强仪倾斜45°使用，天线仅拔出第一节。

主楼内部结构示意图五．实验数据1.原始数据录入将测量得到的数据录入Excel表格，分别以东、南、西、北以及各个楼层方向为单独的sheet，便于数据处理时进行MATLAB的数导入和获取。

记录时间、地点、电平值的同时记录测量时周围的可能影响电平值因素，便于后期数据分析(表)。

数据记录表格原始实验数据见附件2. 数据处理流程采集到的数据有近1000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：3.数据处理MATLAB关键语句本次实验数据的处理主要利用EXCEL和MATLAB两个软件完成，其中MATLAB中的关键处理语句主要分为以下几个部分：1.原始数据读入MATLABdata=xlsread('data.xlsx',10);Data=data'; %将数据转置为行向量Data=-1.*Data;L=length(Data); %数据长度功能：录入数据，行列转置后各数据取相反数并计算数据个数。

2.作信号强度散点图x=(1:1:L);plot(x,Data,'Linewidth',1.3, 'Color',[0.3,0.3,1]);meandata=mean(Data);hold on;plot(x,meandata,'r.', 'Color',[1,0.4,0.6]);功能：根据原始数据作出各信号强度的散点分布和平均值曲线。