北邮-电磁场与电磁波实验报告-无线信号场强特性研究

电磁场与电磁波实验报告

目录

一、实验目的 (2)

二、实验原理 (2)

三、实验内容 (4)

四、实验步骤 (5)

（1）测量（数据采集） (5)

（2）数据录入 (5)

（3）数据处理 (5)

五、实验数据整理及分析 (6)

（1）阴影衰落的分布规律 (6)

a)概率分布柱状图 (6)

b)累积分布曲线 (9)

c)具体分布参数 (12)

（2）场强地理分布与拟合残差图 (13)

（3）不同频率衰落的对比 (17)

六、实验总结 (18)

（1）分工安排 (18)

（2）心得体会 (18)

实验五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。

（1） 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，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：

()[]()()

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；d0为近地参考距离；d 为发射机与接收机(T-R)之间的距离。以上两公式中横杠表示给定值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： a) 自由空间模型 b) 布灵顿模型 c) EgLi 模型

d) Hata-Okumura 模型

（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，特定位置的接收功率为随机对数正态分布即：

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，单位也是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：

2

2()()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 。

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。下表列出了阴影衰落分布的标准差，其中的()

s dB σ是阴影效应的标准差。

阴影衰落分布的标准差()

s dB σ

（3） 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：

()()

11

1

1N

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。

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；

四、实验步骤

（1）测量（数据采集）

实验地点和频率的选择

本次实验我们选择测量环体育馆和游泳馆一周的路线，分别测量了其东西南北侧的信号场强。其四周的建筑物分布各不相同，故不同测量位置遇到的建筑物

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。

此外，我们选择了493.84MHz频率，并与另一组同学在同一时间同一地点测量了不同频率的两组数据，以便在数据分析时进行对比。

数据采集过程

利用场强仪DS1131测量无线信号的强度，围绕体育馆和游泳馆一周按照西北东南的顺序顺时针测量。下图中箭头所示是我们采集数据的路线。

我们自体育馆的西侧出发，顺时针环绕一周，先后经过体育馆西侧、体育馆北侧、游泳馆北侧、游泳馆东侧、操场北侧、体育馆南侧，最后回到起点。

在绕体育馆和游泳馆一周的过程中，我们每走一步记录一个数据，将数据按照东南西北四个方向分类，每个方向测量100~200个数据。

（2）数据录入

将测量得到的数据录入Excel表格，得到一个原始数据表。分别以体育馆南侧（由东向西）、体育馆西侧（由南向北）、体育馆东侧（由北至南）、以及体育馆北侧（由西向东）为一张单独的sheet，每行录入3个数据（包括测量地点、状态、电平值），共计约600组数据。具体见excel附录。

（3）数据处理

我们利用matlab软件强大的分析功能，对大量数据进行编程处理，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，得出室外阴影衰落的分布规律，此外，作出场强空间分布图，具体流程图如下。

数据采集

数据整理和录入

Matlab读取数据

场强概率分布统计作图并与正态分布对比

场强空间分布作图及分析

实验结论分析并与低频段对比

数据处理流程图

五、实验数据整理及分析

（1）阴影衰落的分布规律

a)概率分布柱状图

体育馆南侧场强概率分布柱状图

体育馆西侧场强概率分布柱状图

体育馆东侧场强概率分布柱状图

体育馆北侧场强概率分布柱状图注：红色曲线为拟合的正态分布曲线。

实验结果分析

通过以上四幅拟合曲线，我们可以看出，在体育馆的东南西北四个方向，不同强度的场强概率分布并不均匀，但其与标准正态分布曲线在上升下降趋势具有一致性。然而，在局部也会出现偏离的情况。我们分析这可能主要有两个因素：一是我们采集数据量不够多，有可能没有控制好数据密度，错过了重要的变化点，二是测量路线上的遮挡物情况不同，也会影响其测量情况。我们发现可能杏坛路上的车辆来往，对瞬时测量值会产生较大的影响，因此体育馆东侧偏离正态分布较大。

应用函数及关键代码

主要运用了matlab中xlsread()、histfit(x)函数来做出柱状图和高斯拟合。

xlsread()：从excel表格中读出数据；

histfit(data,nbins)：用所采集的数据画直方图，并默认生成一条与之对应的正态分布曲线；

关键代码如下：

load data;

k=ceil(1.87*(length(data3)-1)^0.4);

[ni,ak]=hist(data3,k);

fi=ni/length(data3);

mfi=cumsum(fi);

h=histfit(data3,k);

set(h(1),'facecolor','b','edgecolor','w');

set(h(2),'color','r');

b)累积分布曲线

体育馆南侧场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比

体育馆西侧场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比

-74

-72

-70

-68-66-64-62-60-58

-56

-54

00.10.20.30.40.50.6

0.70.80.91信号衰减强度（dBmW ）

累积频率

south

信号衰减强度（dBmW ）

累积频率

west

体育馆东侧场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比

体育馆北侧场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比

-80

-75

-70-65-60-55

-50

信号衰减强度（dBmW ）

累积频率

east

-80

-75

-70-65

-60

-55

信号衰减强度（dBmW ）

累积频率

north

从以上四个分布曲线中可以看出，在体育馆东南西北四个方向，累积分布曲线与标准正态分布曲线相似性较高，其中西侧和北侧的的概率累积分布曲线与标准正态分布的相似度最高。我们认为这是由于西侧和北侧相对而言遮挡物和车辆、行人的影响较少。应用函数及关键代码

主要运用了matlab中xlsread()、histfit()、bar()、cdfplot()、normcdf()函数。

[h,stats] = cdfplot(x) 同时返回累计分布函数曲线的句柄及统计数据；

normcdf(x,mu,sigma)累计正态分布函数。也叫高斯积分。

其中x表示以x为分界,坐标轴左边的所有分布的累计概率；

mu表示该函数中的x的平均值；sigma表示该函数中的标准差。

关键代码如下：

A=xlsread('data.xlsx',1,'C321:C478');

[h,stats]=cdfplot(A);

hold on

ylabel('累积频率')

x=-80:0.1:-53;

f=normcdf(x,stats.mean,stats.std);

plot(x,f,'m') ;

legend('概率累积分布曲线','标准正态分布累积曲线','Location','NW');

xlabel('信号衰减强度（dBmW）')

c)具体分布参数

?从均值来看体育馆南侧信号强度最好，均值为-64.1dBmW，而西侧则最差，均值为-61.96

dBmW。原因有二：一是中央电视塔位于西三环南侧，二是体育馆西侧的教学楼会阻挡信号，故推断西侧场强信号较弱，实际测量结果也验证了这一点。

?从标准差来看是西侧最小，说明波动最小；而东侧较大，说明波动最大，我们认为主要

是由于体育馆东侧杏坛路有比较多的车辆干扰所致，而体育馆西侧道路较为宁静，周边环境也并无太大变化，故测量的数据波动最小。

?通过测量数据与标准正态分布的在图形和特征值（均值、方差）方面的对比，可以看出

场强概率分布与标准正态分布十分接近。

（2）场强地理分布与拟合残差图

体育馆西侧数据与正态分布拟合曲线

体育馆西侧拟合残差图

体育馆南侧与正态分布拟合曲线

体育馆南侧拟合残差图

体育馆东侧与正态分布拟合曲线

体育馆东侧拟合残差图

体育馆北侧与正态分布拟合曲线

体育馆北侧拟合残差图

应用函数及关键代码

主要运用了matlab中bar()函数，matlab的toolboxes里的cftool工具。

cftool用于进行曲线拟合并分析拟合结果，该实验中用residuals（残差）来查看拟合情况。

关键代码如下：

load data

cftool ;hold on;bar(data,'c');

（3）不同频率衰落的对比

本次实验我们根据老师课上的建议，参考了另一组的数据，我们两个小组在同一时间都选择了体育馆周边环境作为研究对象，其中我们组选择了高频点进行测量，而另一小组则选择了低频点进行测量。所以我们参考了低频点的测量数据，并且进行了对比分析。

我们小组选取测试频率：FM 493.84MHz

另一小组选取测试频率：FM 190.75MHz

实验数据分析：

通过两组数据的对比我们不难发现，在高频点下测量得到的信号强度衰减明显弱于在低频点的测量结果，且标准差更大，说明高频信号场强的波动更大。从衰减原理上分析，自由空间的损耗为

s (d)92.420lg(km)20lg()

L B d f GHz

=++

因此频率f越高，路径损耗越大，可以解释高频信号强度比低频信号更弱。

六、实验总结

（1）分工安排

我们全程均是两个人一起完成的实验。数据的采集过程中，赵亮负责测量刘唯毓负责记录，刘唯毓同学主要负责了matlab的编程和绘图，两人一起探讨分析了实验结果和撰写报告。

（2）心得体会

赵亮：本次实验是我第一次接触到场强仪，在老师的课上演示之后便投入了实验过程。从一开始对场强仪的不熟练，需要对着说明书举步维艰地测量，到了后来地熟悉使用，我们在实验中学习和进步。刘唯毓同学的matlab使用的比我好，所以，在后期的编程绘图中主要是他在负责，因此我看到了自己的不足，也十分感谢他的付出。通过各种曲线我们可以看到，虽然理论上场强的概率分布服从标准正态分布，但是实际测量结果却是有所偏差的。其中部分原因是由于我们所测数据依然不够多，另外则是我们发现，测试过程中所经过的小型障碍物（如车辆）都会对场强产生一定的干扰。通过实验，我们可以定量地看到数据的变化，深切地感受到遮挡物对场强的衰落作用。

刘唯毓：本次试验我们耐心细致地测量了体育馆周围的场强大小，第一次真切地以数据的方式感受到了广播信号强弱的变化。我与赵亮同学一起测量了体育馆和游泳馆四周的493.84MHz频率下的场强分布，我们一步一测的测得600余个数据。为了分析实验结果我们认真学习了matlab软件，利用这个软件进行了制图并以此为基础分析。我们深切地感受到，

由于发射塔发来的信号需要经过复杂的城市环境包括高楼大厦、树木、车辆等的阻挡反射，还有可能经过阴雨、大风等恶劣天气的衰落，因此分布曲线总是会出现偏差。在测量体育馆东侧时，我们也发现一辆汽车经过，或者经过某些特殊位置，磁场就会突然变化。总之，通过实验，我们更加地理解了电磁场理论。