CN106249231B - 一种基于ce-ofdm的雷达通信一体化系统 - Google Patents

一种基于ce-ofdm的雷达通信一体化系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达技术领域，涉及一种基于CE‑OFDM的雷达通信一体化系统。本发明是在传统的OFDM通信雷达一体化方案上提出的一种基于CE‑OFDM的可提高有效数据传输速率和解决OFDM信号PAPR过高问题的通过通信信息补偿的超分辨雷达通信一体化方案。发送端首先将待发送的数据通过QAM调制，IFFT变换和相位调制成为CE‑OFDM符号帧，用一帧CE‑OFDM符号替换一个脉冲重复周期内的单个脉冲，从而提高数据传输速率，并且解决了发送信号PAPR过高的问题。在接收端，将接收波形脉冲解调之后，将信号进行CE‑OFDM系统发射过程的逆过程，即可解调出数据；而由于发射波形已知，对接收的回波进行脉冲压缩处理，通信信息补偿后，可通过解相干处理和MUSIC算法，即可完成对目标的距离和速度的超分辨估计。

Description

一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及一种基于CE-OFDM(Constant EnvelopeOrthogonal Frequency-Division Multiplexing，恒定包络正交频分复用)的雷达通信一体化系统。
背景技术
随着科技的不断发展，为了满足新电磁环境下的通信需求，同一平台上安装的电子设备逐渐增多，造成系统体积、能耗和重量增大，操作复杂，冗余加大，设备间的电磁干扰加重，系统性能下降等诸多问题。采用多功能综合一体化电子系统是解决上述问题的有效途径，提出了复用方式和信号共用方式，采用信号共用方式可实现雷达和通信共享系统资源。OFDM雷达是目前应用比较广泛的雷达,被视为雷达通信一体化中一项潜在的候选技术。传统的使用OFDM雷达的一体化系统在具备高分辨探测与较快速通信优点的同时，也存在问题，主要是实现高分辨距离和速度的测量需要的运算量极大，而且OFDM系统存在固有的PARR过高问题。
CE-OFDM系统的核心是峰值平均功率比恒定，将OFDM符号经过一次相位调制之后，得到的信号功率幅度值恒定，然后在接收端进行相应的相位解调就可恢复出发送的OFDM符号。CE-OFDM可以完美解决传统OFDM系统固有的PAPR过高的问题，降低发射功率的需求，并且能提升在多径环境下通信的性能。用一帧CE-OFDM符号替代脉冲雷达一个脉冲重复周期内的发射脉冲，使用同一信号即可同时实现通信与雷达功能。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统。
本发明的技术方案是：一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统，包括：
发射端：将数据信息调制为CE-OFDM信号，再将CE-OFDM信号进行脉冲调制获得雷达发射信号，具体方法为：
a.设数据信息经过QAM调制后的得到长度为L，方差为的符号模块将共轭对称补零后获得其中是Nzp个0组成的行矢量，N＝2L+Nzp+2，此信号结构能够保证IFFT输出为实数；
b.将步骤a中获得的排列后进行IFFT变换，得到长度为N全实数的OFDM频域信号模块将乘上与L和相关的归一化常数以保证其方差标准化为1，然后进行相位调制，并加上长度为Ncp的循环前缀，以避免码间干扰，得到的CE-OFDM信号为如下公式1所示：
公式1中，A为信号幅度，h为调制指数；
c.将CE-OFDM信号进行脉冲调制，在一个脉冲重复周期Tr开始时，先发射Ns个CE-OFDM符号，即一帧CE-OFDM信号，剩下的时间作为间隔时间，即不发送信号；则，发射第p个脉冲中第n个有效CE-OFDM符号的信号形式可表示为如下公式2所示：
公式2中，T为有效OFDM持续时间，Ts为OFDM符号持续时间，Tr为脉冲重复周期，fc为载波频率，Δf为子载波间隔频率，h为调制指数，n＝0,...,Ns-1，p＝0,...,Np-1，
d.将步骤c中获得的信号经过数模转换和放大后，作为发射信号；
接收端：通过接收天线接收到步骤d中的发射信号后，将接收到的信号分别送到通信处理端和雷达处理端，分别进行通信信号的解调和雷达对目标的速度和距离信息的估计，具体方法为：
通信端口处理包括：
首先进行脉冲解调，将CE-OFDM符号帧从脉冲信号中提取出来，然后去循环前缀得到(下标r表示接受信号)，进行频域均衡，之后进行相位解调得到再进行FFT变换将信号变回时域最后进行QAM解调，即得到bit数据；
雷达端口处理包括：
e.将接收到的回波信号进行脉冲压缩处理，得到对目标距离的粗略估计设光速为c，目标的最大无模糊估计距离Rmax＝cTr/2，脉冲重复周期Tr一般为毫秒级，则对目标估计的最大无模糊距离为百公里级；
f.由于接收端发射波形已知，先将信号变换到频域，再根据接收的发射信息，补偿相位编码，得到y(n,p)，为接收端第p个脉冲中第n个有效CE-OFDM符号的接收数据，则第n个CE-OFDM符号的回波数据相当于阵列的一次快拍采样；
g.将接收数据重新排列，将每个脉冲的第n个CE-OFDM符号的数据排成一排，得到y(n)，则接收到的数据类似于阵元数为Nc的均匀线阵接收到的Ns次快拍采样数据；
h.由于不同目标间的相关性非常高，对y(n,p)与y(n)分别进行解相干处理；
i.最后将解相干处理之后的信号，采用MUSIC算法，利用阵列信号处理中的信号子空间类超分辨处理方法，实现对目标距离的估计和对目标速度v超分辨估计，然后使用模糊次数对目标距离估计进行最终计算，即为对目标距离的超分辨估计，其中为对目标距离的粗略估计，Rmax为目标的最大无模糊估计距离，为对目标距离的估计，为对目标值下取整运算。
本发明的有益效果为，本发明是在传统的OFDM通信雷达一体化方案上提出的一种基于CE-OFDM的可提高有效数据传输速率和解决OFDM信号PAPR过高问题的通过通信信息补偿的超分辨雷达通信一体化方案。该方案是在传统的OFDM雷达基础上，发送端首先将待发送的数据通过QAM调制，IFFT变换和相位调制成为CE-OFDM符号帧，用一帧CE-OFDM符号替换一个脉冲重复周期内的单个脉冲，从而提高数据传输速率，并且解决了发送信号PAPR过高的问题。在接收端，将接收波形脉冲解调之后，将信号进行CE-OFDM系统发射过程的逆过程，即可解调出数据；而由于发射波形已知，对接收的回波进行脉冲压缩处理，通信信息补偿后，可通过解相干处理和MUSIC算法，即可完成对目标的距离和速度的超分辨估计。CE-OFDM系统由于其固有的恒包络性，具有克服PAPR过高问题的优点，结合脉冲发射方式，和基于通信信息补偿的处理结束，即可实现对目标距离和速度的超分辨估计和提高信息传输速率。
附图说明
图1为传统OFDM雷达通信一体化方案发送端波形结构图。
图2为本发明的基于CE-OFDM雷达通信一体化方案发送端波形结构图。
图3为本发明的基于CE-OFDM雷达通信一体化方案发送端结构图。
图4为本发明的基于CE-OFDM雷达通信一体化方案接收端结构图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明的目的是提出一种基于CE-OFDM的雷达发射方式的雷达通信一体化方案。传统的使用OFDM雷达的一体化系统在具备高分辨探测与较快速通信优点的同时，也存在问题，主要是实现高分辨距离和速度的测量需要的运算量极大，而且无法解决OFDM系统固有的PARR问题。而CE-OFDM系统的发射信号满足PAPR＝0dB，完美解决了OFDM系统固有的PAPR过高问题，同时满足了高速通信的需求。
传统的OFDM雷达的一体化方案是在脉冲雷达(Pulse Radar)的基础上改进而来，其发射信号结构如图1所示，即在一个脉冲重复周期内，用一个OFDM符号替代原本的发射脉冲。本发明的发射信号结构如图2所示，在一个脉冲重复周期内，每一个发射脉冲由多个子脉冲构成，每个子脉冲是一个完整的CE-OFDM符号，即一个脉冲就由多个CE-OFDM符号构成，这些CE-OFDM信号构成1帧或1复帧。与传统的OFDM雷达相比，在相同的信号带宽下，通过将1个脉冲划分为多个CE-OFDM符号的方式，提高了通信的数据率，同时更易于同步。
在本一体化方案中，设载波数为Nc，有效OFDM持续时间为T，载波间隔为Δf＝1/T，一个脉冲含有Ns个CE-OFDM符号，脉冲重复周期为Tr，载波频率为fc，想干处理时间为Np个脉冲重复周期时间。基于CE-OFDM的雷达发射方式的雷达通信一体化方案的发射端结构示意图如图3所示：
在发送端，首先将二进制比特流经过QAM调制，并进行串并转换，再进行共轭对称补零排列得到然后进行IFFT变换，将其方差归一化后，进行相位调制，之后加上循环前缀，即得到CE-OFDM信号帧。然后将CE-OFDM信号帧进行脉冲调制，用一帧CE-OFDM符号替换一个脉冲重复周期内的单个脉冲。最后通过射频前端和发射天线将生成的信号发射出去。
如图4所示：在接收端，通过接收天线和射频前端之后，并，将接收到的信号分成两路处理。通信端处理过程，首先进行脉冲解调，取出CE-OFDM符号帧，并去掉循环前缀，进行频域均衡，之后进行相位解调，再对解调之后的信号进行FFT变换，并进行并串转换，然后进行QAM解调，最终得到了二进制比特数据流。雷达端处理过程，首先将接收到的回波信号进行脉冲压缩处理，再用已知的通信相位信息补偿，之后进行解相干处理，将得到的信号采用MUSIC算法进行距离和速度的超分辨估计，最终得到了目标的距离和速度信息，实现了通信雷达一体化。

Claims (1)

1.一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统，包括：
发射端：将数据信息调制为CE-OFDM信号，再将CE-OFDM信号进行脉冲调制获得雷达发射信号，具体方法为：
a.设数据信息经过QAM调制后得到长度为L，方差为的符号模块将共轭对称补零后获得其中是Nzp个0组成的行矢量，N＝2L+Nzp+2，d1...dL是行排列的QAM符号，是d1...dL的共轭对称排列，其中(·)*为共轭运算；
b.将步骤a中获得的排列后进行IFFT变换，得到长度为N全实数的OFDM时域信号模块将乘上与L和相关的归一化常数CN，以保证其方差标准化为1，然后进行相位调制，并加上长度为Ncp的循环前缀，以避免码间干扰，得到的CE-OFDM信号为如下公式1所示：
公式1中，A为信号幅度，h为调制指数；
c.将CE-OFDM信号进行脉冲调制，在一个脉冲重复周期Tr开始时，先发射Ns个CE-OFDM符号，即一帧CE-OFDM信号，剩下的时间作为间隔时间，即不发送信号；则，发射第p个脉冲，第n个有效CE-OFDM符号的信号形式表示为如下公式2所示：
公式2中，T为有效OFDM持续时间，Ts为OFDM符号持续时间，fc为载波频率，△f为子载波间隔频率，n＝0,...,Ns-1，p＝0,...,Np-1，Np是指：相干处理时间为Np个脉冲重复周期时间，t为时间变量；
d.将步骤c中获得的信号经过数模转换和放大后，作为发射信号；
接收端：通过接收天线接收到步骤d中的发射信号后，将接收到的信号分别送到通信处理端和雷达处理端，分别进行通信信号的解调和雷达对目标的速度和距离信息的估计，具体方法为：
通信端口处理包括：
首先进行脉冲解调，将CE-OFDM符号帧从脉冲信号中提取出来，然后去循环前缀得到进行频域均衡，之后进行相位解调得到再进行FFT变换将信号变回时域最后进行QAM解调，即得到bit数据；
雷达端口处理包括：
e.将接收到的回波信号进行脉冲压缩处理，得到对目标距离的粗略估计设目标的最大无模糊估计距离Rmax＝cTr/2，c为光速，脉冲重复周期Tr为毫秒级，则对目标估计的最大无模糊估计距离为百公里级；
f.由于接收端发射波形已知，先将信号变换到频域，再根据接收的发射信息，补偿相位编码，得到y(n,p)，则第n个CE-OFDM符号的回波数据相当于阵列的一次快拍采样；
g.将接收数据重新排列，将每个脉冲的第n个CE-OFDM符号的数据排成一排，得到y(n)，则接收到的数据类似于阵元数为Nc的均匀线阵接收到的Ns次快拍采样数据，Nc为载波数；
h.由于不同目标间的相关性非常高，对y(n,p)与y(n)分别进行解相干处理；
i.最后将解相干处理之后的信号，采用MUSIC算法，利用阵列信号处理中的信号子空间类超分辨处理方法，实现对目标距离的估计和对目标速度v超分辨估计，然后使用模糊次数对目标距离估计进行最终计算，即为对目标距离的超分辨估计。
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Wu et al. A sensing integrated DFT-spread OFDM system for terahertz communications

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