电磁场与微波测量实验之无线信号场强研究.docx

《电磁场与微波测量》实验报告

题目：无线信号场强特性的研究

姓 名： 郭欣、杨鸿钰、赵丽梅
学 院： 电子工程学院
专 业： 电子科学与技术
班 级： 2013211207
学 号： 2013211013、2013211014、2013211015
班内序号： 25、26、27
指导老师： 赵同刚
2016年4月

电子工程学院 无线信号场强特性的研究电磁场与微波测量实验报告
目录
实验七 无线信号场强特性研究 1
1. 实验目的 1
2. 实验设备 1
3. 实验原理 1
3.1. 电波传播方式 1
3.2. 无线信道中信号衰减 2
3.2.1. 阴影衰落 2
3.2.2. 路径损耗 2
（1）自由空间模型 2
（2）布灵顿模型 3
（3）Egli模型 3
（4）HaTa-Okumura模型 3
3.2.3. 建筑物的穿透损耗 3
4. 实验内容与步骤 4
5. 实验数据及处理与误差分析 4
5.1. 实验数据 4
5.1.1. 开阔空间 4
5.1.2. 室内 5
5.1.3. 建筑物遮挡 6
5.1.4. 建筑物内外 6
5.2. 作图分析 8
5.2.1. 开阔空间 8
5.2.2. 室内 10
5.2.3. 建筑物遮挡 11
5.2.4. 建筑物内外 12
5.3. 数据分析 14
5.3.1. 开阔空间 14
5.3.2. 室内 14
5.3.3. 建筑物遮挡 14
5.3.4. 建筑物内外 15
5.4. 误差分析 15
6. 实验总结与心得 15
附录1 16
附录2 22

实验七 无线信号场强特性研究
1. 实验目的
1、通过实地测量校园内室内外的无线电信号场强值，掌握室内外电波传播的规律。
2、熟悉并掌握无线电中的传输损耗，路径损耗，穿透损耗，衰弱等概念。
3、熟练使用无线电场强仪测试空间电场的方法。
4、学会对大量数据进行统计分析，得到相关传播模型。
2. 实验设备
德国高频手持式电磁辐射测试频谱分析仪HF系列。

3. 实验原理
3.1. 电波传播方式
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，且这些物体的分布比较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其他不规则物体、树叶、街道、标志、灯柱。
3.2. 无线信道中信号衰减
无线信道中的信号衰减分为衰弱，路径损耗，建筑物穿透损耗。此外还有多径传播的影响。
1.
2.
3.
3.1.
3.2.
3.2.1. 阴影衰落
移动环境下电波的衰落包括快衰落和慢衰落（又叫阴影衰落），快衰落的典型分布为Rayleigh分布和Rician分布；阴影衰落的典型分布为正态分布，即高斯分布。快衰落和慢衰落两者构成移动通信系统中接受信号不稳定因素。
3.2.2. 路径损耗
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（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（dB）。距离是决定路径损耗大小的首要因素；除此之外，还与接收点的电波传播条件密切相关。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，对任意的传输距离，大尺度平局路径损耗表示为：
PLddB=PLd0+10nlogd∕d0
即平均接收功率为：
PrddBm=PrdBm-PLd0-10nlogd∕d0
=Prd0dBm-10nlogd∕d0
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为发射机与接收机之间的距离。
人们根据不同地形地貌条件，总结出各种电波传输模型：自由空间模型，布灵顿模型，Egli模型，HaTa-Okumura模型。
（1）自由空间模型
我们说的自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收平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公式是：
Lp=32.4+20Lgd+20Lgf
其中𝑑是以公里为单位的移动台和基站之间的距离，𝑓是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。
（2）布灵顿模型
布灵顿模型假设发射天线和移动平台之间的地面是理想平面大地，并且两者之间的距离𝑑（单位：m）远大于发射天线的高度ht（单位：Km）或移动台高度hr（单位：Km），此时的路径消耗（单位：dB）计算公式为：
Lp=120+40Lgd-20Lght-20Lghr
（3）Egli模型
EgLi模型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，其计算公式为:
Lp=88+40Lgd-20Lght-20Lghr+20Lgf-G
其中G为地形修正因子（单位：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∆h有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大，当∆h用米来测量的时候，可按照下式近似的估计地形的影响：
G=0 ∆h<15m 2.431-∆h15 ∆h>15m 150MHz频段 3.051-∆h15 ∆h>15m 280MHz频段
（4）HaTa-Okumura模型
HaTa-Okumura模型也是依据实测数据建立的模型，当移动台高度为典型值hr = 1.5m时，按照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
开阔地：Lp2=Lp1−4.78 (𝐿𝑔𝑓) 2+18.33𝐿𝑔𝑓−40.94
一般情况下，开阔地的路径损耗都比市区小。
3.2.3. 建筑物的穿透损耗
定义：建筑物外测量的信号的中值电场强度和同一位置室内测量的信号中值电场强度之差(dB)。建筑物穿透损耗的大小同建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。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：
ΔP =1Ni=1NPioutside-1Mj=1MPjinside
∆P为穿透损耗(单位：dB)，𝑃𝑗是在室内所测的每一点的功率（单位：dBμv），共M个点。𝑃𝑖是在室外所测的每一点的功率（单位：dBμv），共N个点。
4. 实验内容与步骤
1、根据不同的地形地貌条件，归纳总结各种环境条件下可能采用的各种点播传播模型；在数据测试之前，先用理论模型在理论上对待测区进行分析。
2、观测波段的确定；实验地点的确定。
3、数据的测量:第一组数据在空间开放区域，地点自行选择，每半个波长为单位记录数据。
4、第二组数据选在室内，例如，楼道或房间，仍以半个波长为单位记录数据。
5、第三组数据在建筑物的遮挡下，观察“阴影衰弱”；总结衰弱服从的分布规律。
6、第四组数据由室内及室外测量两部分组成，以反映建筑物外和建筑物内之间的场强差异。对建筑物穿透损耗的测量结果进行分析，用室外平均信号场强减去同一位置室内的所测信号的额平均场强，得到的建筑物穿透损耗。
7、数据处理：数据录用可以用Excel表格等工具，表格设计要清晰，数据点的分布和处理利用MATLAB等工具，得到不同区域下信号电平分布情况；得到累计概率分布曲线；得到理论值和实际值之间的标准差，进行误差分析。
8、根据不同区域的测试结果，进行比较分析，分析不同环境下造成这些结果的原因。
9、模型分析：根据自己所测试的数据，分析不同地带的测试结果，所适用的理论模型。

5. 实验数据及处理与误差分析
5.1. 实验数据
4.
5.
5.1.
5.1.1. 开阔空间
测量地点：时光广场。选取频率1000MHz，半波长15cm。实验原始数据记录如表5-1所示。（数据顺序为从上至下，从左至右）
f = 1000MHz λ = 30cm 距离间隔 = 15cm
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
59
61
59
55
61
65
59
57
53
62
70
58
60
55
60
63
57
63
55
58
60
57
64
56
58
69
60
57
56
58
72
58
61
57
62
71
53
59
56
64
64
53
58
59
62
61
55
57
55
58
62
56
56
55
54
60
57
55
57
55
表 51 开阔空间实验数据记录表
5.1.2. 室内
测量地点：图书馆。选取频率1000MHz，半波长15cm。实验原始数据记录如表5-2所示。（数据顺序为从上至下，从左至右）
f = 1000MHz λ = 30cm 距离间隔 = 15cm
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
82
79
81
80
83
81
78
79
81
81
78
80
79
81
80
80
78
79
80
80
79
79
80
79
79
82
79
80
81
81
79
80
78
79
79
79
79
81
82
81
79
79
78
81

78
76
80
79

72
78
80
80

79
81
78
81

72
78
82
80

表 52 室内实验数据记录表
5.1.3. 建筑物遮挡
测量地点：学十三东侧小道。选取频率1000MHz，半波长15cm。实验原始数据记录如表5-3所示。（数据顺序为从上至下，从左至右）
f = 1000MHz λ = 30cm 距离间隔 = 15cm
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
70
73
70
72
73
72
74
70
72
73
72
73
71
71
74
72
73
71
71
72
73
73
72
73
72
72
71
73
72
72
72
69
72
70
73
73
70
72
72
73
73
72
72
72
71
72
70
71
71
73
71
73
72
72
73
74
73
72
72
74
表 53 建筑物遮挡实验数据记录表
5.1.4. 建筑物内外
测量地点：学十一。选取频率1000MHz，半波长15cm。实验原始数据记录如表5-4、表5-5所示。（数据顺序为从上至下，从左至右）
f = 1000MHz λ = 30cm 距离间隔 = 15cm
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
60
63
58
56
58
62
60
59
60
57
60
61
59
59
55
60
63
57
62
58
61
62
57
58
58
60
62
59
58
60
59
61
58
60
60
61
61
58
61
63
59
62
59
62
61
60
63
57
60
62
62
62
59
61
60
63
62
56
61
61
表 54 建筑物内实验数据记录表
f = 1000MHz λ = 30cm 距离间隔 = 15cm
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
信号强度(dBm)
66
67
66
62
68
72
66
63
60
69
78
65
67
62
67
70
64
70
62
65
67
64
71
63
65
76
67
64
63
65
79
65
68
64
69
78
60
66
63
71
71
60
65
66
69
68
62
64
62
65
69
63
63
62
71
68
65
62
63
62
表 55 建筑物外实验数据记录表
5.2. 作图分析
使用MATLAB R2014b软件处理数据，流程如下图所示。

源代码见附录。
5.1.
5.2.
5.2.1. 开阔空间
开阔空间的信号电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图5-1、图5-2所示。

图 5-1

图 5-2
5.2.2. 室内
室内的信号电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图5-3、图5-4所示。

图 5-3

图 5-4

5.2.3. 建筑物遮挡
建筑物遮挡即“阴影衰落”的信号电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图5-5、图5-6所示。

图 5-5

图 5-6
5.2.4. 建筑物内外
建筑物学十一内部的信号电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值、标准差如图5-7、图5-8所示。学十一外部信号的电平概率分布、累计概率分布、信号电平分布，以及最大值、最小值、均值、中值和标准差如图5-9、图5-10所示。

图 5-7

图 5-8

图 5-9

图 5-10
5.3. 数据分析
根据以上数据处理可得结果如表5-6所示。
区域
最小值(dBm)
最大值(dBm)
均值(dBm)
标准差
开阔空间
53
72
59.1167
4.2748
室内
72
83
79.45
1.9171
建筑物遮挡
69
74
72.0167
1.1273
建筑物内部
55
63
59.9333
1.9647
建筑物外部
60
79
66.2833
4.3261
表5-6 信号强度处理结果
5.3.
5.3.1. 开阔空间
理论分析认为，开阔空间区域，由于周围环境较为开阔，影响信号强度的因素较少，故电平分布应相对均匀，表现在处理后的数据上是标准差较小。但根据图5-1可知，对所测数据处理得到的标准差为4.2748，较大，即开阔空间（时光广场）处电平分布并不均匀，与理论分析有所出入。认真思考后，小组成员认为这是由于所选取的测量地点，时光广场，并不是特别开阔，其周围的树木、房屋、时钟以及高低的地形，对数据的测量均有影响。
5.3.2. 室内
进行室内测量时，我们选择了图书馆一楼大厅由北向南每半波长进行测量。由于图书馆一楼大厅两端是两个门，理论上分析，两端信号强度应相对较大一些。由图5-4可知，两端信号强度确实相对较大，符合理论分析。
同时，虽然两端有门，但是一个较小的门，且实验过程中一直在大厅中进行，并未过于接近门口或走到门外，而且在图书馆一楼大厅并没有特殊的干扰信号的设备。所以总体来讲，此处的测量数据变化应相对较小，反应到数据标准差上是标准差较小。根据图5-3可知，标准差为1.9171，较小。符合理论分析。
5.3.3. 建筑物遮挡
理论知识告诉我们，阴影衰落的典型分布为正态分布，及高斯分布。根据图5-5可知，所测数据分布接近正态分布，符合阴影衰落的特点。
此组数据选择的测量地点是学十三东侧。由图5-5及图5-6发现，电平分布均匀，信号强度较大。考虑到学十三一栋宿舍楼，建筑外观整齐，所以电平分布均匀，宿舍区是学生生活重要的活动地点之一，故信号强度较大。
5.3.4. 建筑物内外
对比图5-8和图5-10可以发现，建筑物外信号强度明显强于建筑物内信号强度。从理论上分析，建筑物具有穿透损耗，其大小与建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。正是由于建筑物穿透损耗的存在，导致了建筑物内信号强度明显弱于建筑物外信号强度的现象。
由图5-7和图5-9以及表5-6，将学十一外测量信号平均场强减去学十一一层室内测量的信号平均场强，得到学十一一层的穿透损耗为：
ΔP =1Ni=1NPioutside-1Mj=1MPjinside
=66.2833-59.9333 dBm
=6.35 dBm
5.4. 误差分析
根据之前的实验，我们知道电磁波易受环境的影响。在进行此次实验测量时，虽然在选择地点时尽可能做到排除其他环境干扰，但仍无法做到完全的单一性变量条件。地理条件、天气以及被测地点周围人员车辆的来往均对测量数据产生一定的影响。同时，小组成员自身在读数以及半波长的把握上也存在一定的误差。
6. 实验总结与心得
此次实验是室外自主测量实验，使用了德国高频手持式电磁辐射测试频谱分析仪，共测量了四组数据，地点分别选择：时光广场、图书馆、学十三东侧小道和学十一进出口，分别代表空间开放区域、室内区域、建筑物遮挡区域和室内外对比区域。每组数据包括约60个样本点，反应了不同区域无线信号场强的分布情况。
实验初期，由于对仪器的使用不了解不熟悉，第一次测量并未成功进行。在仔细研究了仪器的设置使用方法后，小组成员成功组织了第二次测量行动。在对仪器的学习以及实地测量过程中，我们发现了以下问题并找到了相应的解决方法:
1、 手持分析仪的设置方法与说明手册并非完全一致。打开手持分析仪后，按下按键“7”，而非按键“5”，进入“GSM900”设置模式，再点击主菜单设置中心频率。
2、 中心频率的设定。由于该手持分析仪是高频手持仪，故在设置中心频率时，为减小环境的影响，使测量结果更为准确，经过小组成员的商讨，将中心频率设置为1GHz，即1000MHz，对应的半波长为15cm。
3、 实际测量。在实际测量时，每半波长测量一个数据。由于选取的中心频率所对应半波长较小，不易准确把握，故在测量过程中经常使用尺子进行校准。
实验后期对数据进行处理时，通过MATLAB软件，得到一些直观简洁的图，
方便了对数据的分析处理。同时锻炼了使用MATLAB工具的能力。
此次实验使我们对无线信号场强特性有了一定的认识和了解，初步掌握了手持仪的使用方法，锻炼了动手能力，了解了传输损耗、路径损耗、穿透损耗、衰落等概念。实验过程中，小组成员间相互配合，分工合作，锻炼了团体协作能力。同时，提高了实验方案的设计和分析问题的能力。
实验也存在一定的不足之处。1、在进行建筑物内外对比时，仅对建筑物外围一侧进行了测量，未将四周数据均考虑在内。这是此次实验可以改进之处。2、开阔空间的选取不太恰当，选择操场或会得到更为准确、符合理论的数据。
附录1
clear all;
close all;
%-------------读取文件---------------%
a = xlsread('E:\大三下\电磁场与电磁波测量实验\室外测量\0410.xlsx','Sheet1');
b = xlsread('E:\大三下\电磁场与电磁波测量实验\室外测量\0410.xlsx','Sheet2');
c = xlsread('E:\大三下\电磁场与电磁波测量实验\室外测量\0410.xlsx','Sheet3');
d = xlsread('E:\大三下\电磁场与电磁波测量实验\室外测量\0410.xlsx','Sheet4');
e = xlsread('E:\大三下\电磁场与电磁波测量实验\室外测量\0410.xlsx','Sheet5');

%-------------转换成矩阵-------------%
a1=reshape(a,1,60);
b1=reshape(b,1,60);
c1=reshape(c,1,60);
d1=reshape(d,1,60);
e1=reshape(e,1,60);

%---------为画平面场强图作准备----------%
a2=[a1,zeros(1,60),[1:60]];
a3=reshape(a2,60,3);
b2=[b1,zeros(1,60),[1:60]];
b3=reshape(b2,60,3);
c2=[c1,zeros(1,60),[1:60]];
c3=reshape(c2,60,3);
d2=[d1,zeros(1,60),[1:60]];
d3=reshape(d2,60,3);
e2=[e1,zeros(1,60),[1:60]];
e3=reshape(e2,60,3);

%-------------开阔空间-----------%
figure(11)
subplot(1,2,1);
histfit(a1);%画柱状图
%axis([40,80,0,30]);
grid on;
str={'开阔空间'; '信号电平概率分布'};
title(str);
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(a1)%画累积概率分布图
%axis([40,80,0,1]);
hold on;
a1mean=num2str(s1.mean);
a1estd=num2str(s1.std);
text(43,0.23,['最小值= ',num2str(s1.min)]);
text(43,0.18,['最大值= ',num2str(s1.max)]);
text(43,0.13,['均　值= ',num2str(s1.mean)]);
text(43,0.08,['中　值= ',num2str(s1.median)]);
text(43,0.03,['标准差= ',num2str(s1.std)]);
title(' 对应累积概率分布');
figure(12)
surf(a3');%画衰落强度图
title('开阔空间 信号电平分布图');
xlabel('<--北 南-->');
ylabel('<--东 西-->');
axis([1,60,1,2]);
caxis([50 75]);
colorbar('horiz');

%-------------室内-----------%
figure(21)
subplot(1,2,1);
histfit(b1);%画柱状图
axis([70,86,0,35]);
grid on;
str={'室内'; '信号电平概率分布'};
title(str);
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(b1)%画累积概率分布图
%axis([40,80,0,1]);
hold on;
a1mean=num2str(s1.mean);
a1estd=num2str(s1.std);
text(80,0.23,['最小值= ',num2str(s1.min)]);
text(80,0.18,['最大值= ',num2str(s1.max)]);
text(80,0.13,['均　值= ',num2str(s1.mean)]);
text(80,0.08,['中　值= ',num2str(s1.median)]);
text(80,0.03,['标准差= ',num2str(s1.std)]);
title(' 对应累积概率分布');
figure(22)
surf(b3');%画衰落强度图
title('室内 信号电平分布图');
xlabel('<--北 南-->');
ylabel('<--西 东-->');
axis([1,60,1,2]);
caxis([70 85]);
colorbar('horiz');

%-------------建筑物遮挡-----------%
figure(31)
subplot(1,2,1);
histfit(c1);%画柱状图
axis([65,78,0,25]);
grid on;
str={'建筑物遮挡'; '信号电平概率分布'};
title(str);
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(c1)%画累积概率分布图
%axis([40,80,0,1]);
hold on;
a1mean=num2str(s1.mean);
a1estd=num2str(s1.std);
text(70,0.23,['最小值= ',num2str(s1.min)]);
text(70,0.18,['最大值= ',num2str(s1.max)]);
text(70,0.13,['均　值= ',num2str(s1.mean)]);
text(70,0.08,['中　值= ',num2str(s1.median)]);
text(70,0.03,['标准差= ',num2str(s1.std)]);
title(' 对应累积概率分布');
figure(32)
surf(c3');%画衰落强度图
title('建筑物遮挡 信号电平分布图');
xlabel('<--北 南-->');
ylabel('<--西 东-->');
axis([1,60,1,2]);
caxis([65 75]);
colorbar('horiz');

%-------------建筑物内外区别-----------%
figure(41)
subplot(1,2,1);
histfit(d1);%画柱状图
%axis([20,65,0,35]);
grid on;
str={'建筑物内外区别'; '信号电平概率分布'};
title(str);
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(d1)%画累积概率分布图
%axis([40,80,0,1]);
hold on;
a1mean=num2str(s1.mean);
a1estd=num2str(s1.std);
text(45,0.23,['最小值= ',num2str(s1.min)]);
text(45,0.18,['最大值= ',num2str(s1.max)]);
text(45,0.13,['均　值= ',num2str(s1.mean)]);
text(45,0.08,['中　值= ',num2str(s1.median)]);
text(45,0.03,['标准差= ',num2str(s1.std)]);
title(' 对应累积概率分布');
figure(42)
surf(d3');%画衰落强度图
title('建筑物内部 信号电平分布图');
ylabel('<--北 南-->');
xlabel('<--西 东-->');
axis([1,60,1,2]);
caxis([55 65]);
colorbar('horiz');
figure(51)
subplot(1,2,1);
histfit(e1);%画柱状图
axis([55,80,0,20]);
grid on;
str={'建筑物内外区别'; '信号电平概率分布'};
title(str);
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(e1)%画累积概率分布图
%axis([40,80,0,1]);
hold on;
a1mean=num2str(s1.mean);
a1estd=num2str(s1.std);
text(70,0.23,['最小值= ',num2str(s1.min)]);
text(70,0.18,['最大值= ',num2str(s1.max)]);
text(70,0.13,['均　值= ',num2str(s1.mean)]);
text(70,0.08,['中　值= ',num2str(s1.median)]);
text(70,0.03,['标准差= ',num2str(s1.std)]);
title(' 对应累积概率分布');
figure(52)
surf(e3');%画衰落强度图
title('建筑物外部 信号电平分布图');
ylabel('<--北 南-->');
xlabel('<--西 东-->');
axis([1,60,1,2]);
caxis([55 80]);
colorbar('horiz');
附录2

22