CN107728110A - 一种基于lfm信号相位/调频率调制的共享信号设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LFM信号相位/调频率调制的共享信号设计方法。在相位调制的共享信号设计方法中，基于随机设置的幅度参数和相位参数得到相位扰动函数，进而构建共享信号的扰动项，基于扰动项和基准LFM信号参数生成共享信号，若不满足第一设计准则，则调整生成相位扰动函数的参数重新设计，直到满足；在调频率调制的共享信号设计方法中，基于(0,0.5]之间的随机数，将基于基准LFM信号的调频斜率构成的区间等间隔划分，并计算对应的调频率调制参数来构建共享信号的扰动项，基于扰动项和基准LFM信号参数生成共享信号，若不满足第二设计准则，则调整生成相位扰动函数的参数重新设计，直到满足。本发明设计出的信号的自相关、互相关特性良好，解调效率高。

Description

一种基于LFM信号相位/调频率调制的共享信号设计方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，涉及基于LFM信号相位/调频率调制的探通一体化共享信号设计方法。
背景技术
探通一体化是指通过共享信号、信道、天线等硬件或软件资源，同时实现雷达探测与数据通信的功能，其相较于传统的功能叠加体制，具有资源集约化和功能互补等优点，已成为电子信息领域的研究热点。
同时体制是当前探通一体化的主要工作体制之一，其通过发射共享信号以同时实现雷达探测和数据通信，该技术的关键在于共享发射信号设计和接收信号处理。目前探通一体化共享信号设计的研究主要基于以下两类：
一是基于典型通信信号，在实现高效通信的同时，通过特定信号处理方法完成雷达探测。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号具有良好的频谱利用率、抗衰落和抗码间干扰等优点，已在无线通信领域得到大量应用，同时具备简单的测距和测角等能力。但由于OFDM技术本身的高峰均功率比(Peak to AveragePower Ratio，PAPR)和多普勒频移敏感性等问题，限制了其对远距离和高速目标的探测能力。
二是基于常见雷达发射信号，将通信信息按照一定的调制方式嵌入，形成探测与通信共享的发射信号。线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号是一种常用的雷达发射信号，基于此的共享信号设计可以满足雷达测距、测速和低速通信等需求，是探通一体化信号设计的主要发展方向。李晓柏等在“基于Chirp信号的雷达通信一体化研究”中采用同调频率不同初始频率Chirp信号，信号序列作为一体化信号，在接收端通过分数阶傅里叶变换(FRFT)，根据能量聚集的不同位置进行解调。该方法在通信接收机中仅涉及分数阶傅里叶变换，没有类似脉冲压缩技术的能量积累过程，故对信号的信噪比要求较高；另外，由于雷达接收机带宽的限制，其设计的信号数很有限，进而降低了其传输比特率。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于LFM信号相位/调频率调制的探通一体化共享信号设计方法。
本发明的基于LFM信号相位调制的共享信号设计方法，包括如下步骤：
(1)根据雷达发射机的工作参数，确定基准LFM信号为s0(t)＝exp(j2π(f0t+μt2/2))，0≤t≤T，其中t表示时间，T表示基准LFM信号脉宽，j为虚数单位，f0为线性调频信号的载频，μ为调频斜率；
(2)随机产生至少1个幅度参数amn和相位参数θmn，其中amn,θmn∈[0,2π)，m为共享信号区分符，n为参数区分符，将用共享信号个数记为Mphase，参数个数记为N；
在基准LFM信号带宽范围内预置的子频带[B1,B2]，并计算扰动项频率参数ωmn＝B1+(mN-m+n)ΔB，其中
基于同一共享信号的所有扰动项频率参数ωmn计算相位扰动函数其中t表示时间，且0≤t≤T；
基于相位扰动函数φm(t)得到共享信号m的扰动项am(t)＝exp[jφm(t)]；
(3)构建共享信号sm(t)＝am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2))，并计算每个共享信号的APSL和任意两个共享信号(包括每个共享信号自身之间)的CPSL，其中APSL表示最小化自相关峰值旁瓣电平，CPSL表示最小化互相关峰值旁瓣电平；
(4)判断所有信号的APSL和CPSL是否满足第一设计准则，若否，则调整参数个数N和扰动频率参数ωmn重新设计Mphase个共享信号sm(t)，直到所有信号的APSL和CPSL满足第一设计准则；若是，则得到Mphase个共享信号构成的信号库，其中第一设计准则为：且 为预设门限。
进一步的，在设计共享信号sm(t)时，将基准LFM信号带宽范围均分为多个子频带，顺次遍历各子频带所对应的扰动项频率参数ωmn，直到得到满足第一设计准则的Mphase个共享信号sm(t)。
本发明的基于LFM信号调频率调制的共享信号设计方法，包括如下步骤：
(1)根据雷达发射机的工作参数，确定基准LFM信号s0(t)＝exp(j2π(f0t+μt2/2))，0≤t≤T；
(2)选择α，并等间隔划分区间[-αμ,αμ]，则第m个信号的调频率调制参数γm＝(m-1)Δγ-αμ，其中
基于调频率调制参数γm计算相位扰动函数其中t表示时间，且0≤t≤T；
基于相位扰动函数φm(t)得到共享信号m的扰动项am(t)＝exp[jφm(t)]；
(3)构建共享信号sm(t)＝am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2))，并计算任意两个信号的CPSL；
(4)判断所有信号的CPSL是否满足第二设计准则，若否，则调整参数α重新设计Mphase个共享信号sm(t)，直到所有信号的CPSL满足第二设计准则；若是，则得到Mphase个共享信号构成的信号库，其中第二设计准则为： 为预设门限。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：相较于基于分数阶傅里叶变换的通信数据解调方法，本发明信号处理方法是基于原雷达信号处理方式的拓展，由匹配滤波器实现通信信号能量的积累与噪声的抑制，避免了复杂的计算，大幅降低了通信信息解调信噪比(SNR)的要求，同时具有更高的解调效率。另外，基于相位调制的共享信号设计方法，没有设计信号个数的限制，在保证一定通信性能的前提，其可设计较多组数的波形，从而提高了传输比特率。
附图说明
图1为探通一体化系统架构图；
图2为基于LFM相位调制的共享信号设计过程图；
图3为基于LFM调频率调制的共享信号设计过程图；
图4为雷达信号处理框图；
图5为通信信号处理框图；
图6为归一化APSL随子扰动函数个数N的变化曲线；
图7为归一化CPSL随子扰动函数个数N的变化曲线；
图8为归一化CPSL随参数α的变化曲线；
图9为相位调制共享信号目标探测处理结果，其中9-a为：匹配滤波输出；9-a为：距离-速度平面；9-a为：速度切面；
图10为调频率调制共享信号目标探测处理结果，其中10-a为：匹配滤波输出；10-a为：距离-速度平面；10-a为：速度切面；
图11为误码率随信噪比的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，探通一体化的总体工作流程为，首先建立共享信号库，其包含M＝2P个不同的共享信号，每个共享信号sm(t),m＝1,…,M相应映射为一个长度为P的二进制信息，以此实现通信信息的调制；在雷达发射端，首先将所需传递的数据串按一组P个二进制符号进行分组截断，然后根据每组数据在信号库中选择相应的发射信号sm(t)并发射。其中，若雷达发射共享信号的脉冲重复间隔PRT为Tr，则此时通信传输比特率为Rb＝P/Tr；在雷达接收端，每个sm(t)经目标反射后的回波信号由雷达接收机接收，经适当的雷达信号处理后可得到目标距离及速度信息，以此实现目标的探测；在通信设备接收端，通信接收机接收到雷达发射的通信信号后进行相应的通信信号处理，以此完成通信信息的解调，实现通信信息的传递。
共享信号设计处理：
若在雷达接收端采用匹配滤波器接收，则可完成雷达对目标的探测，但过高的发射信号自相关旁瓣会影响目标的正确检测；若在通信接收端用与信号库中各发射信号相匹配的滤波器组接收，通过定量分析各滤波器的输出信号能量，可判断雷达发射的具体共享信号，从而解调其相应的二进制信息。然而，过高的互相关旁瓣电平，会影响输出信号能量的检测。故为保证信号库中共享信号的探测与通信能力，考虑两个设计准则：(1)最小化自相关峰值旁瓣电平(auto-correlation peak side-lobe level,APSL)，以保证雷达探测性能；(2)最小化互相关峰值旁瓣电平(cross-correlation peak side-lobe level,CPSL)，以有效解调通信信息。
(1)相位调制共享信号设计：
在基准LFM信号上附加一个扰动相位来实现相位调制，则其第m个LFM相位调制共享信号表述如下：
sm(t)＝am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤Tm,m＝0,1,…,Mphase-1,
其中f0为线性调频信号的载频，μ为调频率，Tm为第m个共享信号的脉冲持续时间，即等于基准LFM信号脉宽T，am(t)＝exp[jφm(t)]为扰动项，φm(t)是相应的相位扰动函数，为如下调谐的正弦信号之和，即其中N∈[1,100]为正整数，表示子扰动项函数的个数，幅度参数amn和相位参数θmn均在[0,2π)内随机选取；ωmn为扰动项频率参数，可在子频带[B1,B2]∈[0,B]中等间隔取值，其中，B表示基准LFM信号带宽。因此，设计相位调制的共享信号，等价于设计参数N和ωmn的值。
若以且为优化准则，其中为预设门限，则相位调制共享信号的具体设计步骤如图2所示，描述为：
(1)根据雷达发射机的工作参数，确定基准LFM信号为s0(t)＝exp(j2π(f0t+μt2/2))，0≤t≤T；
(2)随机产生amn,θmn，选定参数N和子频带[B1,B2]，则ωmn＝B1+(mN-m+n)ΔB，其中
(3)基于该组参数建立大小为Mphase的信号库，并计算其每个信号的APSL和任意两个信号的CPSL；
(4)若满足且则输出信号库，否则调整参数N和ωmn重新设计，直到满足设计准则。
(2)调频率调制共享信号设计：
与相位调制类似，调频率调制是通过在基准LFM信号上附加一个扰动的调频斜率从而实现调频率调制的，故第m个基于调频率调制的LFM共享信号可表述为：
sm(t)＝am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤Tm,m＝1,2,…,Mslope,
其中扰动项 是由于调频率调制形成的附加扰动相位，表示为
扰动之后的信号仍为LFM信号，但调频斜率从μ调制为μ+γm，其中γm为调频率调制参数，其可在以原调频斜率μ为中心的一定子集[-αμ,αμ]内等间隔取值。为确保设计信号的合理性，首先需考虑(1)参数α满足0＜α≤0.5；(2)保证Tm(μ+γm)＝B为常数。仍考虑最小化APSL和最小化CPSL，对固定的信号个数和预设门限参见图3，基于LFM调频率调制的共享信号设计步骤如下：
(1)根据雷达发射机的工作参数，确定基准LFM信号s0(t)＝exp(j2π(f0t+μt2/2))，0≤t≤T；
(2)选择α，并等间隔划分区间[-αμ,αμ]，则第m个信号的调频率调制参数γm＝(m-1)Δγ-αμ，其中
(3)基于该组γm建立大小为Mslope的信号库，并计算任意两个信号的CPSL；
(4)若满足则输出该组共享信号，否则调整参数α重新设计，直到满足设计准则，其中为预设门限。
本具体实施方式中，对本发明设计方法得到的共享信号的接收信号处理包括雷达信号处理和通信信号处理，其分别为：
(1)雷达信号处理。
以LFM相位调制共享信号为例，雷达发射端在每个脉冲重复周期(PRT)内发射一个共享信号sm(t)，其既可用来目标探测，亦可传递通信信息。雷达信号处理框图如图4所示，先对一个相干处理间隔(CPI)内的M个脉冲在其相应PRT内进行匹配滤波并采样，然后在慢时域进行动目标检测(Moving Target Detection,MTD)处理，最后输出信号处理后的距离-多普勒平面，从而获得目标的距离和速度信息。
(2)通信信号处理。
考虑AWGN信道，则通信信号处理流程如图5所示。首先用一组匹配滤波器对接收信号进行处理，其中滤波器为共享信号sm(t)相应的匹配滤波器，由于所设计的信号有好的互相关特性，每个sm(t)仅在其对应hm(t)的输出端有较高的目标尖峰，其余输出皆失配。因此，通过对输出信号的能量检测，选择输出能量最大的hm(t)所对应sm(t)作为原始发射信号，再根据映射关系解调通信信息，以此实现通信信息的传输。
本发明的效果可以通过以下仿真实施例进一步说明：
仿真1
(1)相位调制的共享信号参数选取：基准LFM信号脉宽T＝5μs，带宽B＝200MHz，角频率参数ωmn取值范围[B1,B2]分别取以下5组值：[0,40]MHz、[40,80]MHz、[80,120]MHz、[120,160]MHz及[160,200]MHz；信号个数Mphase＝64；Monte Carlo模拟次数为2000次。
图6描述了各组[B1,B2]取值下信号的归一化APSL与子扰动函数个数N的关系。可以看出，对任意一组[B1,B2]值，归一化APSL随着N的增大均呈现下降趋势；对固定的N，子频带[B1,B2]起始频率越高，归一化APSL值越低。
图7描述了信号s1(t)和s2(t)的归一化互相关峰值电平(以s1(t)自相关峰值为基准归一化)与子扰动项函数的个数N的关系。类似地，对任意一组[B1,B2]值，归一化CPSL随N的增大均呈现下降趋势；对固定的N，起始频率较高的子频带[B1,B2]能实现更低的归一化CPSL。综上，对该基准LFM信号和待设计信号数Mphase，若设优化门限本发明考虑取N＝90，子频带[B1,B2]＝[160,200]。
(2)调频率调制的共享信号参数选取：基于上述基准LFM信号，取Mslope＝8；则不同α下信号s1(t)和s2(t)的归一化互相关峰值电平(以s1(t)自相关峰值为基准归一化)如图8所示。由此可知，随着参数α的增大，归一化CPSL也逐渐减小。若以为优化门限，本发明取α＝0.5。
仿真2：雷达探测性能分析：
针对两种共享信号，分别取Mphase＝64、Mslope＝8，并考虑对一个CPI内的16个PRT信号进行MTD处理，其中雷达信号的PRT＝100μs。设速度v＝21m/s(相应归一化多普勒频率fd＝2v/(λ·PRF)＝0.035)的目标位于0.375km处，信噪比为10dB，且仅考虑白噪声对雷达探测的影响。图9、10分别描述了相位调制和调频率调制共享信号的雷达信号处理结果，可知两种设计信号都能有效检测出目标的位置和速度。
仿真3：通信性能分析：
基于以上信号库，则对于Mphase＝64的相位调制共享信号传输比特率为Rb＝60kb/s；对于Mslope＝8的调频率调制共享信号传输比特率为Rb＝30kb/s。作为对比，考虑基于分数阶傅里叶变换解调方式的同调频率不同初始频率的共享信号，设Mfre＝8，Rb＝30kb/s。三者均属于低速通信，其中相位调制共享信号可实现相对较高的通信速率。
仅考虑噪声的影响，若以10000次Monte Carlo试验的误码率(BER)为指标评价共享信号的通信性能，图11描述了BER随SNR的变化曲线，可看出，两种共享信号均能在低SNR下实现较低的误码率(约3×10-4)，且远低于同调频率不同初始频率的共享信号所能实现的BER(约1.8×10-2)。对于相位调制设计，可实现大的Mphase，但解调误差会增大，若Mphase＝Mslope，则两设计性能相近。
另外，本文基于匹配滤波的解调方式避免了复杂的FRFT计算。若考虑一个码子的解调，本发明用时仅0.0085s，相比FRFT方式的0.258s具有更高的解调效率。
综上，本发明提出了一种雷达探通一体化共享信号设计方法，基于LFM信号的相位/调频率调制，并通过选取合适的调制参数，建立了一个具有良好相关特性的共享信号库。仿真表明，本发明共享信号在雷达探测和通信传输中的有效性，并体现了其相对于现有方法在传输比特率和误码率上的优越性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.基于LFM信号相位调制的共享信号设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据雷达发射机的工作参数，确定基准LFM信号为s0(t)＝exp(j2π(f0t+μt2/2))，0≤t≤T，其中t表示时间，T表示基准LFM信号脉宽，j为虚数单位，f0为线性调频信号的载频，μ为调频斜率；
(2)随机产生至少1个幅度参数amn和相位参数θmn，其中amn,θmn∈[0,2π)，m为共享信号区分符，n为参数区分符，将用共享信号个数记为Mphase，每个共享信号的参数个数记为N；
在基准LFM信号带宽范围内预置的子频带[B1,B2]，并计算扰动项频率参数ωmn＝B1+(mN-m+n)ΔB，其中
基于同一共享信号的所有扰动项频率参数ωmn计算相位扰动函数其中t表示时间，且0≤t≤T；
基于相位扰动函数φm(t)得到共享信号m的扰动项am(t)＝exp[jφm(t)]；
(3)构建共享信号sm(t)＝am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2))，并计算每个共享信号的APSL和任意两个共享信号的CPSL，其中APSL表示最小化自相关峰值旁瓣电平，CPSL表示最小化互相关峰值旁瓣电平；
(4)判断所有信号的APSL和CPSL是否满足第一设计准则，若否，则调整参数个数N和扰动频率参数ωmn重新设计Mphase个共享信号sm(t)，直到所有信号的APSL和CPSL满足第一设计准则；若是，则得到Mphase个共享信号构成的信号库，其中第一设计准则为：且 为预设门限。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个共享信号的参数个数N的取值范围为1～100。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将基准LFM信号带宽范围均分为多个子频带，顺次遍历各子频带所对应的扰动项频率参数ωmn，直到得到满足第一设计准则的Mphase个共享信号sm(t)。
4.基于LFM信号调频率调制的共享信号设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据雷达发射机的工作参数，确定基准LFM信号s0(t)＝exp(j2π(f0t+μt2/2))，0≤t≤T，其中t表示时间，T表示基准LFM信号脉宽，j为虚数单位，f0为线性调频信号的载频，μ为调频斜率；
(2)选择α，并等间隔划分区间[-αμ,αμ]，则第m个信号的调频率调制参数γm＝(m-1)Δγ-αμ，其中0＜α≤0.5，m＝1,…,Mslope；
基于调频率调制参数γm计算相位扰动函数其中t表示时间，且0≤t≤T；
基于相位扰动函数φm(t)得到共享信号m的扰动项am(t)＝exp[jφm(t)]；
(3)构建共享信号sm(t)＝am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2))，并计算任意两个信号的CPSL；
(4)判断所有信号的CPSL是否满足第二设计准则，若否，则调整参数α重新设计Mphase个共享信号sm(t)，直到所有信号的CPSL满足第二设计准则；若是，则得到Mphase个共享信号构成的信号库，其中第二设计准则为： 为预设门限。
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