CN108535701A - 一种雷达通信一体化波形设计中减少带外频谱扩展的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达通信一体化波形设计中减少带外频谱扩展的方法，包括如下步骤：(1)设计基于LFM_MSK的一体化信号，设计方法是用MSK信号作为调制信号，LFM信号作为载波信号；(2)用MSK信号调制LFM信号的相位，产生雷达通信一体化波形；(3)根据一体化波形的时频特性，对波形首尾的码元进行具体化调整，来达到预设目标。本发明使得系统尽可能少的减少带外能量泄露，来缓解雷达信号调制通信信号后对雷达性能的影响。

Description

一种雷达通信一体化波形设计中减少带外频谱扩展的方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种雷达通信一体化波形(简称一体化波形)设计中减少带外频谱扩展的方法。

背景技术

为了适应现代电子战作战环境的要求，预警机不得不装备数量众多的电子设备比如雷达设备、通信设备和电子对抗设备。通信设备主要用于信息和情报的传递，雷达设备主要用于探测目标、航迹跟踪等，而电子对抗设备的作用是随时监视电磁环境，截获信息，识别威胁，发出告警，引导各种有源和无源干扰设备干扰敌人的武器系统。但是这些电子设备/系统的功能、性能不断提高的同时，互操作性却没有得到进一步提高，使得电子系统在整个航电设备中的所占的成本和重量不断攀升，而且占用了平台不少的宝贵空间。目前装备在预警机上是数据链天线仍然是全向的。全向通信不需要对信号接收者进行定位，而雷达为了完成目标的定位和提高作用距离，采用定向发射。如能利用预警机雷达的强大的定向能力和低副瓣，通信的抗干扰性能和通信距离将极大地提高。雷达通信一体化实质是对信号的处理从时分多址和频分多址转入空分多址，符合现代技术的发展方向，也将是未来综合电子信息系统发展趋势。雷达通信一体化波形设计是一体化系统设计的重要组成部分。现有的一体化波形设计方法包括：1.时分复用2.频分复用3.波分复用。现有的一体化波形直接进行发射会造成系统能量泄露，影响系统整体性能。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提出一种雷达通信一体化波形设计中减少带外频谱扩展的方法，使得系统尽量减少带外能量泄露，来缓解雷达信号调制通信信号后对雷达性能的影响。

本发明采用的技术方案为一种雷达通信一体化波形设计中减少带外频谱扩展的方法，包括如下步骤：

(1)设计基于LFM_MSK的一体化信号，设计方法是通信信号采用MSK(MinimumShift Keying,最小频移键控)信号作为调制信号，雷达信号采用LFM(Linear FrequencyModulation，线性调频)信号作为载波信号；

所述MSK信号为：

式中：

S_MSk(t)表示MSK信号的波形，k表示MSK信号的第k个码元序号，t表示时间，a_k表示第k个码元数值，ω_s表示载频，表示初始相位，T表示码元时宽，p_k和q_k分别表示a_k差分后同相和正交两路的数据；

所述LFM信号为：

式中：s_LFM(t)表示LFM信号的波形，u(t)表示包络函数，t表示时间，f_c为LFM信号的初始频率，exp()表示指数函数，j为复数的虚部单位符号，T_p为LFM信号的单个脉冲持续时间，μ是LFM信号的调频率；

(2)用MSK信号调制LFM信号的相位，产生雷达通信一体化波形；

其中表示雷达通信一体化第k个波形，LFM_MSK表示一体化波形，表示矩形函数；

(3)根据雷达通信一体化波形的时频特性，对波形首尾的码元进行具体化调整，来达到预设目标。

进一步的，所述步骤(3)中，包括如下步骤：

1)根据LFM信号参数的关系求出调频率μ：B是LFM信号的系统带宽，雷达通信一体化波形与LFM信号具有相同的调频率μ和单个脉冲持续时间T_p；

2)在某些情况下，雷达通信一体化波形的部分码元瞬时频率可能处于设计带宽[0B]之外，我们通过下述方法确定超出系统带宽范围[0B]的雷达通信一体化波形的码元数量：雷达通信一体化波形单个脉冲T_p内调制了N个码元，满足T_p＝N*T，当p_k·q_k＝-1且时，雷达通信一体化波形的瞬时频率低于系统带宽的下限0，此时时间t所对应的码元序号为当p_k·q_k＝+1且时，雷达通信一体化波形的瞬时频率超出系统设计带宽的上限B，此时时间t所对应的码元序号为由于k不一定是整数，使用收尾法对k进行取整得出n，n＝[[k]]，其中[[]]表示收尾法取整；

3)对雷达通信一体化波形的码元进行调整，使雷达通信一体化波形的瞬时频率处于设计带宽内：根据k确定了n的取值后，k对应码元p_k,q_k相应确定为p_n,q_n，对码元序列做调整，调整码元数值使前n个码元满足p_n·q_n＝+1，后n个码元满足p_n·q_n＝-1，中间N-2*n个码元是需要传输的通信信息序列；

4)使用调整后的码元序列调制LFM信号生成新的雷达通信一体化波形，然后由发射端进行发射。需要说明的是，这里所述的调整后的码元序列的长度为N，既包括中间N-2*n个码元，也包括经过调整的前后各n个码元。

本发明的有益效果为：

调整码元避免了一体化信号发生带外能量泄露的情况发生，使信号频谱集中在通带范围内，从而保持通信误码率不变和缓解雷达检测概率的下降。

附图说明

图1是本发明的信号产生示意图；

图2是通信接收端信号处理示意图；

图3是本发明的未进行数据调整的时频图；

图4是本发明进行数据调整后的时频图。

具体实施方式

用MSK将信息调制到LFM信号的频点上。对于雷达波形设计而言，在目前的机载雷达中研究使用最多的是线性调频信号。线性调频波形的大的时间带宽积是对距离分辨率和多普勒分辨率二者的折中。线性调频信号可以得到很大的脉冲压缩比，并且能够均等地以相同的压缩比通过滤波器。对于通信波形设计而言调制信号如果是恒包络的，那么对发射端放大器的线性度要求降低，放大器可以工作在饱和区，提高信噪比，进而获得高的功率效率；如果是相位连续的，那么信号频谱较窄，旁瓣下降快，减少对邻近信道的干扰，提高带宽效率。综合雷达和通信的各自要求，选用线性调频信号为载波，通信波形采用具有恒包络且具有连续相位的波形。但在LFM上调制通信信号后，一体化信号波形频谱有扩展，即部分频谱处于带宽范围外，这势必导致系统接收能量减少，影响系统的整体性能。所以需要对码元进行调整，减少带宽频谱扩展，使信号能量集中在通带内，以此来缓解系统性能下降，来满足雷达和通信的要求。

下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。

我们将一体化信号的雷达性能和LFM雷达信号的性能进行对比，保持二者性能的一致性，在此基础上实现通信功能，实现并满足数据传输需求。在一个雷达脉冲周期T_p内传输N个二进制码元信息[+1,-1]，满足T_p＝N*T的关系，整个过程分为三个阶段。第一阶段，根据LFM信号和MSK信号的各个参数计算出需要调整的码元数量；第二阶段，对码元序列首尾码元进行调整；第三阶段，发射机按照调整后的波形进行发射。

本发明的主要贡献在于：在用MSK信号对LFM信号相位进行调制过程中，会出现频谱扩展造成能量泄露的问题，如图3所示，提出对MSK信号码元信息进行调整的方法，即将首尾码元进行适当调整，最大程度减少因调制码元而造成的能量泄漏。该方案使得雷达性能的下降得到缓解。具体来说，如图4所示，将频率低于通带下限的码元调整为+1，将频率高于通带上限的码元调整为-1。另外LFM技术已经非常成熟，所以本方法用LFM信号作为参考对比，只要本发明各项指标接近或者等于LFM信号的各项指标，且通信信号能解调出来，如图2所示，并且通信误码率指标不变，则可以肯定此方法是可取的。因此根据系统信号流程，一体化波形的表达式如下：

其中rect()为矩形函数，可忽略，t是时间，exp()为指数函数，j为复数的虚部单位符号，s_LFM(t)为线性调频信号，f_c为线性调频信号的初始频率，T_p为线性调频信号的单个脉冲持续时间，μ是线性调频信号的调频率。

式中T是码元宽度，k表示MSK信号的第k个码元序号，a_k表示第k个码元数值，ω_s表示载频，p_k和q_k分别表示a_k差分后同相和正交两路的数据。

参照MSK信号的调制方式，一体化波形就是将载波由f_c变为f_c+μ·t/2，那么一体化波形的第k个调制信号为

将(1)式用三角公式展开：

设MSK信号初始相位参考值等于0，这时可知或π，因此有

以及考虑到及式变为

式中：

当p_k＝+1时，

当p_k＝-1时，

对照MSK信号，将载波由f_c变为f_c+μ·t/2，一体化波形用复数形式表示则第k个波形表示为：

如图1所示产生合成一体化信号。

直接对合成后的一体化波形进行发射就会存在带外能量扩展，接收机接收信号，就会将带宽范围外的频率滤除掉，从而造成通带内能量减少，使系统性能下降。因此缓解决带外能量泄露在一体化波形中显得尤为重要，本发明提出一种调整码元的方法，本方法在保持通信误码率不变的情况下大大减少了能量泄露来缓解雷达性能的下降。具体实施步骤如下：

1)根据雷达信号的系统设带宽B和脉冲持续时间T_p计算出调频率μ。

2)雷达接收机的工作频段为[f_c,f_c+B]，调制数据后信号的频率可能小于f_c或者大于f_c+B，从而造成频带展宽。根据调制的数据a_k计算出码元瞬时频率不小于带宽下限f_c的码元个数n，此时使用收尾法对n进行取整，计算出码元瞬时频率大于带宽上限f_c+B的码元个数n。

3)当确定了n的取值后，对码元序列做调整，即前n个码元全部取+1，后n个码元为-1，中间的码元才是我们需要传输的通信信息。

4)对通信码元设计完成后，采用新的通信码元序列调制LFM信号，产生一体化波形，进行发射。

为让上述步骤更直观这里做一个简单的实例演示：

使仿真更加接近实际应用需求，本方法中采用的数据为国内毫米波雷达常用参数：

(1)通信码元数量N＝100,雷达脉宽T_p＝100us，带宽B＝20MHz,码元时宽T＝1us，线性调频信号与一体化信号可以分别表示为：

从(3)(4)可以看出，LFM信号的瞬时频率为f₁＝f_c+μ·t假设f_c＝0，雷达系统设计带宽为[0B]

一体化信号的瞬时频率为

如图3所示，一体化波形的时频关系满足公式

当调制的第k个码元为+1时，即p_kq_k＝+1，此时在t∈[(k-1)·T,k·T]范围内，时频图沿着分布，这一点可以在图3时频分析中观察到；而如果调制的第k个码元为-1时，p_kq_k＝-1，此时在t∈[(k-1)·T,k·T]范围内，时频图沿着分布。

当码元在+1和-1之间变化时，在时频图的分布会表现出从直线变化到直线或从直线变化到直线

图中的实线f＝f_c+μ·t上方的虚线为下方的虚线为实线f＝f_c+μ·t上方虚线出现断裂是由于码元发生了变换，即由+1变为了-1。而实线f＝f_c+μ·t下方的虚线出现断裂是由于码元由-1变为了+1。

需要指出的是实线是为了方便解释，后期加入的，也就是以LFM信号时频作为参考信号。

(2)设f_c＝0，系统带宽范围为[0B]

当p_kq_k＝-1且得出即时，f₂＜0

当p_kq_k＝+1且得出即时，f₂＞B

因为通信信号是随机二进制序列，随机取一个调制信号来观察，这种情况表现在图3中就是小圆圈标注出来的这部分频率，右上圆圈调制的数据为+1，左下圆圈调制的数据为-1，这部分频率超出了通带范围，是造成能量泄露的内在原因。所以本发明需要对这部分数据进行调整。

(3)确定需要调整的码元个数其中[[]]表示收尾法取整，此时计算得需要调整的码元数为4。

(4)调整方法为当时，调整码元使其满足p_kq_k＝+1；

当时，调整码元使其满足p_kq_k＝-1；

因为通信信号为随机二进制码，避免能量扩展的，强制即令单个雷达脉冲周期通信信息前面两个码元为+1，后面两个码元为-1，除掉首尾4个码元，中间的N-4＝96个码元为通信有用信息。

此时需要调整的码元数占总的通信码元数的比例为2.5％。

同理可以计算当其它参数不变，N＝500,需要调整的码元数占总的通信码元数的比例为12.5％。

(5)按照(4)对通信信号首尾码元进行调整，调整后的码元确保任何时候f₂尽可能多的处于系统设计带宽范围内，减少能量泄露。

(6)用调整后的通信信号调制LFM信号，生成一体化波形信号，发射机发射调整后的一体化信号。

Claims (2)

1.一种雷达通信一体化波形设计中减少带外频谱扩展的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设计基于LFM_MSK的一体化信号，设计方法是通信信号采用MSK信号作为调制信号，雷达信号采用LFM信号作为载波信号；

所述MSK信号为：

式中：

S_MSk(t)表示MSK信号的波形，k表示MSK信号的第k个码元序号，t表示时间，a_k表示第k个码元数值，ω_s表示载频，表示初始相位，T表示码元时宽，p_k和q_k分别表示a_k差分后同相和正交两路的数据；

所述LFM信号为：

式中：s_LFM(t)表示LFM信号的波形，u(t)表示包络函数，t表示时间，f_c为LFM信号的初始频率，exp()表示指数函数，j为复数的虚部单位符号，T_p为LFM信号的单个脉冲持续时间，μ是LFM信号的调频率；

(2)用MSK信号调制LFM信号的相位，产生雷达通信一体化波形；

其中表示雷达通信一体化第k个波形，LFM_MSK表示一体化波形，表示矩形函数；

(3)根据雷达通信一体化波形的时频特性，对波形首尾的码元进行具体化调整，来达到预设目标。

2.根据权利要求1所述的一种雷达通信一体化波形设计中减少带外频谱扩展的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，包括如下步骤：

1)根据LFM信号参数的关系求出调频率μ：B是LFM信号的系统带宽，雷达通信一体化波形与LFM信号具有相同的调频率μ和单个脉冲持续时间T_p；

2)确定超出系统带宽范围[0B]的雷达通信一体化波形的码元数量：雷达通信一体化波形单个脉冲T_p内调制了N个码元，满足T_p＝N*T，当p_k·q_k＝-1且时，雷达通信一体化波形的瞬时频率低于系统带宽的下限0，此时时间t所对应的码元序号为当p_k·q_k＝+1且时，雷达通信一体化波形的瞬时频率超出系统设计带宽的上限B，此时时间t所对应的码元序号为由于k不一定是整数，使用收尾法对k进行取整得出n，n＝[[k]]，其中[[]]表示收尾法取整；

3)对雷达通信一体化波形的码元进行调整，使雷达通信一体化波形的瞬时频率处于设计带宽内：根据k确定了n的取值后，k对应码元p_k,q_k相应确定为p_n,q_n，对码元序列做调整，调整码元数值使前n个码元满足p_n·q_n＝+1，后n个码元满足p_n·q_n＝-1，中间N-2*n个码元是需要传输的通信信息序列；

4)使用调整后的码元序列调制LFM信号生成新的雷达通信一体化波形，然后由发射端进行发射。