北邮场强仪实验报告

北邮场强仪实验报告Prepared on 21 November 2021

电磁场与电磁波实验报告

班级：19

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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(d )10n lg(d / d ) (5-1)

即平均接收功率为：

P (d )dBm PdBm PL(d )10n log(d / d ) P (d )dBm10n log(d / d ) （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；d 0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 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= 处理，这时的路径损耗计算公式为：

Lp 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：

Lp 88 40Lgd 20Lght 20Lghr 20Lgf G （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= 代入 EgLi 模型，则有：

Lp 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= 时，按 Hata-Okumura 模型计算路径损耗的公式为：

市区： Lp1 Lgd （5-9）

开阔地： Lp2 Lp1 Lgf（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：

P r (d )[dBm] P r (d )[dBm] X P r (d o )[dBm] 10n log( d / d o ) 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， P是在室内所测每一点的功率，单位 dB m ，共 M 个点， P i是在室外所测的每一点的功率单位是 dB m ，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，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。

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楼梯

楼梯

楼梯

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('','south');south1=reshape(south,1,78);subplot(1,2,1);h istfit(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,,['最小值=',num2str,'dBmW']);

text(60,,['最大值=',num2str,'dBmW']);

text(60,,['均值=',num2str,'dBmW']);

text(60,,['中值=',num2str,'dBmW']);

text(57,,['

标准差=',num2str]);

title('累积概率分布');

信号强度随位置的变化

south=xlsread('','south');south1=reshape(south,1,78);south2=[south1,z eros(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，标准差为，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，最小值为-70dBm，均值为，标准差为。相对北侧，西侧电平值较小，可见高大建筑会对信号强度产生影响。

3．教二楼南侧

教二楼南侧地形也较为空旷，但是有一些高大松树可能会产生影响。由图可知，电平分布相对比较集中，绝大部分在-50—-60dBm之间，相对平稳。最小值为-66dBm，最大值为-48dBm，均值为，标准差为。

4.教二楼东侧

教二楼东侧为小灰楼，两楼中间的道路近似为胡同。由图可知，由于近处建筑影响，电平分布与正态分布有一些差别，低电平相对其他三侧较多。最大值为-53dBm，最小值为-68dBm，均值为，标准差为.

室内：

教二楼一层（东楼梯到中楼梯）：

东楼梯处为工字型结构两侧凸出部分，中间为楼道，环境变化不大。由图可知，电平值基本服从正态分布，最大值为-61dBm，最小值为-79dBm，均值，标准差为。显而易见，室内信号强度明显低于室外的信号强度。虽然由于客观原因一层只能测量东半部分信号强度，但是由于除了东侧和西侧环境有差别外其他差别不大，因此对于分布规律的影响可以忽略。

2.教二楼二层

教二楼二层东侧、西侧以及中间为楼梯，中间为楼道。由图可知，电平分布与正态分布拟合较好，最大值为-50dBm，最小值为-79dBm，均值为，标准差为。由标准差和电平物理分布可知电平变化较大，原因为有一些门窗会对信号强度产生影响，致使部分地点电平增大。

3.教二楼三层

同样，教三楼由于东侧不开放，所以只能测得西半部分的数据。电平值各个阶段差别不大，与正态分布有差别。最大值为-46dBm，最小值为-68dBm，均值为，标准差为。与二楼类似，电平分布变化较大。

4.教二四层

由图可知，电平分布类似于正太分布，但是出现了双峰，分析原因为门窗和墙壁交替出现，导致两个数据较多。最大值为-41dBm，最小值为-67dBm，均值为，标准差为。同样，电平变化较大，中间楼梯处出现密集强电平，说明环境变化大，影响明显。

5.教二五层

教二五楼长度较短，两侧为天台，中间为楼梯，我们只测量了室内部分。由图可知，电平满足正态分布。从电平从东向西分布可看出电平变化也较为明显，但是由于数据较少，导致标准差较小。

穿透损耗：

室外电磁波强度均值：=

室内一层电磁波强度均值：

穿透损耗为：

（）-（）=

八、实验结论

电磁波穿过墙壁会有一定损耗，教二楼的穿透损耗为。同时，教二楼室内一楼电平均值为，二楼电平均值为，三楼电平均值为，四楼电平均值为，五楼电平均值为，由以上数据可知，随着楼层升高，电磁波强度增强。

另外一组同学陈德肯和苏卫泉测量高频687MHz，教二楼穿透损耗。由此可见，频率低的电磁波穿透损耗小。

电磁波波长λ=C/f C是光速λ是波长 f是电磁波频率所以：频率越低，波长越长，绕射能力越强；频率越高，波长越短，绕射能力越差。电磁波能量E=hv，E是能量，h是普朗克常数，v是频率。所以频率越高电磁波的能量就越强，穿透能力越强，与物质发生作用的机会就越多，穿透的时候损耗就越大频率越低电磁波的能量就越弱，穿透能力越弱，与物质发生作用的机会就越少，穿透的时候损耗就越小。

九、实验分工

吴禹博：实地测量、MATLAB处理

孙进考：实地测量、数据录入、结果分析、实验报告

十、实验心得

本次实验是第一次进行实地测量实验，与平时在实验室对照实验教程不同，我们要自己进行实验对象的确定，规划实验方式。我们在进行实验之前认真选择了实验对象，确定了我们的实验课题，思考了我们需要测量的数据以及初步的数据处理方法，查阅了阴影衰落和穿透损耗的相关资料。可以说我们实验前的准备工作比较充足。

做实验测量时发现其实并不是走几步记录一个数据这么简单，我们需要按照事先规定的测量路线，并且在测量过程中还要详细记录周围的环境情况，找到各个测量点之间的共性，周围的建筑以及天气情况都可能会对实验结果造成影响，详细的环境描述对后期数据的处理分析大有裨益。本次实验我进行了数据的记录、录入和数据分析工作，所以对这一点的体会更加深刻。

通过这次试验我对电磁波的穿透损耗有了更加专业的理解，更加深刻的领略了电磁波的魅力，巩固了课本知识。

本次试验的数据量样本比较大，所以极大考验了我们的耐心与毅力。从本次实验我们可以看出，实验前周全的准备、科学严谨的态度、细致入微的分析、合理处理组员之间的分工合作都是实验成功完成的关键。这次的实验不仅对现有课程的学习大有帮助，对今后的研究和学习也打下了良好的基础。

十一、参考文献

[1]徐林娟王琦.《电磁场与电磁波实验指导书》.北京邮电大学信息与通信工程学院实验中心.

[2]魏巍主编.《MATLAB 应用数学工具箱技术手册》.国防工业出版社.

附录1为原始数据

附录1