CN104155637A - 一种基于步进变频波的雷达-通信一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于步进变频波的雷达-通信一体化方法，频率源通过正交调制技术将雷达信号和通信信号调制到两个互不干扰的步进频子频率上发射到空间中没，接收端再利用正交混频技术分离出差拍雷达信号和通信信号。雷达信号与通信信号间没有相互干扰，既保证雷达探测性能，也能保证通信的稳定性。相比现有的基于脉冲信号的雷达-通信一体化体制，在达到相同探测能量的情况下，本发明所需的瞬时发射功率更低，因此依据本发明方法设计的设备硬件结构能更简单，且资源重复利用率高，可有效降低设备的成本，提升可靠性。

Description

一种基于步进变频波的雷达-通信一体化方法

技术领域

本发明涉及通信、雷达组网探测技术。

背景技术

雷达-通信一体化是指使用一个设备平台同时实现对目标的雷达探测与设备间的数据通信两种功能的技术。为满足雷达间组网探测以及复杂信号的实时处理等需求，现代雷达需要同其他设备进行大量的数据交换，因此，如何使用同一个设备实现雷达探测与数据通信，已引起了各国研究机构的重点关注，得到了迅速的发展。

目前，雷达-通信一体化主要分为硬件一体化和信号一体化两种。硬件一体化是指雷达信号与通信信号共用收发天线、发射机、接收机或是其他硬件中的部分单元，两种信号本身相互独立；而信号一体化则是将通信信息与雷达信号融合成统一的一体化信号进行发射和接收，共用全部的硬件单元，在信号处理时分离出雷达信号与通信信息。目前的国内外的研究均以基于信号一体化的雷达-通信一体化技术为主。美国加州大学采用线性调频信号扩频技术实现了基于信号一体化的雷达-通信一体化方法的验证；此后，中国科学院提出了一种基于直接扩频序列超宽带技术的雷达-通信一体化方法；瑞典布莱津理工大学采用基于奥珀曼序列(Oppermann sequences)的加权脉冲串实现雷达探测与信息通信的一体化；美国时域公司(Time Domain)推出的PulsON 410超宽带雷达-通信一体化模块采用了独特的超宽带脉冲信号进行雷达测距和信息通信，实现了雷达-通信一体化技术的商业化。综上所述，这些已有的雷达-通信一体化方法均基于脉冲雷达体制实现，有一定的应用局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种新的，基于步进变频波的雷达-通信一体化方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于步进变频波的雷达-通信一体化方法，包括以下步骤：

1)雷达-通信一体化信号发射步骤：

1-1)设备A的发射端产生两个相互正交的单频信号和分别作为雷达信号与通信信号子载频的载波，ω表示子载波频率、表示子载波初始相位，t为时间变量；

1-2)使用差分编码器对原始通信信号进行差分编码，所述原始通信信号采用二进制0、1编码，码元速率小于ω；

1-3)将差分编码数据取非后与子载波信号相乘，得到设备A的通信基带信号的同相部分；将差分编码数据与子载波信号相乘，得到设备A的通信基带信号的正交部分；

1-4)设备A的发射端生成步进变频本振信号Lo_aT(t)， 为设备A在每个步进变频频点处的初始相位，f_aT(t)为设备A的步进变频本振信号的频率： $f_{\mathrm{aT}}\left(t\right)=f_{a0}+\mathrm{k\Δf}\×\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{kT}}_0-T_0/2}{T_0}\right),k=\mathrm{0,1},...,K,$ f_a0为设备A的步进变频本振的起始频率，△f为步进频率，K+1为频点数量，T_o为每个频点持续时间，T₀大于π/ω，rect为矩形窗函数；

1-5)设备A对发射端基带信号和步进变频本振信号进行正交混频，得到雷达-通信混合信号S_tx(t)，将该信号放大后发射；

步骤2)雷达信号接收步骤：

2-1)设备A的接收天线接收到目标反射回的电磁波，该接收到的电磁信号放大后同步进变频本振信号Lo_aT(t)进行正交解调，得到正交中频信号；

2-2)设备A对正交中频信号的同相部分和正交部分进行低通抗混叠滤波后，使用采样率合适的模数转换器进行数据采集，并将两个通道的数据合并成中频复信号；

2-3)设备A将中频复信号乘e^-jωt后，使用截止频率为ω的低通滤波器得到雷达基带信号，该基带信号即为传统步进变频体制雷达的差拍基带信号，对差拍信号进行快速傅里叶变换，即可得到目标距离像；

步骤3)通信信号接收步骤：

3-1)设备B的接收天线接收来自设备A发射的雷达-通信一体化信号并放大后与设备B生成的步进变频本振Lo_bT(t)进行正交解调，得到正交中频信号；为设备B在每个步进变频频点处的初始相位，f_bT(t)为设备B的步进变频本振信号的频率： $f_{\mathrm{bT}}\left(t\right)=f_{b0}+\mathrm{k\Δf}\×\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{\σ}-{\mathrm{kT}}_0-T_0/2}{T_0}\right),k=\mathrm{0,1},...,K,$ f_b0为设备B的步进变频本振的起始频率，σ为设备A、B间的频率不同步时间，σ＜＜T₀；

3-2)对正交中频信号的同相部分和正交部分进行低通抗混叠滤波后，使用模数转换器进行数据采集，并将两个通道的数据合并成中频复信号；

3-3)将中频复信号乘后，使用截止频率为ω的低通滤波器得到通信基带信号，对通信基带信号进行抽样判决，再进行差分解调恢复出原始通信信号，f_ab为设备A与设备B的步进变频本振的起始频率之差，f_ab＝f_a0-f_b0，f_ab大于

本发明频率源通过正交调制技术将雷达信号和通信信号调制到两个互不干扰的步进频子频率上发射到空间中。接收端再利用正交混频技术分离出差拍雷达信号和通信信号。达到在进行雷达目标探测的同时传输通信数据的目的。在该方法中，雷达信号与通信信号间没有相互干扰，既保证雷达探测性能，也能保证通信的稳定性。相比现有的基于脉冲信号的雷达-通信一体化体制，在达到相同探测能量的情况下，本发明所需的瞬时发射功率更低，因此依据本发明方法设计的设备硬件结构能更简单，且资源重复利用率高，可有效降低设备的成本，提升可靠性；将多个设备互联，可实现雷达的组网探测。

本发明的有益效果是，具有性能稳定、结构简单可靠、利于设备组网等优点，具有很强的实用性，适用于雷达的组网探测以及回波数据的实时传输。

附图说明

图1(a)为接收端解调后得到的雷达-通信混合信号I通道一个步进频周期的时域波形，图1(b)为接收端解调后雷达-通信混合信号I通道的局部时域波形，图1(c)和图1(d)分别为接收解调后雷达-通信混合信号Q通道在一个步进频周期和局部时间内的时域波形。

图2为对雷达-通信混合中频复信号中分离出的雷达信号做FFT运算后得到的频谱图，即雷达信号的目标距离像。

图3(a)与图3(b)分别为从雷达-通信混合中频复信号中分离出的通信信号的I通道和Q通道的局部波形图。

图4为接收机解调、分离后得到的通信基带信号在一个步进变频周期内的星座图。

具体实施方式

完成雷达和通信的功能需要至少两台设备(以下称作设备A和设备B)，每台设备都配置独立的发射天线和接收天线。设备与设备间没有硬件区别。

步骤1：设备A发射端产生两个相互正交的单频信号和该信号即为雷达-通信子载频的载波，经过正交调制后，雷达信号与通信信号中心频率之差为2ω。

步骤2：原始通信信号采用二进制0,1编码，码元速率小于ω。使用差分编码器对原始通信信号进行差分编码，差分编码器的输出为当前时刻原始通信信号的输入和上一时刻的输入的异或，即 $\mathrm{Out}\left(t\right)=\mathrm{In}\left(t\right)\⊕\mathrm{In}(t-1).$

步骤3：将差分编码器的输出取非后与子载波信号相乘，得到发射端基带信号的同相部分(I通道)，即

将差分编码器的输出直接与子载波信号相乘，得到发射端基带信号的正交部分(Q通道)，即

步骤4：使用设备A的步进变频本振产生起始频率为f_a0，步进频率为△f，频点数量为K+1，带宽为B＝K×△f，终止频率为f_K，每个频点持续时间为T_o，周期为T的步进变频本振信号，该信号的频率

$f_{\mathrm{aT}}\left(t\right)=f_{a0}+\mathrm{k\Δf}\×\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{kT}}_0-T_0/2}{T_0}\right),k=\mathrm{0,1},...,K$

若每个频点初相为则步进变频本振信号Lo_aT(t)为

步骤5：使用正交混频器(调制器)对发射端基带信号和步进变频本振信号进行混频，得到雷达-通信混合信号S_tx(t)，将该信号放大后通过设备A的超宽带天线发射到空间中。在该信号中，用于雷达探测的信号的中心频率为而用于通信的信号的中心频率为 $f_{\mathrm{aT}}\left(t\right)-\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}.$

步骤6：对于系统的雷达探测端，经过时间τ_r后，设备A的接收天线接收到目标反射回的电磁波S_r(t)＝S_tx(t-τ_r)。将该信号放大后同本振信号Lo_aT(t)进行正交解调，得到混合了雷达信号与通信信息的正交中频信号，如图1所示。

步骤7：选取合适的低通滤波器对中频信号的同相部分(I通道)和正交部分(Q通道)进行滤波后，使用模数转换器(ADC)对数据进行采集，并将两个通道的数据合并成复信号，在该复信号中，用于雷达探测的信号的中心角频率为ω。

步骤8：将复信号与e^-jωt相乘，雷达探测信号被搬移到零频，使用截止频率为ω的低通滤波器滤去通信信号和其他杂波，得到雷达探测端基带信号，该基带信号即为传统步进变频体制雷达的差拍基带信号。对差拍信号进行快速傅里叶变换FFT，可得到目标距离像，如图2所示。当步进变频本振同从目标反射回的步进变频波混频并滤波后会体现出差拍特性，此时将该差拍信号称为雷达基带信号。

步骤9：对于另一台雷达-通信一体化设备B，有步进变频本振信号：

其中，每个频点的初相为本振的频率：

$f_{\mathrm{bT}}\left(t\right)=f_{b0}+\mathrm{k\Δf}\×\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{\σ}-{\mathrm{kT}}_0-T_0/2}{T_0}\right),k=\mathrm{0,1},...,K$

f_b0为该设备的起始频率，且有：

f_a0-f_b0＝f_ab

σ为两个设备之间的频率不同步时间，要求σ＜＜T₀。

步骤10：经过时间τ_c后，设备B的接收天线接收到从设备A发射过来的雷达-通信混合信号S_c(t)＝S_tx(t-τ_c)。将该信号放大后同设备B的步进变频本振Lo_bT(t)进行正交解调，得到混合了雷达探测信号和通信信号的正交中频信号。

步骤11：选取合适的低通滤波器对中频信号的同相部分(I通道)和正交部分(Q通道)进行滤波后，使用模数转换器(ADC)对数据进行采集，并将两路正交中频信号合成为中频复信号。在该复信号中，用于通信的信号的中心角频率为2πf_ab-ω。

步骤12：将中频复信号与相乘，通信信号被搬移到零频，使用截止频率为ω的低通滤波器滤去雷达探测信号和其他杂波，得到通信端基带信号，如图3所示。对通信端基带信号进行抽样判决，即可得到差分通信信号。再使用逆差分器对信号进行解差分，解调出从设备A发射过来的通信信号。

其中，步骤8中得到的用于雷达探测的差拍信号的最大频移f_d max与步进变频本振中每个频点的持续时间T_o相关，有f_d max＝1/(2T₀)。为保证雷达探测距离不受影响，ω需要大于2πf_d max。

步骤9中，为保证两台设备所发射的雷达-通信混合信号的频谱不会重叠，造成设备间的相互干扰，需保证两个步进变频本振起始频率之差f_ab大于

步骤12中解调得到的通信基带信号由于步进变频信号同本振进行混频时的差拍特性而受到调制，其包络为差拍信号，包络频率同时，通信基带信号的星座图在差拍台阶跳变处会引入一个固定的相移，该相移θ＝2π△f(τ_c+σ)，因而，整个基带通信信号的星座图是一个一个的同心圆，如图4所示。

对于同一台设备的雷达探测和通信而言，例如设备A的接收端接收由设备A的发射端所发射信号的回波(用于雷达探测)以及由设备B所发射的信号(用于设备通信)，步骤6与步骤10，以及步骤7与步骤11在对信号的处理方式上没有任何区别，使用同一套硬件结构对其进行处理。

实施例

设备A与设备B均使用独立的发射天线和接收天线配置，两设备放置间距为15m，设备A步进变频起始频率为1.600GHz，设备B的步进变频起始频率为1.597GHz，两设备其余各个参数相同，每个频率步进为2MHz，频点数量为301，带宽为600MHz，每个频点的持续时间为100μs，子载波频率通信码元速率为500kbps。在距离设备A为10m的地点设置一目标。

根据本发明的处理步骤，第一步，设备A产生两路相互正交的子载频信号Cos(2×10⁶πt)和Sin(2×10⁶πt)。

第二步，使用差分编码器对设备A所发送的通信基带信号进行编码。例如，当编码器输入为：0,0,1,0,1,1,0,1,1,1,0,0…时，差分编码器的输出为：0,1,1,1,0,1,1,0,0,1,0…。

第三步，当差分编码器输出为0时，控制I通道子载频信号的开关闭合，I通道输出信号Cos(2×10⁶πt)，同时关断控制Q通道子载频信号的开关，Q通道输出0；当差分编码器输出为1时，使I通道子载频输出的信号为0，Q通道此时输出信号Sin(2×10⁶πt)。

第四步，使用设备A的信号本振产生起始频率为1.600GHz，频率步进为2MHz，共301个频点的步进变频信号。

第五步，使用正交混频器将I通道信号和Q通道信号调制到步进变频本振上，放大后通过发射天线发射到空间中。

第六步，信号被10m处的目标反射后通过设备A的接受天线接收，忽略系统延时，此时信号的延时为0.067us。将接收到的信号同步进变频本振进行正交混频，解调出含有雷达探测信号和设备A通信信息的混合正交中频信号。

第七步，使用采样率为10MHz的双通道同步模拟-数字转换器采集解调后得到的混合正交中频信号，并将两个通道的数据合并成复信号。在该复信号中，雷达探测信号的归一化中心角频率为设备A本身的通信信号在此时为无用信号，其归一化中心角频率为

第八步，将复信号同相乘，用于雷达探测的信号被搬移到零频上。使用截止频率为2π×10^-3的低通滤波器滤去信号中不需要的高频杂波后，对信号进行快速傅里叶变换，可在2.667π×10^-4处得到一条谱线，该谱线即对应10m处的目标。

第九步，使用设备B的步进变频信号本振产生起始频率为1.597GHz，频率步进为2MHz，总共301个频点的步进变频信号。

第十步，忽略系统延时以及设备间不同步时间，设备A发射出的信号经过0.05us的延时后被设备B的接收天线接收。将接收到的信号同设备B的步进变频本振进行正交混频，解调出含有设备A的雷达探测信号和通信信息的混合正交中频信号。

第十一步，使用采样率为10MHz的双通道同步模拟-数字转换器采集解调后得到的混合正交中频信号，并将两个通道的数据合并成为复信号。在该复信号中，设备A发送的通信信息的归一化中心角频率为设备A的雷达信号对设备B而言为无用信号，其归一化中心角频率为

第十二步，使用同中频复信号相乘，将设备A传输过来的通信信号搬移到零频。使用截止频率为0.1π的低通滤波器滤去信号中的高频部分后，即可通过抽样判决器从通信基带信号中恢复出2DPSK差分信号，例如：0,1,1,1,0,1,1,0,0,1,0…，再使用逆差分器对信号进行解差分，得到通信基带信号：0,0,1,0,1,1,0,1,1,1,0,0…。由于步进变频信号之间混频时的固有特性，通信基带信号受到包络频率为2π×10^-4的差拍信号的调制，同时，通信基带信号的星座图在差拍台阶跳变处引入的相移为0.2π。

对于设备A接收到的从设备B所发射出的通信信号，经过正交解调并采集合成为复信号后所处的归一化中心角频率为因而，将复信号同相乘，并使用截止频率为0.1π的低通滤波器滤去信号中的高频部分，即可通过抽样判决器和逆差分器解调出从设备B发送的通信数据。该数据同设备A本身的雷达探测信号所处的频率不重叠，因而两者之间不会有相互影响。

Claims (1)

1.一种基于步进变频波的雷达-通信一体化方法，其特征在于，包括：

1)雷达-通信一体化信号发射步骤：

1-1)设备A的发射端产生两个相互正交的单频信号和分别作为雷达信号-通信信号子载频的载波，ω表示子载波频率、表示子载波初始相位，t为时间变量；

1-2)使用差分编码器对原始通信信号进行差分编码，所述原始通信信号采用二进制0、1编码，码元速率小于ω；

1-3)将差分编码数据取非后与子载波信号相乘，得到设备A的通信基带信号的同相部分；将差分编码数据与子载波信号相乘，得到设备A的通信基带信号的正交部分；

1-4)设备A的发射端生成步进变频本振信号Lo_aT(t)， 为设备A在每个步进变频频点处的初始相位，f_aT(t)为设备A的步进变频本振信号的频率： $f_{\mathrm{aT}}\left(t\right)=f_{a0}+\mathrm{k\Δf}\×\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{kT}}_0-T_0/2}{T_0}\right),k=\mathrm{0,1},...,K,$ f_a0为设备A的步进变频本振的起始频率，△f为步进频率，K+1为频点数量，T_o为每个频点持续时间，T₀大于π/ω，rect为矩形窗函数；

1-5)设备A对发射端基带信号和步进变频本振信号进行正交混频，得到雷达-通信混合信号S_tx(t)，将该信号放大后发射；

步骤2)雷达信号接收步骤：

2-1)设备A的接收天线接收到目标反射回的电磁波，该接收到的电磁信号放大后同步进变频本振信号Lo_aT(t)进行正交解调，得到正交中频信号；

2-2)设备A对正交中频信号的同相部分和正交部分进行低通抗混叠滤波后，使用模数转换器进行数据采集，并将两个通道的数据合并成中频复信号；

2-3)设备A将中频复信号乘e^-jωt后，使用截止频率为ω的低通滤波器得到雷达基带信号；

步骤3)通信信号接收步骤：

3-1)设备B的接收天线接收来自设备A发射的雷达-通信一体化信号并放大后与设备B生成的步进变频本振Lo_bT(t)进行正交解调，得到正交中频信号；为设备B在每个步进变频频点处的初始相位，f_bT(t)为设备B的步进变频本振信号的频率： $f_{\mathrm{bT}}\left(t\right)=f_{b0}+\mathrm{k\Δf}\×\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{\σ}-{\mathrm{kT}}_0-T_0/2}{T_0}\right),k=\mathrm{0,1},...,K,$ f_b0为设备B的步进变频本振的起始频率，σ为设备A、B间的频率不同步时间，σ＜＜T₀；

3-2)对正交中频信号的同相部分和正交部分进行低通抗混叠滤波后，使用模数转换器进行数据采集，并将两个通道的数据合并成中频复信号；

3-3)将中频复信号乘后，使用截止频率为ω的低通滤波器得到通信基带信号，对通信基带信号进行抽样判决，再进行差分解调恢复出原始通信信号，f_ab为设备A与设备B的步进变频本振的起始频率之差，f_ab＝f_a0-f_b0，f_ab大于