CN107113081B - 一种统一标准正交波子分路复用无线电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线电通信和雷达技术领域，公开了一种统一标准正交波子分路复用无线电系统，用于在同一软硬件平台上，通过生成发送和接收处理统一标准正交波子分路复用基带信号，同时实现高速、可靠的多用户无线电通信，高精度、实时的多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能，包括统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件、多用户通信接收信号并行处理组件、多用户通信中继信号并行处理组件、多用户被动雷达定位并行处理组件和多目标主动雷达探测综合处理组件。本发明实现了无线电通信、无线电被动定位和主动探测功能的整合，不仅适用于车联网，物联网和传感器等，全球卫星通信定位网等民用领域，而且适用于C4ISR等军事领域。

Description

一种统一标准正交波子分路复用无线电系统
技术领域
本发明涉及无线电通信和雷达技术领域，尤其涉及一种统一标准正交波子分路复用无线电系统。
背景技术
自从电磁波被发现以来，人们不仅对它的本质存在争议，而且在其应用上也有不同的方向，如无线电通信和雷达。无线电通信技术和雷达技术从一开始就沿着各自的技术路线向前发展，从未真正意义上合二为一。
在一些对电磁环境兼容要求比较严苛，空间利用率要求较高的环境，如航空母舰的舰桥，车联网中的车辆等，通信雷达一体化的需求变得日益迫切。首先，对通信性能的要求，如数据速率、数据量、抗干扰等，迫使通信频段向传统雷达频段不断靠近，这样必然会导致高频频段日益紧张，并且可能会造成通信和雷达之间的干扰；再次，通信雷达一体化可以节约航母舰桥和汽车的宝贵空间和降低分立雷达和通信设备价格等优点；最后，数字信号处理技术和器件的高速发展，让通信雷达一体化成为可能。总而言之，如果无线电通信和雷达定位探测能够共用一个统一的信号，那么无线电通信和雷达就能够共用一个平台，那么那些亟待解决的问题，如电磁兼容，空间狭小，价格昂贵等，就能得到彻底解决。
现有的通信雷达一体化信号方案大致可以分成两类：单载波方案和多载波方案。公开号CN101447837A在单载波方案中，多用户的通信和多目标的雷达探测主要是采用码分多址或扩谱技术，如直序列扩谱技术、跳频扩谱技术和线性调频扩谱技术等；单载波方案的主要缺点是对频谱的利用率较低，抗频率色散性能低，运算量大，系统复杂等缺点。多载波方案主要在正交频率分路复用通信基础上发展起来的，在通信雷达数据处理时采用滤波器组技术或基于调制符号域的处理技术；正交频率分路复用方案的主要缺点是系统复杂，峰值平均功率比高，传输效率不高。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种统一标准正交波子分路复用无线电系统，不仅在同一软硬件平台上，通过生成发送和接收处理统一标准正交波子分路复用基带信号，同时实现高速、可靠的多用户无线电通信，高精度、实时的多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能，而且该系统具有频谱利用率和传输效率高，运算量低，体积小，结构简单等优点。
本发明从电磁波的本质出发，将电磁波的波粒二象性从微观延伸到宏观，将量子力学中的概率波包延伸到宏观的经典波子，通过标准正交波子波子多路复用技术，生成同时满足多用户、高速可靠的数据通信和多目标、高精度的雷达探测功能的统一信号；本发明采用需求驱动的设计方法，提出了一个具有高可靠性和高维护性的可配置的统一标准正交波子分路复用无线电系统；本发明不仅在数据通信上超越现有的正交频率分路复用通信雷达一体化方案，而且在雷达探测上具有超高精度和超远距离的雷达探测能力。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种统一标准正交波子分路复用无线电系统，用于在同一软硬件平台上，通过生成发送和接收处理统一标准正交波子分路复用基带信号，同时实现高速、可靠的多用户无线电通信，高精度、实时的多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能；统一标准正交波子分路复用无线电系统主要由天线阵列和射频前端和统一标准正交波子分路复用收发信机组成；统一标准正交波子分路复用收发信机包含统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件、多用户通信接收信号并行处理组件、多用户通信中继信号并行处理组件、多用户被动雷达定位并行处理组件和多目标主动雷达探测综合处理组件等。
在上述任一方案中优选的是，所述收发信机子为统一标准正交波子分路复用收发信机，所述统一标准正交波子分路复用收发信机采用CPCI总线结构，包括统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件、多用户通信接收信号并行处理组件、多用户通信中继信号并行处理组件、多用户被动雷达定位并行处理组件和多目标主动雷达探测综合处理组件。
在上述任一方案中优选的是，所述统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件，用于生成多用户无线电通信，多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能的统一标准正交波子分路复用基带信号，包括如下模块：
标准正交波子生成模块，用于生成标准正交的、能量集中的、时频局部性好的标准正交波子；
统一信号基因生成模块，用于完成有限的标准正交波子资源在多用户间的时空域最优化分配，以避免多用户之间干扰，生成统一信号基因；
数据纠错编码模块，用于完成系统状态数据和通信原始数据的信源编码和信道编码，提高通信的效率和可靠性，生成直接通信并行符号数据；
信号基因编码模块，用于完成直接通信并行符号数据和中继通信并行符号数据的信号基因编码，生成统一基因编码数据；
标准正交波子调制模块，完成统一基因编码数据的标准正交波子调制，生成统一标准正交波子分路复用基带信号。
在上述任一方案中优选的是，所述多用户通信接收信号并行处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的基带信号进行并行处理，同时接收和恢复多个源用户发送的原始数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信接收，包括如下模块：
并行接收同步模块，用于完成对接收的基带信号和多用户同步信号的并行接收同步，提取多用户通信发送数据基带信号；
标准正交波子解调模块，用于完成对多用户通信数据基带信号的标准正交波子解调，提取多用户发送的数据基因编码数据；
数据基因解码模块，用于完成对多用户发送的数据基因编码数据的数据基因解码，提取多用户发送的接收并行符号数据；
数据纠错解码模块，用于完成对多用户发送的并行符号数据的信道纠错解码和信源解码，恢复多用户发送的系统状态数据和通信原始数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信接收。
在上述任一方案中优选的是，所述多用户通信中继信号并行处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的基带信号进行并行处理，同时接收和中继转发多个前级用户发送的中继数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信中继，包括如下模块：
并行中继同步模块，用于完成对接收的基带信号和多用户同步信号的并行中继同步，提取多用户通信中继数据基带信号；
标准正交波子解调模块，用于完成对多用户通信中继数据基带信号的标准正交波子解调，提取多用户发送的数据基因编码数据；
数据基因解码模块，用于完成对多用户发送的数据基因编码数据的数据基因解码，提取多用户发送的中继并行符号数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信中继。
在上述任一方案中优选的是，所述多用户被动雷达定位并行处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的至少4路基带信号进行并行处理，同时获得多个用户的相对位置信息，完成高精度、实时的多用户被动雷达定位，包括如下模块：
多用户信号识别模块，用于完成对接收的基带信号中的多用户发射基带信号的识别，提取已识别用户的统一信号基因；
多用户发射信号再生模块，用于完成已识别用户数据基带信号的标准正交波子解调、数据基因解码、数据基因再编码和标准正交波子调制，再生成已识别用户发射的数据基带信号；
多用户伪距测量模块，用于完成对接收的至少4路基带信号与已识别多用户再生基带信号的数字相关运算，计算出已识别用户到至少4个天线的伪距；
多用户差分定位模块，用于完成对已识别用户到至少4个天线的伪距的差分运算，计算出多用户在天线坐标系中的坐标，完成高精度、实时的多用户被动雷达定位。
在上述任一方案中优选的是，所述多目标主动雷达探测综合处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的至少4路基带信号进行综合处理，同时获得多个目标的相对位置信息，完成高精度、实时的多目标主动雷达探测，包括如下模块：
多目标识别模块，主要完成对接收的至少4路基带信号与本地发射的基带信号的数字相关运算，计算出至少4个天线分别到多个目标的绝对距离；
多目标特征提取模块，主要完成对至少4个天线到多个目标的绝对距离的综合运算，计算出多目标在天线坐标系中的坐标，完成高精度、实时的多目标主动雷达探测；
在上述任一方案中优选的是，所述标准正交波子生成模块，生成一组标准正交的、能量集中的、时频局部性好的标准正交波子；该组标准正交波子是大量具有同一相干态|wj>的量子形成的系综。量子的相干态|wj>要满足以下约束条件：
其中，量子的本征态|oj>的生成可以通过求解非含时的薛定谔方程得到，约束条件如下：
其中，为普朗克常数，为拉普拉斯算子，m为量子的质量，U(r)为量子的势能，E为既不依赖于t，也不依赖于r的常数(能级)，为哈密顿算符，ψE(r)为量子态的空间分量。
在上述任一方案中优选的是，所述统一信号基因生成模块，用于对有限的标准正交波子资源在多用户间进行时空域的最优化分配，生成统一信号基因；对于分配给用户的统一信号基因都由一个同步信号基因和多个数据基因组成；同步信号基因主要用于信号的波子同步，同步精度达到一个采样间隔；数据信号基因主要用于信号的数据传输，标准正交波子的分配原则是不同用户间同一时空相互重叠的波子不能超过纠错码的纠错能力；分配给用户的信号基因要根据系统状态和环境状况动态地生成或配置。
在上述任一方案中优选的是，所述信号基因编码模块，对直接通信并行符号数据和中继通信并行符号数据进行数据基因编码，生成统一基因编码数据，约束条件如下：
其中为同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，datatrans j为直接通信并行符号数据，为直接通信数据信号基因，datadelay j为中继通信并行符号数据，为中继通信数据信号基因。
在上述任一方案中优选的是，其特征在于，标准正交波子调制模块，对统一基因编码数据进行标准正交波子调制，生成统一标准正交波子分路复用基带信号，约束条件如下：
其中syncj，m为同步基因编码数据，dataj，k为直接通信或中继通信数据基因编码数据，wj(n)为标准正交波子和Nw为标准正交波子长度；
在上述任一方案中优选的是，其特征在于，所述并行接收同步模块，对接收的基带信号和多用户同步信号的并行接收同步，提取多用户通信发送数据基带信号；并行接收同步首先获得用户的统一信号基因并根据其同步信号基因生成同步信号，然后将接收的基带信号与本地生成的用户同步信号进行数字相关，最后根据数字相关结果完成用户通信发送数据基带信号的同步提取，约束条件如下：
其中，为同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号；
在上述任一方案中优选的是，标准正交波子解调模块，对提取的用户通信发送数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取用户发送的直接通信数据基因编码数据，约束条件如下：
其中，为同步接收的用户通信数据基带信号，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度；
在上述任一方案中优选的是，所述数据基因解码模块，对多用户发送的数据基因编码数据与相应的数据基因进行按行内积运算，提取多用户发送的直接通信并行符号数据，约束条件如下：
其中dataj，k为标准正交波子解调后的数据基因编码数据和为相应的发射数据信号基因；
在上述任一方案中优选的是，所述并行中继同步模块，对接收的基带信号和多中继前级用户同步信号的并行中继同步，提取多中继前级用户中继通信数据基带信号；并行中继同步首先获得中继前级用户的统一信号基因并根据其同步信号基因生成同步信号，然后将接收的基带信号与本地生成的中继前级用户同步信号进行数字相关，最后根据数字相关结果完成中继前级用户通信中继数据基带信号的同步提取，约束条件如下：
其中，为中继前级用户同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号；
在上述任一方案中优选的是，所述标准正交波子解调模块，对提取的中继前级用户通信数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取中继前级用户发送的数据基因编码数据，约束条件如下：
其中，为中继同步接收的中继前级用户通信数据基带信号，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度；
在上述任一方案中优选的是，所述数据基因解码模块，对中继前级用户发送的数据基因编码数据与相应的中继数据基因进行按行内积运算，提取中继前级用户发送的中继并行符号数据，约束条件如下：
其中dataj，k为标准正交波子解调后的数据基因编码数据和为相应的中继数据信号基因；
在上述任一方案中优选的是，所述多用户信号识别模块，首先对接收的基带信号与一定范围内的多用户同步信号进行循环数字相关运算，然后根据数字相关结果，识别用户，并提取已识别用户的统一信号基因，约束条件如下：
其中，为mth用户的同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号，R0为判决阈值。
在上述任一方案中优选的是，多用户发射信号再生模块，首先对同步后的已识别用户数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取已识别用户发射的数据基因编码数据，然后对提取的已识别用户发送的数据基因编码数据进行数据基因解码，最后再对基因解码后的并行数据符号数据进行相应的基因编码和标准正交波子调制，再生已识别用户发送的数据信号，约束条件如下：
其中，为同步后的已识别mth用户数据基带信号，为已识别mth用户的数据信号基因，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度。
在上述任一方案中优选的是，所述多用户伪距测量模块，对至少4路天线和射频前端接收的基带信号分别于本地再生的已识别用户数据信号进行数字相关，提取已识别用户分别到至少4个天线的伪时延并进行伪距计算，约束条件如下：
其中，sr j(n)为第j路天线和射频前端接收的基带信号，st(n)为已识别用户的再生数据基带信号，R0为判决阈值，fs为采样频率和c真空中的光速。
在上述任一方案中优选的是，所述多用户差分定位模块，采用两个双曲线交会的方法，对至少4个天线到已识别目标的伪距进行已识别目标的差分定位，计算出已识别用户在天线坐标系中的坐标，约束条件如下：
其中，a1,a2,a3和a4为接收天线的坐标，和为接收天线到目标的伪矩。
在上述任一方案中优选的是，所述多目标识别模块，对至少4路天线和射频前端接收的基带信号分别于本地发射的数据信号进行数字相关，提取至少4个天线到多个目标的绝对时延并进行距离计算，约束条件如下：
其中，sr j(n)为第j路天线接收的基带信号，st(n)为本地发射的数据基带信号，R0为判决阈值，fs为采样频率和c真空中的光速。
在上述任一方案中优选的是，所述多目标特征提取模块，采用多组同心圆交会的方法，对至少4路天线到多个目标的距离矩阵进行综合解算，计算出多目标在天线坐标系中的坐标，约束条件如下：
其中，aj为第j个天线的坐标，为第j路天线到多目标的绝对距离。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明由于采用标准正交波子技术，而标准正交波子本身不仅同时具有完美的对称性，标准正交性，良好的时频域局部性和能量集中，而且可以根据不同的情况产生相应的标准正交波子；采用标准正交波子分路复用技术，对有限的标准正交波子资源在多用户间进行时空域最优化分配，这样统一标准正交波子分路复用无线电系统不仅能够同时满足高速、可靠的多用户无线电通信，高精度、实时的多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能，而且可配置的统一标准正交波子分路复用无线电系统可以根据不同的场景进行自适应配置；
第二，由于在系统的接收信号处理中采用了向量内积和数字相关技术，算法更简单，运算量更小，能耗更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为按照本发明的统一标准正交波子分路复用收发信机的一优选实施例的结构图；
图2为按照本发明的统一标准正交波子分路复用收发信机的一实施例的信号流程图；
图3为按照本发明的统一标准正交波子分路复用信号的一实施例的基因组成图；
图4为按照本发明的标准正交波子调制和解调实施例的示意图；
图5为按照本发明的统一标准正交波子分路复用无线电系统的测距精度-采样频率关系图；
图6为按照本发明的统一标准正交波子分路复用无线电系统的通信仿真结果；
图7为按照本发明的统一标准正交波子分路复用无线电系统的一实施例的多目标雷达探测仿真结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图中示出了按照本发明的统一标准正交波子分路复用无线电系统的实施例，用于在同一软硬件平台上，通过生成发送和接收处理统一标准正交波子分路复用基带信号，通过生成发送和接收处理统一标准正交波子分路复用基带信号，同时实现高速、可靠的多用户无线电通信，高精度、实时的多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能，统一标准正交波子分路复用收发信机采用具有可热插拔、高开放性和高可靠性的CompactPCI总线结构，主要包括统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件、多用户通信接收信号并行处理组件、多用户通信中继信号并行处理组件、多用户被动雷达定位并行处理组件和多目标主动雷达探测综合处理组件，如图1所示，该统一标准正交波子分路复用无线电系统实施例，包括天线阵列、射频前端系统和收发信机系统，所述收发信机为统一标准正交波子分路复用收发信机；所述统一标准正交波子分路复用收发信机采用CPCI总线结构，包括统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件、多用户通信接收信号并行处理组件、多用户通信中继信号并行处理组件、多用户被动雷达定位并行处理组件和多目标主动雷达探测综合处理组件。
统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件，用于生成满足多用户无线电通信、多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能的统一标准正交波子分路复用基带信号，包括如下模块：
标准正交波子生成模块，用于生成标准正交的、能量对称集中的、时频局部性好的标准正交波子；
统一信号基因生成模块，用于完成有限的标准正交波子资源在多用户间的时空域最优化分配，以避免多用户之间干扰，生成统一信号基因；
数据纠错编码模块，用于完成系统状态数据和通信原始数据的信源编码和信道编码，提高通信的效率和可靠性，生成直接通信并行符号数据；
信号基因编码模块，用于完成直接通信并行符号数据和中继通信并行符号数据的信号基因编码，生成统一基因编码数据；
标准正交波子调制模块，完成统一基因编码数据的标准正交波子调制，生成统一标准正交波子分路复用基带信号。
统一标准正交波子分路复用收发信机的信号处理采用模块化流程设计，主要包括统一标准正交波子分路复用基带信号生成单元、多用户通信接收信号并行处理单元、多用户通信中继信号并行处理单元、多用户被动雷达定位并行处理单元和多目标主动雷达探测综合处理单元,如图2所示，所述系统信号处理流程包括如下：
统一标准正交波子分路复用基带信号生成单元生成既满足高速、可靠的多用户无线电通信，又满足高精度、实时的多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能的统一标准正交波子分路复用基带信号，由标准正交波子生成模块、统一信号基因生成模块、数据纠错编码模块、信号基因编码模块和标准正交波子调制模块组成；
标准正交波子生成模块，生成一组标准正交的、能量集中的、时频局部性好的标准正交波子；该组标准正交波子是大量具有同一相干态|wj>的量子形成的系综。量子的相干态|wj>要满足以下约束条件：
其中，量子的本征态|oj>的生成可以通过求解非含时的薛定谔方程得到，约束条件如下：
其中，为普朗克常数，为拉普拉斯算子，m为量子的质量，U(r)为量子的势能，E为既不依赖于t，也不依赖于r的常数(能级)，为哈密顿算符，ψE(r)为量子态的空间分量。
统一信号基因生成模块，对有限的标准正交波子资源在多用户间进行时空域的最优化分配，生成统一信号基因；对于分配给用户的统一信号基因都由一个同步信号基因和多个数据基因组成，如图3所示；同步信号基因主要用于信号的波子同步，同步精度达到一个采样间隔；数据信号基因主要用于信号的数据传输，标准正交波子的分配原则是不同用户间同一时空相互重叠的波子不能超过纠错码的纠错能力；分配给用户的信号基因要根据系统状态(如用户数量，数据速率和容量等)和环境状况(如多径效应等)动态地生成或配置。
信号基因编码模块，对发送并行符号数据和中继并行符号数据进行信号基因编码，生成统一基因编码数据，约束条件如下：
其中为同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，datatrans j为发射并行符号数据，为发射数据信号基因，datadelay j为中继并行符号数据，为中继数据信号基因。
标准正交波子调制模块，对统一基因编码数据进行标准正交波子调制，生成统一标准正交波子分路复用基带信号，如图4所示，约束条件如下：
其中syncj，m为同步基因编码数据，dataj，k为发射或中继基因编码数据，wj(n)为标准正交波子和Nw为标准正交波子长度。
多用户通信接收信号并行处理单元对天线阵列和射频前端接收并预处理的基带信号进行并行处理，同时接收和恢复多个源用户发送的原始数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信接收，由并行接收同步模块、标准正交波子解调模块、数据基因解码模块和数据纠错解码模块组成。
并行接收同步模块，对接收的基带信号和多用户同步信号的并行接收同步，提取多用户通信数据基带信号；并行接收同步首先获得用户的统一信号基因并根据其同步信号基因生成同步信号，然后将接收的基带信号与本地生成的用户同步信号进行数字相关，最后根据数字相关结果完成用户通信数据基带信号的同步提取，约束条件如下：
其中，为同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号。
标准正交波子解调模块，对提取的用户通信数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取用户发送的数据基因编码数据，如图4所示，约束条件如下：
其中，为同步接收的用户通信数据基带信号，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度。
数据基因解码模块，对多用户发送的数据基因编码数据与相应的数据基因进行按行内积运算，提取多用户发送的接收并行符号数据，约束条件如下：
其中dataj，k为标准正交波子解调后的数据基因编码数据和为相应的发射数据信号基因。
多用户通信中继信号并行处理组件对天线阵列和射频前端接收并预处理的基带信号进行并行处理，同时接收和中继转发多个前级用户发送的中继数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信中继，由并行中继同步模块、标准正交波子解调模块和数据基因解码模块组成。
并行中继同步模块，对接收的基带信号和多中继前级用户同步信号的并行中继同步，提取多中继前级用户通信数据基带信号；并行中继同步首先获得中继前级用户的统一信号基因并根据其同步信号基因生成同步信号，然后将接收的基带信号与本地生成的中继前级用户同步信号进行数字相关，最后根据数字相关结果完成中继前级用户通信数据基带信号的同步提取，约束条件如下：
其中，为中继前级用户同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号。
标准正交波子解调模块，对提取的中继前级用户通信数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取中继前级用户发送的数据基因编码数据，约束条件如下：
其中，为中继同步接收的中继前级用户通信数据基带信号，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度。
数据基因解码模块，对中继前级用户发送的数据基因编码数据与相应的中继数据基因进行按行内积运算，提取中继前级用户发送的中继并行符号数据，约束条件如下：
其中dataj，k为标准正交波子解调后的数据基因编码数据和为相应的中继数据信号基因。
多用户被动雷达定位并行处理单元对天线阵列和射频前端接收并预处理的至少4路基带信号进行并行处理，同时获得多个用户的相对位置信息，完成高精度、实时的多用户被动雷达定位，由多用户信号识别模块、多用户发射信号再生模块、多用户伪距测量模块和多用户差分定位模块组成。
多用户信号识别模块，首先对接收的基带信号与一定范围内的多用户同步信号进行循环数字相关运算，然后根据数字相关结果，识别用户，并提取已识别用户的统一信号基因，约束条件如下：
其中，为mth用户的同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号，R0为判决阈值。
多用户发射信号再生模块，首先对同步后的已识别用户数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取已识别用户发射的数据基因编码数据，然后对提取的已识别用户发送的数据基因编码数据进行数据基因解码，最后再对基因解码后的并行数据符号数据进行相应的基因编码和标准正交波子调制，再生已识别用户发送的数据信号，约束条件如下：
其中，为同步后的已识别mth用户数据基带信号，为已识别mth用户的数据信号基因，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度。
多用户伪距测量模块，对多至少4路天线和射频前端接收的基带信号分别于本地再生的已识别用户数据信号进行数字相关，提取已识别用户分别到至少4个天线的伪时延并进行伪距计算，约束条件如下：
其中，sr j(n)为第j路天线和射频前端接收的基带信号，st(n)为已识别用户的再生数据基带信号，R0为判决阈值，fs为采样频率和c真空中的光速。
多用户差分定位模块，采用两个双曲线交会的方法，对至少4个天线到已识别目标的伪距进行已识别目标的差分定位，计算出已识别用户在天线坐标系中的坐标，约束条件如下：
其中，a1,a2,a3和a4为接收天线的坐标，和为接收天线到目标的伪距。
多目标主动雷达探测综合处理单元对天线阵列和射频前端接收并预处理的至少4路基带信号进行综合处理，同时获得多个目标的相对位置信息，完成高精度、实时的多目标主动雷达探测，由多目标识别模块和多目标特征提取模块组成。
多目标识别模块，对多路天线和射频前端接收的基带信号分别于本地发射的数据信号进行数字相关，提取至少4个天线到多个目标的绝对时延并进行距离计算，约束条件如下：
其中，sr j(n)为第j路天线接收的基带信号，st(n)为本地发射的数据基带信号，R0为判决阈值，fs为采样频率和c真空中的光速。
多目标特征提取模块，采用多组同心圆交会的方法，对至少4路天线到多个目标的距离矩阵进行综合解算，计算出多目标在天线坐标系中的坐标，约束条件如下：
其中，aj为第j个天线的坐标，为第j路天线到多目标的绝对距离。
本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：
1、仿真条件：
本仿真实验中设定采用正交波子数为32，波子的长度为32；信号编码采用16QAM；同步子信号长度64，数据子信号的每符号长度为1024；基带采样频率为1GHz；信道采用高斯信道。
2、仿真内容：
车辆A与距离78.1米的车辆B进行通信，同时对同方向的距离78.2米，3米和3.2米的障碍物进行测距。
3、仿真结果分析：
从图5可以看出，本发明方法所设计的通信雷达的测距精度与系统的采样频率成反比，系统采样率越高，测距精度高，例如当采样率为1GHz时，此时测距精度达0.15米。
从图6可以看出，当信号的EbN0大于12时，系统无误码，可以实现可靠的通信。
从图7可以看出，在完成多用户、高速可靠通信的同时，可以实现对多目标的高精度的雷达探测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限与此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种统一标准正交波子分路复用无线电系统，包括天线阵列、射频前端系统和收发信机系统，其特征在于：所述收发信机为统一标准正交波子分路复用收发信机；所述统一标准正交波子分路复用收发信机采用CPCI总线结构，包括统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件，还包括多用户通信接收信号并行处理组件、多用户通信中继信号并行处理组件、多用户被动雷达定位并行处理组件和多目标主动雷达探测综合处理组件中；所述统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件，用于生成满足多用户无线电通信、多用户被动雷达定位和多目标主动雷达探测功能的统一标准正交波子分路复用基带信号。
2.如权利要求1所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述统一标准正交波子分路复用基带信号生成组件包括如下模块：
标准正交波子生成模块，用于生成标准正交的、能量对称集中的、时频局部性好的标准正交波子；
统一信号基因生成模块，用于完成有限的标准正交波子资源在多用户间的时空域最优化分配，以避免多用户之间干扰，生成统一信号基因；
数据纠错编码模块，用于完成系统状态数据和通信原始数据的信源编码和信道编码，提高通信的效率和可靠性，生成直接通信并行符号数据；
信号基因编码模块，用于完成直接通信并行符号数据和中继通信并行符号数据的信号基因编码，生成统一基因编码数据；
标准正交波子调制模块，完成统一基因编码数据的标准正交波子调制，生成统一标准正交波子分路复用基带信号。
3.如权利要求1所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多用户通信接收信号并行处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的基带信号进行并行处理，同时接收和恢复多个源用户发送的原始数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信接收，包括如下模块：
并行接收同步模块，用于完成对接收的基带信号和多用户同步信号的并行接收同步，提取多用户通信发送数据基带信号；
标准正交波子解调模块，用于完成对多用户通信数据基带信号的标准正交波子解调，提取多用户发送的数据基因编码数据；
数据基因解码模块，用于完成对多用户发送的数据基因编码数据的数据基因解码，提取多用户发送的接收并行符号数据；
数据纠错解码模块，用于完成对多用户发送的并行符号数据的信道纠错解码和信源解码，恢复多用户发送的系统状态数据和通信原始数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信并行接收。
4.如权利要求1所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多用户通信中继信号并行处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的基带信号进行并行处理，同时接收和中继转发多个前级用户发送的中继数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信中继，包括如下模块：
并行中继同步模块，用于完成对接收的基带信号和多用户同步信号的并行中继同步，提取多用户通信中继数据基带信号；
标准正交波子解调模块，用于完成对多用户通信中继数据基带信号的标准正交波子解调，提取多用户发送的数据基因编码数据；
数据基因解码模块，用于完成对多用户发送的数据基因编码数据的数据基因解码，提取多用户发送的中继并行符号数据，完成高速、可靠的多用户无线电通信并行中继。
5.如权利要求1所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多用户被动雷达定位并行处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的至少4路基带信号进行并行处理，同时获得多个用户的相对位置信息，完成高精度、实时的多用户被动雷达定位，包括如下模块：
多用户信号识别模块，用于完成对接收的基带信号中的多用户发射基带信号的识别，提取已识别用户的统一信号基因；
多用户发射信号再生模块，用于完成已识别用户数据基带信号的标准正交波子解调、数据基因解码、数据基因再编码和标准正交波子调制，再生成已识别用户发射的数据基带信号；
多用户伪距测量模块，用于完成对接收的至少4路基带信号与已识别多用户再生基带信号的数字相关运算，计算出已识别用户到至少4个天线的伪距；
多用户差分定位模块，用于完成对已识别用户到至少4个天线的伪距的差分运算，计算出多用户在天线坐标系中的坐标，完成高精度、实时的多用户被动雷达并行定位。
6.如权利要求1所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多目标主动雷达探测综合处理组件，用于对天线阵列和射频前端接收并预处理的至少4路基带信号进行综合处理，同时获得多个目标的相对位置信息，完成高精度、实时的多目标主动雷达探测，包括如下模块：
多目标识别模块，主要完成对接收的至少4路基带信号与本地发射的基带信号的数字相关运算，计算出至少4个天线分别到多个目标的绝对距离；
多目标特征提取模块，主要完成对至少4个天线到多个目标的绝对距离的综合运算，计算出多目标在天线坐标系中的坐标，完成高精度、实时的多目标主动雷达综合探测。
7.根据权利要求2所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述标准正交波子生成模块，生成一组标准正交的、能量集中的、时频局部性好的标准正交波子；该组标准正交波子是大量具有同一相干态|wj>的量子形成的系综；量子的相干态|wj>要满足以下约束条件：
其中，wk(n)和|wj>是等同变量，Ckj是满足公式∑j|Ckj|2＝1的实数，oj(n)和|oj〉是等同变量，量子的本征态|oj〉的生成可以通过求解非含时的薛定谔方程得到，约束条件如下：
其中，为普朗克常数，为拉普拉斯算子，m为量子的质量，U(r)为量子的势能，E为既不依赖于t，也不依赖于r的能级常数，为哈密顿算符，ψE(r)为量子态的空间分量。
8.根据权利要求2所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述统一信号基因生成模块，用于对有限的标准正交波子资源在多用户间进行时空域的最优化分配，生成统一信号基因；分配给用户的统一信号基因都由一个同步信号基因和多个数据基因组成；同步信号基因主要用于信号的波子同步，同步精度达到一个采样间隔；数据信号基因主要用于信号的数据传输，标准正交波子的分配原则是不同用户间同一时空相互重叠的波子不能超过纠错码的纠错能力；分配给用户的信号基因要根据系统状态和环境状况动态地生成或配置。
9.根据权利要求2所述的一种统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述信号基因编码模块，对直接通信并行符号数据和中继通信并行符号数据进行数据基因编码，生成统一基因编码数据，约束条件如下：
其中，为同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，datatrans j为直接通信并行符号数据，为直接通信数据信号基因，datadelay j为中继通信并行符号数据，为中继通信数据信号基因，syncj，m和datatrans j,k、datadelay j,k是统一基因编码数据；k是datatrans j,k矩阵的一个列标。
10.根据权利要求2所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，标准正交波子调制模块，对统一基因编码数据进行标准正交波子调制，生成统一标准正交波子分路复用基带信号，约束条件如下：
其中syncj，m为同步基因编码数据，dataj，k为直接通信或中继通信数据基因编码数据，wj(n)为标准正交波子和Nw为标准正交波子长度，Ssync(n)和Sdata(n)都是统一标准正交波子分路复用基带信号，m是矩阵syncj，m的一个列标。
11.根据权利要求3所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述并行接收同步模块，对接收的基带信号和多用户同步信号的并行接收同步，提取多用户通信发送数据基带信号；并行接收同步首先获得用户的统一信号基因并根据其同步信号基因生成同步信号，然后将接收的基带信号与本地生成的用户同步信号进行数字相关，最后根据数字相关结果完成用户通信发送数据基带信号的同步提取，约束条件如下：
其中，为同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号，R(k)是数字相关结果，Ssync(n)是统一标准正交波子分路复用基带信号。
12.根据权利要求3所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，标准正交波子解调模块，对提取的用户通信发送数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取用户发送的直接通信数据基因编码数据，约束条件如下：
其中，为同步接收的用户通信数据基带信号，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度，dataj，k是直接通信数据基因编码数据。
13.根据权利要求3所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述数据基因解码模块，对多用户发送的直接通信数据基因编码数据与相应的数据基因进行按行内积运算，提取多用户发送的直接通信并行符号数据，约束条件如下：
其中dataj，k为标准正交波子解调后的直接通信数据基因编码数据和为相应的直接通信数据信号基因，datatrans′ j为直接通信并行符号数据。
14.根据权利要求4所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述并行中继同步模块，对接收的基带信号和多中继前级用户同步信号的并行中继同步，提取多中继前级用户中继通信数据基带信号；并行中继同步首先获得中继前级用户的统一信号基因并根据其同步信号基因生成同步信号，然后将接收的基带信号与本地生成的中继前级用户同步信号进行数字相关，最后根据数字相关结果完成中继前级用户通信中继数据基带信号的同步提取，约束条件如下：
其中，为中继前级用户同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号，Ssync(n)是统一标准正交波子分路复用基带信号。
15.根据权利要求4所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述标准正交波子解调模块，对提取的中继前级用户通信数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取中继前级用户发送的数据基因编码数据，约束条件如下：
其中，为中继同步接收的中继前级用户通信数据基带信号，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度。
16.根据权利要求4所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述数据基因解码模块，对中继前级用户发送的数据基因编码数据与相应的中继数据基因进行按行内积运算，提取中继前级用户发送的中继并行符号数据，约束条件如下：
其中dataj，k为标准正交波子解调后的数据基因编码数据和为相应的中继数据信号基因。
17.根据权利要求5所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多用户信号识别模块，首先对接收的基带信号与一定范围内的多用户同步信号进行循环数字相关运算，然后根据数字相关结果，识别用户，并提取已识别用户的统一信号基因，约束条件如下：
其中，Rm(k)为数字相关结果，为第m个用户的同步信号基因，M为同步信号基因中标准正交波子个数，α为同步信号幅度因子，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度,sr(n)为接收的基带信号，R0为判决阈值，Ssync m(n)是第m个用户的统一标准正交波子分路复用基带信号。
18.根据权利要求5所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，多用户发射信号再生模块，首先对同步后的已识别用户数据基带信号与标准正交波子进行内积运算，提取已识别用户发射的数据基因编码数据，然后对提取的已识别用户发送的数据基因编码数据进行数据基因解码，最后再对基因解码后的并行数据符号数据进行相应的基因编码和标准正交波子调制，再生已识别用户发送的数据信号，约束条件如下：
其中，dataj，k m用户发送的数据基因编码数据；dj m是并行数据符号数据；st m(n)是已识别用户发送的数据信号，为同步后的已识别第m个用户的数据基带信号，为已识别第m个用户的数据信号基因，wj(n)为标准正交波子，Nw为标准正交波子长度。
19.根据权利要求5所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多用户伪距测量模块，对至少4路天线和射频前端接收的基带信号分别于本地再生的已识别用户数据信号进行数字相关，提取已识别用户分别到至少4个天线的伪时延并进行伪距计算，约束条件如下：
其中，Rj(k)是数字相关的结果；ki是第i个时延，ki j是提取的伪时延，fs为采样频率，c真空中的光速，sr j(n)为第j路天线和射频前端接收的基带信号，st(n)为已识别用户的再生数据基带信号，R0为判决阈值，fs为采样频率和c真空中的光速。
20.根据权利要求5所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多用户差分定位模块，采用两个双曲线交会的方法，对至少4个天线到已识别目标的伪距进行已识别目标的差分定位，计算出已识别用户在天线坐标系中的坐标，约束条件如下：
其中，a1,a2,a3和a4为接收天线的坐标，和为接收天线到目标的伪距。
21.根据权利要求6所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多目标识别模块，对至少4路天线和射频前端接收的基带信号分别于本地发射的数据信号进行数字相关，提取至少4个天线到多个目标的绝对时延并进行距离计算，约束条件如下：
其中，sr j(n)为第j路天线接收的基带信号，st(n)为本地发射的数据基带信号，R0为判决阈值，fs为采样频率和c真空中的光速，km j是第j个天线到第m个目标的绝对时延，m表示第几个目标，M为同步信号基因中标准正交波子个数,km代表第m个目标的时延。
22.根据权利要求6所述的统一标准正交波子分路复用无线电系统，其特征在于，所述多目标特征提取模块，采用多组同心圆交会的方法，对至少4路天线到多个目标的距离矩阵进行综合解算，计算出多目标在天线坐标系中的坐标，约束条件如下：
其中，aj为第j个天线的坐标，为第j路天线到多目标的绝对距离，m表示第几个目标，M为同步信号基因中标准正交波子个数，j＝1,2,3,4。
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