CN108809879B

CN108809879B - 基于ce-ofdm的雷达通信一体化信号设计方法

Info

Publication number: CN108809879B
Application number: CN201810334704.0A
Authority: CN
Inventors: 唐岚; 李璇; 张柯; 张龙辉; 柏业超; 张兴敢
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2038-04-13
Also published as: CN108809879A

Abstract

本发明公开了一种基于CE‑OFDM的雷达通信一体化信号设计方法。本发明是在传统的基于OFDM的雷达通信一体化设计方案上提出一种基于CE‑OFDM的雷达通信一体化信号设计方案，在保证有效通信传输速率的前提下，有效解决了OFDM系统峰均比过高的问题。在发射端，比特数据信息经QAM调制和IFFT变换后，通过附加相位调制成为CE‑OFDM信号；在接收端，将信号进行基于反正切的相位解调后即可恢复出发送的OFDM信号。在进行雷达信号处理时，采用基于调制符号序列的新型雷达信号处理方法，解决了该信号自相关性较差的问题，实现了对目标距离的高分辨估计。

Description

基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号设计方法

技术领域

本发明属于雷达通信领域，涉及一种基于CE-OFDM(Constant EnvelopeOrthogonal Frequency-Division Multiplexing，恒包络正交频分复用)的雷达通信一体化信号(简称一体化信号)设计方法。

背景技术

随着计算机技术、无线通信技术与传感器技术的迅速发展，运用合理的信息和传感技术来进行道路交通管制的思想应运而生。智能交通系统(IntelligentTransportation Systems，ITS)的目标是建立一个车辆之间、车辆与路边基础设施之间的智能交通网络，使车车通信，车物通信成为可能。同时，智能车辆也应该具有感知周边环境的能力。因此在ITS的框架定义里，智能车辆(Intelligent Vehicle，IV)必须拥有如下两种工作方式：雷达感知与无线通信。

雷达系统和通信系统作为两个独立成熟的系统，具有相似的理论基础和系统框架。雷达通信一体化能够有效降低成本、减小提及、节约频谱资源。传统的基于OFDM的雷达通信一体化信号，具有高分辨特性和高速通信等优点的同时，还存在OFDM系统固有的峰均比(PAPR)过高的问题。

CE-OFDM雷达通信一体化信号设计的核心是，在发射端通过附加相位调制使信号PAPR恒为0，然后在接收端进行相应的相位解调即可恢复出发送的OFDM信号。

CE-OFDM信号可以完美解决OFDM系统PAPR过高的问题，提高发射功率动态范围。但同时存在的问题是CE-OFDM信号自相关性能较差，模糊函数旁瓣较高，传统的基于信号自相关性的雷达信号处理方法无法有效处理该信号。

发明内容

本发明的目的在于弥补以上不足，提出一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，以保证在车联网的应用场景下同时获得较高的通信传输速率和较高的雷达分辨性能。

本发明采用的技术方案是：一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，包含以下步骤：

(1)在发射端将数据信息调制为OFDM信号，再对所述OFDM信号进行相位调制，获得基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号；

(2)目标车辆通过接收天线接收到所述雷达通信一体化信号后，对接收到的雷达通信一体化信号进行通信信号处理，提取获得其中的通信信息；

(3)同时，发射车辆接收并处理目标回波信号，提取获得其中的雷达信息。

进一步的，所述步骤(1)中包括如下步骤：

1)将数据信息经QAM调制为长度为N_QAM的符号

将

共轭对称补零后获得调制符号序列

此调制符号序列的结构能够保证IFFT输出为实数；

2)将步骤1)所得的调制符号序列

进行IFFT变换，得到长度为N的实值OFDM信号

3)将所述实值OFDM信号

通过相位调制器，将调制得到的CE-OFDM信号添加循环前缀后，再依次通过数模转换器和功率放大器，得到调制信号s(t)，作为发射信号。

进一步的，所述步骤(2)中包含如下步骤：

①调制信号s(t)通过一加性高斯白噪声信道，经过模数转换、去循环前缀后，通过基于反正切的接收机相位解调器解调出相位信息

②

抽样量化除以调制系数2πh后得到

对

做FFT变换，再进行QAM解调，得到调制的通信数据信息。

进一步的，所述步骤(3)中包含如下步骤：

㈠目标回波信号经模数转换、去循环前缀后，通过相位解调器解调出包含时延τ的接收信号

㈡

抽样量化除以调制系数2πh后再做FFT变换后得到

㈢由于调制符号序列

已知，将

与调制符号序列

对应点除得到

再对

做IFFT变换；当傅里叶变换的指数匹配相消时，将出现峰值，也即对应目标所在距离处。

本发明的有益效果为：

本发明提出的基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号不仅具有OFDM信号高速通信的优点，还解决了OFDM信号固有的PAPR过高的问题。同时，针对该CE-OFDM一体化信号自相关性能较差的问题，提出一种基于调制符号序列的新型雷达信号处理方法，保证了该信号同时具有较高的通信传输速率和较高的雷达分辨性能。

附图说明

图1是本发明的基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统应用场景图；

图2是本发明的基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统发送端结构图；

图3是本发明的基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统通信接收端结构图；

图4是本发明的基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统雷达接收端结构图；

图5是本发明的一体化信号在不同调制系数下的有效传输速率性能对比图；

图6是本发明的基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号的雷达距离像图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，适用于车联网场景下的车车通信和雷达测距，通过一体化信号设计实现雷达通信共用发射机，可有效减少车载设备空间、节约频谱资源。传统的基于OFDM的雷达通信一体化系统在具备高分辨率和较高数据通信数据速率的同时，还存在OFDM系统固有的PAPR过高的问题。基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号则可以完美地解决该问题，信号PAPR为0，同时降低发射功率需求。

但同时存在的问题是，在保证一体化系统有效信息传输速率性能一定的前提下，该一体化信号相关性能较差，模糊函数有较高的旁瓣，用传统的基于信号自相关性的雷达信号处理方法无法有效处理该一体化信号。为解决上述问题，本发明还提出了基于调制符号序列的新型雷达信号处理方法，该方法在对信号进行雷达处理时，不依赖于信号的自相关性。从而保证该基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号同时具有较高的通信传输速率和雷达目标检测性能。

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明的应用场景如图1所示：信号发射车辆向目标车辆发射雷达通信一体化信号，目标车辆接收并处理一体化信号，从中提取出通信数据信息。同时，发射车辆接收并处理回波信号，提取出其中的雷达信息。该系统的主要特征是，一体化信号共用信号发射机，通信和雷达接收端分开独立处理一体化信号，且发送的通信信息在雷达接收端已知。

在本发明的一体化方案中，设载波数为N，一个OFDM符号周期为T，载波间隔为Δf＝1/T，采样频率f_s＝N/T＝N·Δf，采样间隔t_s＝1/f_s。该一体化信号采用连续波发射体制。

如图2所示，在发射端首先将二进制比特流经过M_QAM-QAM调制为长度为N_QAM的符号

其中k表示信号X[k]的索引，为获得实值OFDM信号，将

共轭对称补零后获得

其中N＝2N_QAM+2，“^*”表示共轭，此信号结构能够保证IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速逆傅里叶变换)输出为实数。

然后将

进行IFFT变换，得到长度为N的实值OFDM信号

其中

和

分别表示实部和虚部，n表示信号x[n]的索引，

表示虚部单位，exp表示以自然常数e为底的指数。

将

通过相位调制器，把实值的OFDM信号调制到相位上：

s[n]＝exp(j2πhx[n]) (3)

得到PAPR＝0dB的CE-OFDM信号

其中2πh为相位调制系数。

添加循环前缀，将

的后N_CP位复制到

序列前，得到

其中s[n]＝s[N+n](n＝-N_CP,...,-2,-1)。最后，将调制得到的离散时间序列

通过数模转换器和功率放大器，得到模拟低通调制信号s(t)，作为发射信号：

s(t)＝Aexp{j[φ(t)+θ]},T_cp≤t＜T (4)

φ(t)＝2πhx(t) (5)

其中，t表示时间，A为信号幅度，θ为保证相位连续的随机相位补偿，简单起见，不妨设θ＝0。T_cp＝N_cp/f_s为循环前缀所占时宽。包含通信信息的x(t)为实值OFDM符号，表示如下：

其中，T_cp≤t＜T。

进一步地，x(t)可表示为：

其中，

I[k]∈{±1,±3,...,±(M-1)}，为一个M-PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉幅调制)调制序列，其中

子载波

为：

如图3所示，在通信接收端调制信号s(t)通过一加性高斯白噪声信道后，接收信号

其中φ₀为信道引起的相位偏移，ω(t)为均值为0，方差为

的高斯白噪声信号。接收信号去循环前缀后，通过基于反正切的接收机相位解调器解调出相位信息

其中，“^{^}”表示信号的估计，

为噪声引起的相移，其中A_ω(t)和φ_ω(t)分别是ω(t)的幅度和相位。

然后，将解调出的相位信息

做FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)变换。FFT变换可以等效为N个相关器运算，其中第k个相关器运算表示如下：

其中，k＝1,2,...,N，Q[k]等效为

经过第k个相关器运算输出信号。

S[k]为信号分量：

其中k'表示信号I[k']的索引。

由子载波间的正交性可得，只有当k＝k'时，式(11)积分不为零，因此式(11)等效为：

其中ε_q＝T/2为子载波能量。

Ψ[k]为相位偏移分量：

由式(13)可得，由于q_k(t)的周期性，相位偏移对解调没有影响。

N[k]为噪声分量：

在大信噪比条件下，ξ(t)可以近似为零均值的高斯噪声，则N[k]近似为零均值的高斯随机变量。根据式(12)，第k个相关器输出为一个PAM信号分量S[k]加上噪声分量N[k]。因此，该CE-OFDM系统误码率SER可以由PAM调制误码率近似表示：

其中，

表示高斯Q函数，y为被积变量，此处

ε_b为单位比特功率，

N₀为噪声功率。

误比特率BER为：

用RMS(Root Mean Square，均方根)带宽表示CE-OFDM信号带宽B为：

B＝max(2πh,1)W_B Hz (17)

其中W_B表示调制的OFDM信号带宽，为：

比特率R＝Nlog₂M/T b/s，频谱效率S为：

综上所述，有效信息传输速率为：

如图4所示，不同调制系数2πh下有效信息传输速率性能对比可知：

当2πh≤1时，随着2πh增大，有效信息传输速率变大。

当2πh＞1时，随着2πh增大，有效信息传输速率显著下降。

因此，为保证通信性能不过多损耗，应使2πh≤1。

但是，当2πh≤1时，CE-OFDM信号自相关性较差，模糊函数旁瓣较高，如果采用传统的基于信号自相关性的雷达信号处理方法，将无法有效获得该一体化信号中的雷达信息。

为了解决以上问题，该基于CE-OFDM雷达通信一体化系统方案提出一种新型的基于调制符号序列的雷达信号处理方法，该方法不依赖于信号的自相关性能。

如图5所示，在雷达接收端，接收信号经模数转换、去循环前缀后，通过相位解调器解调出包含时延τ的接收信号

其中，R为目标车辆到发射车辆的距离，c为光速，c＝3×10⁸。

由式(9)～(13)可得：

φ(t-τ)＝2πhx(t-τ) (23)

因此，

抽样量化除以调制系数2πh后，可以得到包含时延u位的离散信号

其中，

表示向下取整。

则

表示为：

下面用矩阵表达式描述雷达端信号处理过程。

令W_N＝e^-j2π/N，则

的矩阵表达式为：

即：

其中，x，W和X分别是

和

的对应向量表示，“^H”表示矩阵的共轭转置。

同理，

的矩阵表达式为：

即：

其中，x_u，U分别是

的向量表示。“*”表示矩阵的Hadamard乘积运算。

然后对

做FFT变换：

根据矩阵Hadamard乘积的基本性质和U的特征，可得：

其中，X_u和u分别是

和

的向量表示，“^T”表示矩阵的转置。

由于X已知，将X_u与X中对应元素相除得到的符号集

对

做IFFT变换，得到匹配输出信号r(l)：

当下标

时，r(l)将出现峰值，即对应目标所在距离处。

如图6所示，设目标距离300米，调制系数2πh＝1时，雷达距离像图在横坐标x＝299.7处有明显尖峰，且不存在较高旁瓣，雷达分辨性能较好。

此外，当调制系数2πh取较大值时(如2πh＞5)，相位解调时将出现很大的相位跳变，解卷绕器将产生较大误差，雷达距离像旁瓣干扰较大。这与通信性能对调制2πh的限制是一致的。

仿真证明，本发明提出的基于CE-OFDM的雷达通信一体化信号不仅具有OFDM信号高速通信的优点，还解决了OFDM信号固有的PAPR过高的问题，提高了发射功率动态范围。同时，针对该CE-OFDM一体化信号自相关性能较差的问题，提出一种基于调制符号序列的新型雷达信号处理方法，解决了该一体化信号的雷达信息提取问题。