CN104811222A - 一种雷达通信一体化信号的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷达通信一体化信号的设计方法，将数字化的通信信息经串并转换分配给各个子载波，用于调制各个子载波上相位编码编码序列相对于原始序列的移位情况。系统采用综合射频前端，雷达和通信信号采用不同的信号处理系统，完成相应的功能。本技术方案中，用通信数据控制子载波相位编码移位，以软扩频的方式实现高效的通信传输，通过周期自相关性良好的相位编码序列的随机移位来保证较好的雷达探测性能。

Description

一种雷达通信一体化信号的设计方法

技术领域

本发明属于雷达通信领域，具体涉及一种雷达通信一体化信号的波形设计方法，该一体化信号中既有效的包含了通信信息，又能实现雷达探测的目的。

背景技术

在现代信息化战争背景，战争中配备的武器平台从单一化向综合性发展，作战平台配备大量的电磁设备。但过多的设备对于作战平台、也带来了一定的负担，影响平台的综合作战效能和对抗能力，因此探索作战平台上不同电子信息系统的一体化设计，有着迫切和极为现实的意义。

在现代作战平台中，雷达和通信设备作为最重要的信息化系统有着不可或缺的作用。由于各自的特点，两者一般被作为两个独立的系统使用，但分析两者的原理和系统构成会发现诸多的相似之处。在电磁传播特性上，雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射特性来进行目标探测、定位和引导等，而无线通信对信息的传递也是通过发射电磁波来实现的；在系统结构上，雷达和通信均由天线、发射、接收、信息处理等分系统组成；而在波形应用方面，两者均可采用调频、调幅、调相等复杂信号。因此，在一体化硬件构架下，可以实现雷达和通信的一体化设计。

现有关于雷达通信一体化波形设计，主要分为三种方式。一是雷达和通信信号各自独立产生，通过在发射端叠加合成，在接收时进行分离，提取所需信号的方式，通常对雷达和通信信号做扩频处理以保证正交性，根据盲源理论和算法进行分离，但盲源分离算法或是需要一个确知信号作为参考，或是需要多个接收通道同时接收，很难实现雷达通信一体化系统中同时存在时延和多普勒频移的雷达和通信信号的单通道分离。第二种方式采用在雷达波形上调制通信数据来产生一体化信号，如使用线性调频波形的上下调频或不同的脉冲重复频率来表示数字编码的通信信息符号，但已有的此种设计往往通信效率较低，不能满足高速率通信的要求；三是基于通信波形的一体化信号设计，主要集中在将现有的在通信系统中成熟应用的正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)波形或其他多载频波形应用于雷达探测的研究。

OFDM是一种各个子载频之间相互正交的多载波调制技术。多载波调制的基本思想是把串行的数据流变换为N路并行的速率较低的子数据流，分别调制N路子载波进行传输。因而，各个子载波上调制的数据速率减小，周期扩大，抗多径衰落的能力得到显著增强，特别适宜于在高速无线信道中传输。目前，OFDM已经广泛的应用于非对称数字用户环路、数字视频广播、无线局域网等通信网络中，并成为第四代移动通信系统的核心技术。多载频相位编码(MCPC:Multi-Carrier Phase Coded)信号是在OFDM信号子载频上引入相位编码得到的，其在频谱利用率、模糊函数主旁瓣比以及包络起伏抑制三个方面达到了较为均衡的效果，成为雷达领域研究的热点。因此，选择在雷达和通信系统中均有应用的正交多载频信号或者对其改造设计成为雷达通信一体化信号设计的重要选择。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种雷达通信一体化信号的设计方法。在雷达系统中，采用一种信号形式同时实现雷达探测和通信传输的目的。正如在背景技术分析的那样，针对确定性雷达信号和随机性通信信号难以兼容了问题，现有的技术方案中，雷达探测性能和通信效率往往难以兼顾。

而在本发明的技术方案中，采用随机性通信数据控制多载频信号子载波相位编码序列移位的方式，很好的解决了随机性和确定性的兼容问题。通过采用随机的通信数据控制子载波相位编码移位，一方面高效的将数字通信信息融入到雷达信号中，另一方面，序列中包含的随机性使表征雷达探测性能的模糊函数具有理想的图钉型形状。

技术方案

本方案给出雷达通信一体化信号的设计方法和在满足硬件要求雷达系统内中的收发过程。

(1)综合考虑雷达探测指标和通信传输效率要求，确定多载频信号子载波数N、子载波相位编码序列以及其他相关信号参数。

(2)将需要进行传输的模拟信号经抽样、量化、调制编码成数字通信信息，并经过串并转换，将串行数字信息转换成N路并行的数字信息。

(3)分别用N路信息，控制各个子载波上相位编码序列相对于基准序列的移位情况。

(4)通过快速逆傅里叶变换对信号进行调制，通过求和输出，经发射天线发往自由空间。

(5)为了雷达探测的功能，雷达接收回波信号进行直接匹配滤波，得到信号的脉冲压缩结果，送往后续信号处理流程。

(6)对于通信而言，则是在完成通信握手过程的前提下，通信接收方对信号进行解调处理，提取出所要传输的通信信息，完成通信过程。

其中：

步骤(1)：为了最大程度的提高通信效率，应尽可能选取子载波数和每个子载波上相位编码序列位数均为2^k的情况，则每个子载波上2^k种不同的移位情况允许每个子载波最多传输kbit的通信数据(kbit数据有2^k种排队情况，因此可以对应2^k种子载波移位方式)，因此，每个脉冲期间传输k*2^kbit信息，确定了信号脉冲宽度和占空比，就可以根据通信效率的要求确定子载波数。而相位编码序列直接决定信号的雷达探测性能。

步骤(2)：在满足抽样定理的前提下，根据传输的信息特征，选择均匀或非均匀量化，经脉冲调制编码形成二进制码，依据子载波数进行串并转换。

步骤(3)：选择某一相位编码序列为基准相位编码，对应的二进制信息为0000，若分配给某子载波需要传输的通信信息表示的十进制大小为i，则将该子载波上的相位编码序列相对于基准序列左移i位。

步骤(4)：和通信系统中OFDM扩频信号的调制相同，此处的扩频，是通信中软扩频的概念。软扩频又称缓扩频，是指进行频谱的某种缓慢扩展变化。一般的直接序列扩频是将信息码与伪随机码进行模2加来获得扩展后的频谱，而软扩频是采用编码的方法来完成频谱的扩展，即用即为信息码元对应一条伪随机码。可见，本发明对于通信过程而言，即是软扩频OFDM系统。

步骤(5)：雷达和通信过程采用不同的信号处理分系统处理信号，对于雷达探测而言，信号经匹配滤波完成经典的雷达信号处理过程即可。

步骤(6)：该信号中采用的是(2^k，k)软扩频，扩频系数为2^k/k，其各个子载频上采用的伪随机序列，即为本设计中选用的经过数字信息控制移位后的相位编码序列。软扩频的解码部分是运用相位编码序列的自相关性，将解调后的信号分别与2^k路相位编码序列不同移位情况下所得的序列进行相关运算，选出相关值最大的一路相位编码序列，码字对应的k比特信息即为需要传输的数字通信信息。

一种雷达通信一体化信号的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：产生未经调制的多载频相位编码信号为：

$s\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{n}t\right)\×\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n.m}u(t-{\mathrm{mt}}_b)$

其中，f_n为雷达的工作频率；N为多载频信号包含的子载波数，N＝2^k，k为一任意整数；M为各个子载频上相位编码序列的长度；w_n为多载频信号中各个子载频加权系数；表示第n个子载波上的M位相位编码序列；t_b为相位编码序列中子码元宽度；u(t)为单位脉冲信号a_n.m为第n个子载波、第m位的相位编码；

N由信号的通信效率和雷达信号的距离分辨率表达式计算得到，t_b由雷达信号的距离分辨率表达式计算得到，选择自相关性良好、码元长度M等于子载波数N的原始相位编码序列 $\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n.m}u(t-{\mathrm{mt}}_b);$

所述的信号的通信效率表达式：

$R_b=\frac{k*2^k}{T_s}$

其中：

N＝2^k—子载波数

T_s—脉冲重复周期

所述的雷达信号的距离分辨率表达式：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{c}{2*B}=\frac{c}{2*1/t_b}=\frac{c*T_s*\mathrm{\δ}}{2N}$

其中：

δ为信号占空比

B—信号带宽

步骤2：将模拟信号经抽样、量化、调制编码成数字通信信息；将数字通信信息进行串并转换为N路，每路包含kbit信息；

步骤3：用N路数字通信信息分别控制N个子载波上相位编码相对于原始相位编码序列的移位：当分配到第n个子载波上的数字通信信息的大小为i时，第n个子载波上的相位编码序列相对于原始相位编码序列左移i位，得到新的相位编码序列 $\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n.m}^{\′}u(t-{\mathrm{mt}}_b);$

步骤4：将新的相位编码序列通过快速逆傅里叶变换调制到工作频率f_n上，得到雷达通信一体化信号：

$s\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{n}t\right)\×\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n.m}^{\′}u(t-{\mathrm{mt}}_b).$

有益效果

本发明提出的一种雷达通信一体化信号的设计方法，利用多载频相位编码信号结构灵活的特点，用通信数据控制子载波相位编码移位，以软扩频的方式实现高效的通信传输，并经多次仿真证明，随着通信数据的不同，信号性能起伏，但均不劣于相应的单载频相位编码情况下信号的性能。

附图说明

图1为本发明中一体化信号的设计原理

图2为信号的编码调制过程

图3为表征信号匹配滤波效果的信号模糊函数图

图4为信号自相关性能

图5为本发明中雷达通信一体化信号的通信信息解调算法的编程实现流程

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1：分别产生需要传输的数字通信信息和未经调制的正交多载频相位编码信号。

多载频相位编码信号(MCPC)表达式为：

$s\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{n}t\right)\×\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n.m}u(t-{\mathrm{mt}}_b)---\left(1\right)$

其中，f_n为信号工作频率，N为多载频信号包含的子载频数，N＝2^k，k为一任意整数，M为各个子载频上相位编码序列的长度，w_n为多载频信号中各个子载频加权系数，表示第n个子载波上的M位相位编码序列，t_b为相位编码序列中子码元宽度，u(t)为单位脉冲信号a_n.m为第n个子载波、第m位的相位编码；

信号的通信效率计算如下：

$R_b=\frac{k*2^k}{T_s}---\left(2\right)$

其中：

N—子载波数

T_s—脉冲重复周期

而雷达信号的距离分辨为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{c}{2*B}=\frac{c}{2*1/t_b}=\frac{c*T_s*\mathrm{\δ}}{2N}---\left(3\right)$

其中：

δ为信号占空比

B—信号带宽

根据通信效率和雷达探测精度对信号性能的要求，确定正交多载频相位编码信号参数N。根据雷达用途确定工作频率f_n，根据雷达距离分辨率要求由(3)式确定码元宽度t_b。选择自相关性良好的码元长度M等于子载波数N的相位编码序列，以保证通信效率最大化。

将模拟信号经抽样、量化、调制编码成数字通信信息产生数字化通信信息，添加必要的冗余信息(必要的检验码)，串并转换分为N路，每路kbit信息。

步骤2：将串并转换后的数字化信息调制到N个子载波，分别控制N个子载波上相位编码相对于原始序列的移位情况，即用数字信息确定MCPC信号表达式中的 $\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n.m}u(t-{\mathrm{mt}}_b)$ 项。

如附图1所示，以步骤1中的原始相位编码序列为基准，对应的二进制信息为00…0(k比特)，分配到第n个子载波上需要传输的二进制信息表示的十进制数字大小为i，则将该子载波上的相位编码序列相对于基准序列左移i位。

步骤3：通过快速逆傅里叶变换，将基带多载频相位编码调制到工作频率f_n上，即完成该信号的设计。

其中，在步骤1中，子载波数，便于进行采用傅里叶变换对信号进行调制解调，每个子载波上相位编码序列位数也为2^k的情况，每个子载波上2^k种不同的移位情况允许每个子载波最多传输kbit的通信数据(kbit数据有2^k种排队情况，因此可以对应2^k种子载波移位方式)，可以保证通信传输效率最大化。

而用数字信息控制子载波相位编码移位实际上合通信中软扩频的概念相同。软扩频是采用编码的方法来完成频谱的扩展，即用信息码元对应一组伪随机码。可见，本信号设计方案对于通信过程而言，即是软扩频OFDM系统。

考虑一种简单的情况，令多载频信号子载波数N＝16，各子载波选用某15位m码末位补零([-1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 1 1 0])构成16位相位编码序列。

需要传输的添加了必要冗余的通信信息，用matlab软件随机产生[0011 1001 10101001 0110 1000 0100 1010 0011 1001 0011 0101 1001]。

雷达工作频率f_n＝10GHz，t_b＝0.1us，不对信号做子载波加权处理。

则信号的雷达探测分辨率为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{c}{2*B}=\frac{c}{2*1/t_b}=\frac{c*t_b}{2N}=0.9375m$

脉冲信号的占空比δ＝0.2，信号可实现的通信效率：

$R_b=\frac{k*2^k}{T_s}=8\mathrm{Mb}$

考虑必要的冗余信息，同样可达到可观的实际通信效率。

(2)用数字通信信息调制正交多载频信号子载波相位编码以为的实现方式如图2所示，经过数字信息调制，各子载波上产生相对于原始相位编码信号一定移位的相位编码序列，形成基带相位编码信号，经快速逆傅里叶变换调制，发往自由空间，完成相应功能。

(3)通过对接收回波信号进行匹配滤波，门限检测等后续信号处理过程完成雷达探测的目的。信号的匹配滤波效果有模糊函数进行表征。对本实例下信号的模糊函数进行仿真如附图3所示，符合理想图钉型模糊函数，满足雷达探测的需求，随机产生不同的数字通信信息，在本实例条件下进行蒙特卡洛仿真，模糊函数略有起伏，但均可获得理想的图钉型模糊函数。同时，如附图4所示，信号的自相关性能良好。当信号子载波数增加时，信号雷达探测性能更佳。

(4)对于通信功能而言，通信的收发过程即是软扩频OFDM通信信号的处理过程，OFDM已在通信系统中获得了成熟的应用，对其的处理也相对成熟。

该信号中采用的是(16，4)软扩频，扩频系数为4，其各个子载频上采用的伪随机序列，即为本实例中选用的15位m码末位补零经过数字通信序列控制移位后的序列。软扩频的解码是运用相位编码序列的自相关性，将解调后的信号分别与16路相位编码序列不同移位情况下所得的序列进行相关运算，选出相关值最大的一路相位编码序列，码字对应的4比特信息即为需要传输的数字通信信息。算法的编程实现流程如图5所示。

Claims (1)

1.一种雷达通信一体化信号的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：产生未经调制的多载频相位编码信号为：

$s\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{n}t\right)\×\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n\·m}u(t-{\mathrm{mt}}_b)$

其中，f_n为雷达的工作频率；N为多载频信号包含的子载波数，N＝2^k，k为一任意整数；M为各个子载频上相位编码序列的长度；w_n为多载频信号中各个子载频加权系数；表示第n个子载波上的M位相位编码序列；t_b为相位编码序列中子码元宽度；u(t)为单位脉冲信号a_n.m为第n个子载波、第m位的相位编码；

N由信号的通信效率和雷达信号的距离分辨率表达式计算得到，t_b由雷达信号的距离分辨率表达式计算得到，选择自相关性良好、码元长度M等于子载波数N的原始相位编码序列

所述的信号的通信效率表达式：

$R_b=\frac{k*2^k}{T_s}$

其中：

N＝2^k—子载波数

T_s—脉冲重复周期

所述的雷达信号的距离分辨率表达式：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{c}{2*B}=\frac{c}{2*1/t_b}=\frac{c*T_s*\mathrm{\δ}}{2N}$

其中：

δ为信号占空比

B—信号带宽

步骤2：将模拟信号经抽样、量化、调制编码成数字通信信息；将数字通信信息进行串并转换为N路，每路包含kbit信息；

步骤3：用N路数字通信信息分别控制N个子载波上相位编码相对于原始相位编码序列的移位：当分配到第n个子载波上的数字通信信息的大小为i时，第n个子载波上的相位编码序列相对于原始相位编码序列左移i位，得到新的相位编码序列 $\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n\·m}^{\′}u(t-{\mathrm{mt}}_b);$

步骤4：将新的相位编码序列通过快速逆傅里叶变换调制到工作频率f_n上，得到雷达通信一体化信号：

$s\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{n}t\right)\×\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n\·m}^{\′}u(t-{\mathrm{mt}}_b).$