ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №2
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.2.12
УДК: 621.391.01
МОДЕЛИ ИСКАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ В ЛЕСНЫХ МАССИВАХ
Л.Е. Назаров
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, 141190, Фрязино, Московская обл., пл. Введенского, 1
Статья поступила в редакцию 18 февраля 2022
Аннотация. Приведены описания математических моделей радиолиний распространения сигналов в лесных массивах, основанные на их представлении в виде сплошной квазиоднородной среды и характеризуемые эффективной комплексной диэлектрической проницаемостью. Значения эффективной диэлектрической проницаемости являются функционалом от общей объемной концентрации составляющих компонент растительности относительно основной среды – атмосферы, от частоты сигналов, от электрофизических и таксометрических характеристик лесных массивов. Показано, что при распространении по рассматриваемым радиолиниям спектральные составляющие цифровых сигналов приобретают частные фазовые и амплитудные смещения, что обусловливает искажения комплексных огибающих сигналов и энергетические потери при приеме по отношению к распространению в свободном пространстве. Произведено моделирование с использованием моделей распространения сигналов в лесных массивах с типичными характеристиками для оценивания вероятностных характеристик приема цифровых сигналов с 4-х позиционной фазовой манипуляцией с расширением частотной полосы. Показано, что для этих сигналов с частотной полосой 10…20 МГц с центральной частотой P- диапазона с горизонтальной поляризацией энергетические потери по отношению к распространению в свободном пространстве с эквивалентным затуханием превышают 1.2 дБ за счет искажения комплексных огибающих сигналов. Показано также меньшее влияние на вероятностные характеристики приема сигналов с вертикальной поляризацией – энергетические потери в этом случае достигают 0.5 дБ.
Ключевые слова: фазоманипулированные радиосигналы, лесные массивы, модели распространения, диэлектрическая проницаемость, энергетические потери
Abstract. The models of signal propagation in forests are presented, based on the representation of forests as a continuous quasi-homogeneous medium and characterized by an effective complex permittivity. The values of the effective permittivity are a functional of the total volumetric concentration of the components of vegetation relative to the main medium - the atmosphere, of the frequency of signals, of the electrical and taxometric characteristics of forests. It is shown that when propagating along the lines under consideration, the spectral components of digital signals acquire partial phase and amplitude shifts, which causes distortions of the complex envelopes of signals and energy losses during reception with respect to propagation in free space. Modeling was carried out using models of signal propagation in forests with typical characteristics to estimate the probabilistic characteristics of receiving digital signals with 4-level phase shift keying with frequency band extension. It is shown that for these signals with a frequency band of 10...20 MHz with a center frequency of the P-band with horizontal polarization, the energy loss with respect to propagation in free space with equivalent attenuation exceeds 1.2 dB due to the distortion of the complex envelopes of the signals. A smaller effect on the probabilistic characteristics of receiving signals with vertical polarization is also shown - the energy loss in this case reaches 0.5 dB.
Key words: phase shift keying signals, forests, models of signal propagation, effective complex permittivity, energy loss
Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №20-07-00525.
Автор для переписки: Назаров Лев Евгеньевич, levnaz2018@mail.ru
Литература
1. Tamir T. On radio wave propagation in forest environments. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1967. V.15. №6. P.806-817.
2. Попов В.И. Распространение радиоволн в лесах. Москва, Горячая линия – Телеком. 2015. 392 с.
3. Sarabandi К., I-S Koh. Effect of Canopy - Air Interface Roughness on HF - VHF Wave Propagation in Forest. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2002. V.50. №2. P.111-121.
4. Ulaby F. T., Sarabandi K., McDonald K., Whitt M., and Dobson M. C. Michigan microwave Canopy Scattering Model. International Journal Remote Sensing. 1990. № 11(7). P.1223-1253.
5. Gu W., Tsang L., Colliander A., Yueh S.H. Wave Propagation in Vegetation Field Using a Hybrid Method. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. V.69. №10. P.6752-6761. https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3069487
6. Permyakov V.A., Michailov M.S., Malevich E.S. Calculation of the radar station field in 3D space in the presence of forest and other obstacles by the method of parabolic equation. 2017 Progress in Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS). St. Petersburg, 2017. P.3754-3757. https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262410
7. Якубов В.П. Сверхширокополосное зондирование лесного полога. Журнал радиоэлектроники. 2002. № 10. http://jre.cplire.ru/jre/oct02/2/text.html.
8. Malevich E.S., Mikhailov M.S., Permyakov V.A. Application of the Parabolic Equation Method for Analyzing the Influence of Forest Massifs on the Radio Wave Propagation. 4-th International conference on information technologies in engineering and education. INFORINO 2018. Moscow, 23–26 October. http://doi.org/10.1109/INFORINO.2018.8581710
9. Recommendation ITU-R P.833-9 (09/2016). Attenuation in vegetation. 2013.
10. Чухланцев А.А., Шутко А.М., Головачев С.П. Ослабление электромагнитных волн растительными покровами. Радиотехника и электроника. 2003. Т.48. №11. C.1285-1311.
11. Крапивин В.Ф., Чухланцев А.А., Потапов И.И., Солдатов В.Ю. Ослабление электромагнитных волн лесным покровом (обзор). Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2018. №2. C.22-80.
12. Кашкин В.Б., Кокорин В.И., Миронов В.Л., Сизасов С.В. Экспериментальное определение электрофизических параметров лесного покрова с использованием сигналов глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Радиотехника и электроника. 2006. T.51. №7. C.825-830.
13. Басанов Б.В., Ветлужский А.Ю., Калашников В.П. Метод определения эффективной диэлектрической проницаемости лесного полога. Журнал радиоэлектроники. 2010. №4. http://jre.cplire.ru/jre/apr10/3/text.pdf.
14. Гельцер А.А., Кузнецова Н.А. Экспериментальная оценка сезонных особенностей ослабления радиоволн лиственным лесом. Научная сессия ТУСУР-2011. Томск. 04–06 мая 2011. С.13-15.
15. Яковлев О.И., Якубов В.П., Урядов В.П., др. Распространение радиоволн. Москва, ЛЕНАНД. 2009. 496 с.
16. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Москва, Наука. 1960. 552 с.
17. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Москва, Вильямс. 2003. 1104 c.
18. Попов В.И. Тензор эффективной проводимости среды с двухслойными частицами дисперсной среды. Магнитная гидродинамика. 1982. №4. С. 76-78.
19. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. Москва, Издательство по вопросам связи и радио. 1960. 392 с.
20. Назаров Л.Е., Батанов В.В. Анализ искажений радиоимпульсов при распространении по ионосферным линиям передачи спутниковых систем связи. Электромагнитные волны и электронные системы. 2016. Т.21. №5. С.37-45. https://doi.org/10.18127/j15604128-202105-02
21. Proakis J.G., Salehi M. Digital communication. 5 Edition. McGraw –Hill. Hugher Education. 2001. 1150 p.
22. Specification for second-generation COSPAS-SARSAT 406 MHz distress beacons. C/S 2016. T.018. Issue 1.
Для цитирования:
Назаров Л.Е. Модели искажений сигналов при распространении в лесных массивах. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.2.12