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1、电磁场空间分布研究校园内电波传播模型的研究一.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，衰落等概念。3.熟练使用无线电场强仪测试空间电场强的方法。4.学会对大量数据进行分析，并得到统计分析结果的方法。二. 实验原理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
2、不规则物体树叶街道标志灯柱。2. 电磁波的损耗：电磁波在空间传播是不可避免地会受到各种因素的影响而产生损耗，这些损耗主要分为：建筑物穿透损耗，阴影损耗，路径损耗等。在本实验中，我们小组做的是学十楼周围地区的室外测量，借以研究信号的阴影损耗特点，并和其他小组实验结果对比以得出信号的建筑物穿透损耗特点。下面主要对电磁波的阴影损耗加以讨论：信号在传播的过程中受到较大建筑物或较高的地形单位的阻挡，这样信号会产生衰落，不同时间或接受方位的遮挡情况不同，接收功率也不同，由于这种原因造成的衰落叫“阴影效应”或“阴影衰落”。在阴影衰落的情况下，移动台与信号源的直达路径被建筑物所遮挡，它收到的信号是各种绕射、反
3、射、散射波的合成。所以，在离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。由于影响阴影衰落的因素众多，且这些因素相互独立，并不应存在一个后少数几个影响明显大于其他因素的影响因素，所以经阴影衰落以后的信号功率（以DB值度量）应该符合GAUSSIAN分布，也即正态分布。3实验地点：影响信号的阴影衰落的因素很多，但最主要的是测试地点周围的地形情况，和所测量信号的所在波段。我们选择的实验地点是教三楼内部15楼自动扶梯北面的空间。观测波段是487.25MHz的电视视频信号。三 实验内容1实验数据每层均在同一位置以半波长30cm（约为正常行走的一步大小）为前后间隔，50cm为左
4、右间隔，来回重复测量5次，每次数据约为20个，每层数据约为100个。2004-04-17第12页 共1页实验人：林凯雄、陈曦、程飞 第一层：数据单位（dbmw）71.184.276.971.677.582.27167.873.269.183.571.265.466.467.185.183.776.372.274.372.778.870.569.571.766.273.268.976.275.971.968.173.164.77282.87065.46572.778.373.669.768.468.671.368.769.165.665.770.16766.662.968.766.575.973
5、.764.574.882.476.868.16780.275.275.274.773.277.975.974.576.567.270.276.374.181.169.26969.278.482.676.275.2687573.979.171.275.27877.576.169.774.272.679.476.976.678.976.279.173.469.87770.583.271.475.1第二层：数据单位（dbmw）74.180.472.477.181.579.779.275.970.877.879.883.670.174.371.469.670.676.369.371.574.879.2
6、75.97573.571.466.376.475.371.370.371.781.580.568.473.475.678.771.674.472.577.277.768.874.371.167.879.173.575.675.58078.879.171.672.17178.37075.177.269.775.272.27171.775.46867.168.670.270.971.370.767.677.270.574.676.673.879.984.370.575.764.767.270.4736673.377.473.368.269.668.769.670.367.265.269.370.4
7、68.869.466.675.174.162.373.270.869.3第三层：数据单位（dbmw）67.177.567.373.56463.965.572.883.362.963.466.662.766.259.966.766.559.971.975.161.164.571.164.273.864.573.269.371.564.672.36571.266.566.171.87372.566.478.162.766.671.262.870.163.466.46466.176.666.26472.767.767.566.364.171.664.77060.470.768.667.765.564
8、.265.762.770.474.867.567.463.968.376.966.264.662.56365.465.763.163.668.174.862.780.771.162.576.966.66758.861.765.472.771.261.958.758.479.772.556.962.179.170.761.463.85861.7第四层：数据单位（dbmw）6375.569.662.465.367.371.267.160.962.873.264.367.566.562.668.964.457.763.169.762.675.263.660.572.662.566.371.464.5
9、60.864.464.566.265.462.661.879.767.762.66860.869.673.664.167.978.573.163.460.968.762.772.561.558.16061.364.577.962.668.171.577.263.460.579.66965.973.661.658.464.667.764.955.760.374.460.762.557.660.169.560.961.960.666.96563.159.955.467.764.662.555.358.757.962.263.556.554.964.159.96466.964.761.364.251
10、65.963.469.4第五层：数据单位（dbmw）69.668.962.467.365.663.765.677.371.471.171.863.368.474.672.972.667.763.469.372.457.463.664.565.463.365.862.271.75965.967.27066.766.864.461.861.261.677.172.967.971.262.467.670.267.565.762.765.758.566.965.970.468.766.763.770.957.361.962.160.36160.963.461.661.760.470.761.967.3
11、62.859.86156.660.454.562.763.460.760.169.958.8762.657.462.461.763.158.460.55862.25659.356.365.270.153.562.650.560.362.648.567.753.965.659.253.458.162.559.42数据处理：clear all;close all;%-从文件读入数据-a1=xlsread(data.xls,Sheet1);a2=xlsread(data.xls,Sheet2);a3=xlsread(data.xls,Sheet3);a4=xlsread(data.xls,Sheet
12、4);a5=xlsread(data.xls,Sheet5);b1=reshape(a1,1,110);b2=reshape(a2,1,110);b3=reshape(a3,1,110);b4=reshape(a4,1,110);b5=reshape(a5,1,110);%-对数据进行插值-c1=interp2(a1,2,cubic);c2=interp2(a2,2,cubic);c3=interp2(a3,2,cubic);c4=interp2(a4,2,cubic);c5=interp2(a5,2,cubic);ct=a1,NaN*ones(5,2),a2,NaN*ones(5,2),a3
13、,NaN*ones(5,2),a4,NaN*ones(5,2),a5;ct2=c1,NaN*ones(17,2),c2,NaN*ones(17,2),c3,NaN*ones(17,2),c4,NaN*ones(17,2),c5;%-数据分析并作图-%-1 层-figure(11)subplot(1,2,1);histfit(b1);axis(55,90,0,25);grid on;title(教三北门大厅电视信号电平概率分布);xlabel(电平值(dB);ylabel(样本数量(个);legend(理想概率分布曲线,实际样本分布);subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot
14、(b1)hold on;text(76,0.23,最小值= ,num2str(s1.min);text(76,0.18,最大值= ,num2str(s1.max);text(76,0.13,均 值= ,num2str(s1.mean);text(76,0.08,中值= ,num2str(s1.median);text(76,0.03,标准差= ,num2str(s1.std);title(对应累积概率分布);figure(12)surf(c1);title(一层信号电平空间分布(经过二重三次方插值);xlabel();ylabel();view(-30,60);figure(13)subplo
15、t(2,1,1);surf(c1);title(信号电平分布图);xlabel();ylabel();view(0,90);colorbar(horiz);subplot(2,1,2);c,h=contour(c1);clabel(c,h);title(信号电平等高线分布)xlabel();ylabel();colormap hot;%-2 层-figure(21)subplot(1,2,1);histfit(b2);axis(55,90,0,25);grid on;title(教三北门二层大厅电视信号电平概率分布);xlabel(电平值(dB);ylabel(样本数量(个);legend(理
16、想概率分布曲线,实际样本分布);subplot(1,2,2);h2,s2 = cdfplot(b2)hold on;text(76,0.23,最小值= ,num2str(s2.min);text(76,0.18,最大值= ,num2str(s2.max);text(76,0.13,均 值= ,num2str(s2.mean);text(76,0.08,中值= ,num2str(s2.median);text(76,0.03,标准差= ,num2str(s2.std);title(对应累积概率分布);figure(22)surf(c2);title(二层信号电平空间分布(经过二重三次方插值);x
17、label();ylabel();view(-30,60);figure(23)subplot(2,1,1);surf(c2);title(二层信号电平分布图);xlabel();ylabel();view(0,90);colorbar(horiz);subplot(2,1,2);c,h=contour(c2);clabel(c,h);title(二层信号电平等高线分布)xlabel();ylabel();colormap hot;%-3 层-figure(31)subplot(1,2,1);histfit(b3);axis(50,85,0,25);grid on;title(教三北门三层大厅
18、电视信号电平概率分布);xlabel(电平值(dB);ylabel(样本数量(个);legend(理想概率分布曲线,实际样本分布);subplot(1,2,2);h3,s3 = cdfplot(b3)hold on;text(76,0.23,最小值= ,num2str(s3.min);text(76,0.18,最大值= ,num2str(s3.max);text(76,0.13,均 值= ,num2str(s3.mean);text(76,0.08,中值= ,num2str(s3.median);text(76,0.03,标准差= ,num2str(s3.std);title(对应累积概率分布
19、);figure(32)surf(c3);title(三层信号电平空间分布(经过二重三次方插值);xlabel();ylabel();view(-30,60);figure(33)subplot(2,1,1);surf(c3);title(三层信号电平分布图);xlabel();ylabel();view(0,90);colorbar(horiz);subplot(2,1,2);c,h=contour(c3);clabel(c,h);title(三层信号电平等高线分布)xlabel();ylabel();colormap hot;%-4 层-figure(41)subplot(1,2,1);h
20、istfit(b4);axis(45,85,0,30);grid on;title(教三北门四层大厅电视信号电平概率分布);xlabel(电平值(dB);ylabel(样本数量(个);legend(理想概率分布曲线,实际样本分布);subplot(1,2,2);h4,s4 = cdfplot(b4)hold on;text(70,0.23,最小值= ,num2str(s4.min);text(70,0.18,最大值= ,num2str(s4.max);text(70,0.13,均 值= ,num2str(s4.mean);text(70,0.08,中值= ,num2str(s4.median)
21、;text(70,0.03,标准差= ,num2str(s4.std);title(对应累积概率分布);figure(42)surf(c4);title(四层信号电平空间分布(经过二重三次方插值);xlabel();ylabel();view(-30,60);figure(43)subplot(2,1,1);surf(c4);title(四层信号电平分布图);xlabel();ylabel();view(0,90);colorbar(horiz);subplot(2,1,2);c,h=contour(c4);clabel(c,h);title(四层信号电平等高线分布)xlabel();ylab
22、el();colormap hot;%-5 层-figure(51)subplot(1,2,1);histfit(b5);axis(45,80,0,30);grid on;title(教三北门五层大厅电视信号电平概率分布);xlabel(电平值(dB);ylabel(样本数量(个);legend(理想概率分布曲线,实际样本分布);subplot(1,2,2);h5,s5 = cdfplot(b5)hold on;text(65,0.23,最小值= ,num2str(s5.min);text(65,0.18,最大值= ,num2str(s5.max);text(65,0.13,均 值= ,num
23、2str(s5.mean);text(65,0.08,中值= ,num2str(s5.median);text(65,0.03,标准差= ,num2str(s5.std);title(对应累积概率分布);figure(52)surf(c5);title(五层信号电平空间分布(经过二重三次方插值);xlabel();ylabel();view(-30,60);figure(53)subplot(2,1,1);surf(c5);title(五层信号电平分布图);xlabel();ylabel();view(0,90);colorbar(horiz);subplot(2,1,2);c,h=conto
24、ur(c5);clabel(c,h);title(五层信号电平等高线分布)xlabel();ylabel();colormap hot;%-总体-figure(61)subplot(2,1,1);surf(ct)view(0,90);title(总体信号电平分布);xlabel(西东-一层二层三层 四层 五层);ylabel();subplot(2,1,2);c,h=contour(ct2,50,60,70,80);clabel(c,h);title(总体电平等高线图);xlabel();ylabel();colorbar(horiz);colormap hot;3. 数据分析图:4. 数据分
25、析:(1) 单层空间分析由以上数据处理结果以及比较测量空间平面图可以看出，一层由于教三大门的原因，因而北侧的信号较好，电磁波衰减小;而西南面因为有两根柱子及电梯的影响,各个平面的反射和折射和吸收比较严重，信号衰减较大。而从二至五层,测量空间的北面,西面均为教室,而南面仍为支撑柱及电梯,信号衰减比较大,而东面为较开阔的空间,且与外界仅以玻璃窗相隔,信号衰减自西向东逐渐减小. 其余的空间电磁波衰减则介于两者之间。从图表上了可以看出,每一层的信号电平概率都是呈正态分布的. (2) 五层纵向分析五层纵向比较可以看出，第一层衰减均值为73.21 dB,标准差为5.11 dB;第二层衰减均值为73.12
26、dB，标准差为4.38 dB;第三层衰减均值为67.42 dB,标准差为5.34 dB;第四层衰减均值为64.97 dB,标准差为5.56 dB;第五层为63.93 dB,标准差为5.43 dB。根据电磁波理论,电磁波的接收受到高度影响。由上述数据处理结果可以看出,随着测量楼层调试的增加,接收到的信号电平衰减值逐渐降低,收到的信号质量越好。(3) 总体分析通过实验，以及实验数据分析，我们可以了解到，对于高层建筑内部的电磁波接收受很多因素的影响。在室内靠近窗口，门口的空间，电磁波的接收效果较好，较开阔的空间中电磁波接收效果也很好。但是在柱子，等室内障碍物的周围，由于反射折射以及吸收的影响，电磁波
27、会有较大的衰减。另外，楼层越高电磁波衰减越小。四 实验心得体会通过本次实验，我们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；熟悉并掌握无线电中的传输损耗，路径损耗，穿透损耗，衰落等概念。在实际中验证了理论的知识，使理论于实际相结合，更深入的理解了电磁波传播的有关知识。在这次实验中，我们采集了大量的数据（大约500个样本），这在以往的实验中是没有遇到过的。通过使用概率统计的方法，是我们在这些看似毫无关联的数据中找到了数据间的内在联系与规律。并且使用MATLAB对数据进行处理分析，作图，是我们对数据规律有了直观的认识。通过本次实验，我们还学会了DS1130场强仪的使用方法，如何快速接受并理解新知识，如何合理和搭配成员间的分工和合作，为我们以后进行更加有挑战性的工作和任务增加信心和经验。附录: 1.工作分工林凯雄: 数据采集,数据录入,数据处理 (0111115/18)陈 曦: 数据采集,数据分析,报告制作 (0111115/13)程 飞: 数据采集,数据分析,报告制作 (0111115/10)2.测量环境平面图