CN108983191B - Ofdm雷达通信一体化系统的低速信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM雷达通信一体化系统的低速信号处理方法。主要解决现有技术通信数据的误比特率高，恢复的一体化脉冲参考信号误差大，脉冲压缩处理效果差的问题。其实现方案是：1、接收回波脉冲，并剔除循环前缀这个无效脉冲，得到有效回波；2、对有效回波进行类型标记；3、利用单个训练脉冲进行信道估计，并利用信道估计结果对一体化脉冲进行均衡；4、对均衡结果进行通信解码恢复通信信息，再对通信信息编码得到一体化脉冲参考信号；5、分别对一体化脉冲和训练脉冲进行脉冲压缩；6、重复步骤(2)‑(5)，完成对所有脉冲的处理。本发明具有通信数据误比特率低，脉冲压缩处理效果好的优点，可用于OFDM雷达通信一体化系统。

Description

OFDM雷达通信一体化系统的低速信号处理方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种低速信号处理方法，可用于OFDM雷达通信一体化系统。

背景技术

传统的电子设备功能单一，即仅单独具备雷达系统的功能或通信系统的功能，当在要求同时实现两种功能的情况下，则造成系统体积庞大，且频率、时间等不同资源的占用，造成资源利用率降低，而雷达通信一体化却能够很好地解决上述问题，受到越来越多的关注。

雷达通信一体化，是指同一电子装备系统同时具备雷达功能以及通信功能的电子设备，这种设备在工作时能够实时完成雷达信号处理和通信信号处理两种功能。目前雷达通信一体化的实现方式包含以下三种：

一是分时使用雷达和通信功能。这种实现方式通过时间来分配两种功能，存在时间资源上利用率低的缺点。

二是将频段划分，分别用于雷达和通信功能。这种实现方式在频谱利用方面存在浪费。

三是将通信信号应用于雷达系统。这种实现方式是在接收端为未知的雷达参考信号的条件下，利用通信功能来恢复参考信号，完成雷达处理，从而实现雷达通信一体化。此种实现方式提高了资源利用率，在信号处理中发挥着重要作用。

但在现有研究中，当一体化系统处在相对于目标运动的条件下时，静止的信道环境将会发生变化，通信数据的误比特率抬升，导致恢复的参考信号较原始参考信号之间存在误差。同时，在后续进行脉冲压缩的处理效果差，无法满足一体化系统的需要。由于OFDM信号对速度的敏感性，当采用纯粹的OFDM方式时，一体化信号性能将会急速下降，影响参考信号的重建以及雷达处理。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种OFDM雷达通信一体化系统的低速信号处理方法，以降低系统通信数据的误比特率，有效恢复参考信号，提高脉冲压缩

的处理的效果。

本发明的技术思路是，将大带宽通信信号应用于雷达系统中，利用块状导频方式实现对信道的估计，利用估计结果对信号进行均衡处理，对均衡后的信号进行通信处理来实现通信信息的恢复，利用恢复的信号来重建参考信号，实现大带宽通信信号的雷达脉冲压缩处理，达到在接收端为未知的参考信号条件下实现通信处理功能和雷达处理功能。其实现步骤包括如下：

(1)雷达接收机接收离散的时间回波脉冲信号为s_ec(n,i)，其中n,i都为正整数，n为数据点数，i为脉冲索引，该回波脉冲信号包括回波训练脉冲和一体化脉冲，脉冲的起始位置为N_o，脉冲总长度为N_sum，前M-1个脉冲单元为循环前缀，M为距离单元数；

(2)对回波脉冲信号s_ec(n,i)中的循环前缀进行移除：

(2a)计算回波脉冲信号中的提取位置：N_s＝N₀+M-1；

(2b)以提取位置N_s为起点，提取后N_sum-N_s个单元，得到剩余回波脉冲信号s_ece(n,i)；

(3)以i为横轴建立坐标，对剩余回波脉冲信号s_ece(n,i)的类型进行标记，即将i处在奇数位置的脉冲标记为回波训练脉冲s_2η-1(n,i)，将i处在偶数位置的脉冲标记为一体化脉冲s_2η(n,i)，其中η为正整数，表示脉冲计数变量；

(4)利用回波训练脉冲s_2η-1(n,i)和已知的训练脉冲参考信号s_LFM(n)对信道进行估计：

(4a)对回波训练脉冲s_2η-1(n,i)进行傅里叶变换，得到回波训练脉冲的频域S_2η-1(k,i)，k为正整数，表示子载波变量；

(4b)对已知的训练脉冲参考信号s_LFM(n)进行傅里叶变换，得到训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)；

(4c)将回波训练脉冲s_2η-1(n,i)的频域与训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)相除，得到信道的估计结果H_2η-1(k,i)；

(5)利用信道估计结果对一体化脉冲进行均衡处理：

(5a)根据第2η-1个脉冲和第2η个脉冲对应信道相同的特点，将第2η-1个脉冲的信道估计结果H_2η-1(k,i)等效成第2η个脉冲的信道估计结果H_2η(k,i)；

(5b)对一体化脉冲s_2η(n,i)进行傅里叶变换，得到一体化脉冲的频域S_2η(k,i)；

(5c)将一体化脉冲频域S_2η(k,i)与信道的估计结果H_2η(k,i)相除，得到均衡处理结果S′_2η(k,i)；

(6)对均衡结果S′_2η(k,i)进行通信解码，恢复出一体化脉冲所映射的通信信息

(7)对恢复的通信信息

进行通信编码，得出一体化脉冲参考信号的频域S_re(k)；

(8)利用一体化脉冲参考信号的频域S_re(k)，对一体化脉冲s_2η(n,i)进行脉冲压缩；

(9)利用训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)，对训练脉冲s_2η-1(n,i)进行脉冲压缩；

(10)重复(3)到(9)，构建所有一体化脉冲的参考信号，用于脉冲压缩。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，相对于传统的信号处理方法，本发明将雷达处理和通信处理进行了融合，实现信号处理的雷达通信一体化，提高了信号处理效率；

第二，本发明利用块状导频方式实现信道估计，提升了通信处理能力，使得一体化系统适用于低速运动场景，增加了系统的健壮性；

第三，本发明利用通信处理恢复原始通信信息，并重建参考信号，当接收端未知雷达参考信号时，能实现对雷达脉冲的脉冲压缩处理。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是用本发明对回波信号进行通信处理后的误比特率图；

图3是用本发明对雷达信号的脉冲压缩结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1、接收回波脉冲信号。

雷达发射机将预先设计好的脉冲信号发射之后，雷达接收机接收到离散的回波脉冲信号s_ec(n,i)，其中n,i都为正整数，n为数据点数，i为脉冲索引，该回波脉冲信号包括回波训练脉冲和一体化脉冲，回波脉冲信号s_ec(n,i)的起始位置为N_o，脉冲总长度为N_sum，前M-1个脉冲单元为循环前缀，M为距离单元数。

步骤2、剔除循环前缀。

(2a)计算回波脉冲信号中的提取位置：N_s＝N₀+M-1；

(2b)由于循环前缀对于回波脉冲信号处理为无效脉冲，因此本步骤中对循环前缀的剔除可以等效对有效脉冲进行提取，即以提取位置N_s为起点，提取长度为N_sum-N_s个单元，得到有效回波脉冲信号s_ece(n,i)。

步骤3、标记不同脉冲。

以i为横轴建立坐标，对有效回波脉冲信号s_ece(n,i)的类型进行类别标记，即将i处在奇数位置的脉冲标记为回波训练脉冲s_2η-1(n,i)，将i处在偶数位置的脉冲标记为一体化脉冲s_2η(n,i)，其中η为正整数，表示脉冲计数变量。

步骤4、利用训练脉冲和训练脉冲参考信号进行信道估计。

为了对信道特性进行清晰地了解，需要进行信道估计，本发明中对信道的估计采用块状导频方式实现，其实现步骤如下：

(4a)对回波训练脉冲s_2η-1(n,i)进行傅里叶变换，得到回波训练脉冲的频域S_2η-1(k,i)，k为正整数，表示子载波变量；

(4b)对已知的训练脉冲参考信号s_LFM(n)进行傅里叶变换，得到训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)；

(4c)将回波训练脉冲s_2η-1(n,i)的频域与训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)相除，得到信道的估计结果H_2η-1(k,i)。

步骤5、利用信道估计结果对一体化脉冲进行均衡处理。

由于一体化信号在信道中进行传输时，信号会受到信道的影响，从而产生信号失真的现象。均衡处理被视为信道传输的逆过程，可对一体化信号进行准确恢复。

本步骤的具体实现如下：

(5a)根据第2η-1个脉冲和第2η个脉冲对应信道相同的特点，将第2η-1个脉冲的信道估计结果H_2η-1(k,i)等效成第2η个脉冲的信道估计结果H_2η(k,i)；

(5b)对一体化脉冲s_2η(n,i)进行傅里叶变换，得到一体化脉冲的频域S_2η(k,i)；

(5c)将一体化脉冲频域S_2η(k,i)与信道的估计结果H_2η(k,i)相除，得到均衡处理结果S′_2η(k,i)。

步骤6、恢复一体化脉冲中所包含的通信信息。

对均衡结果S′_2η(k,i)进行通信解码，解码方式如下式所示，即将均衡结果S′_2η(k,i)与前一子载波的均衡结果S′_2η(k-1,i)进行异或运算，从而恢复出一体化脉冲信号所包含的通信信息

步骤7、重建一体化脉冲参考信号。

对恢复的通信信息

进行通信编码，即将通信信息

与前一时刻的通信信息

进行异或运算，得出一体化脉冲参考信号的频域S_re(k)：

步骤8、对一体化脉冲进行脉冲压缩。

(8a)对一体化脉冲参考信号的频域S_re(k)进行共轭运算，。得到一体化脉冲参考信号的频域共轭

(8b)将一体化脉冲的频域S_2η(k,i)与一体化脉冲参考信号的频域共轭

相乘，并进行快速傅里叶逆变换，完成一体化脉冲的脉冲压缩。

步骤9、对训练脉冲进行脉冲压缩。

(9a)对训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)进行共轭运算，得到训练脉冲参考信号的频域共轭

(9b)将训练脉冲的频域S_2η-1(k,i)与训练脉冲参考信号的频域共轭

相乘，并进行快速傅里叶逆变换，完成对训练脉冲的脉冲压缩。

步骤10，重复(3)到(9)，完成对所有一体化脉冲和训练脉冲的脉冲压缩。

本发明的效果可通过以下仿真进一步阐述。

1.仿真条件：

仿真设定雷达通信一体化系统的工作载频为10GHz，信号带宽为20MHz，脉冲宽度为30μs，脉冲重频为10KHz，在仿真场景中设置四个目标，各个目标之间的间隔为166.7米，设置第二个目标所在位置为中心位置，雷达通信一体化系统与中心位置相距10km，雷达通信一体化系统相对于目标群以50m/s的速度作切向运动，一体化脉冲所包含的通信信息随机生成，通信编码方式采用2DPSK方式进行编码。

2.仿真内容：

仿真1：在上述仿真条件下，改变信噪比，仿真在不同信噪比下一体化系统误码率的变化情况，结果如图2所示。

仿真2：在上述仿真条件下，仿真当信噪比为20dB时，一体化脉冲和训练脉冲的脉冲压缩情况，结果如图3所示。

3.仿真分析：

从图2中可以发现，随着信噪比的提高，一体化系统的误码率逐步下降。将一体化系统的误码率与理论的2DPSK误码率对比可得，一体化系统能保持较低的误码率，从而可有效地传输通信信息。

从图3中可以发现，利用本发明重建的参考信号能够很好的实现脉冲压缩处理。在图3中，一体化脉冲经过脉冲压缩处理可检测到四个目标，与仿真场景设定的目标数吻合。同时，对检测目标对应的采样点数进行理论计算，与仿真场景设定的各个目标位置一致。此外，经过脉冲压缩处理的一体化脉冲，其主副瓣之比普遍超过了13dB，相比于未加窗的训练脉冲具备相近的处理性能。

Claims (5)

1.OFDM雷达通信一体化系统的低速信号处理方法，包括如下：

(1)雷达接收机接收离散的时间回波脉冲信号为s_ec(n,i)，其中n,i都为正整数，n为数据点数，i为脉冲索引，该回波脉冲信号包括回波训练脉冲和一体化脉冲，脉冲的起始位置为N₀，脉冲总长度为N_sum，前M-1个脉冲单元为循环前缀，M为距离单元数；

(2)对回波脉冲信号s_ec(n,i)中的循环前缀进行移除：

(2a)计算回波脉冲信号中的提取位置：N_s＝N₀+M-1；

(2b)以提取位置N_s为起点，提取后N_sum-N_s个单元，得到剩余回波脉冲信号s_ece(n,i)；

(3)以i为横轴建立坐标，对剩余回波脉冲信号s_ece(n,i)的类型进行标记，即将i处在奇数位置的脉冲标记为回波训练脉冲s_2η-1(n,i)，将i处在偶数位置的脉冲标记为一体化脉冲s_2η(n,i)，其中η为正整数，表示脉冲计数变量；

(4)利用回波训练脉冲s_2η-1(n,i)和已知的训练脉冲参考信号s_LFM(n)对信道进行估计：

(4a)对回波训练脉冲s_2η-1(n,i)进行傅里叶变换，得到回波训练脉冲的频域S_2η-1(k,i)，k为正整数，表示采样点数；

(4b)对已知的训练脉冲参考信号s_LFM(n)进行傅里叶变换，得到训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)；

(4c)将回波训练脉冲s_2η-1(n,i)的频域与训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)相除，得到信道的估计结果H_2η-1(k,i)；

(5)利用信道估计结果对一体化脉冲进行均衡处理：

(5a)根据第2η-1个脉冲和第2η个脉冲对应信道相同的特点，将第2η-1个脉冲的信道估计结果H_2η-1(k,i)等效成第2η个脉冲的信道估计结果H_2η(k,i)；

(5b)对一体化脉冲s_2η(n,i)进行傅里叶变换，得到一体化脉冲的频域S_2η(k,i)；

(5c)将一体化脉冲频域S_2η(k,i)与信道的估计结果H_2η(k,i)相除，得到均衡处理结果S′_2η(k,i)；

(6)对均衡处理结果S′_2η(k,i)进行通信解码，恢复出一体化脉冲所映射的通信信息

(7)对恢复的通信信息

进行通信编码，得出一体化脉冲参考信号的频域S_re(k)；

(8)利用一体化脉冲参考信号的频域S_re(k)，对一体化脉冲s_2η(n,i)进行脉冲压缩；

(9)利用训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)，对训练脉冲s_2η-1(n,i)进行脉冲压缩；

(10)重复(3)到(9)，构建所有一体化脉冲的参考信号，用于脉冲压缩。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(6)对均衡处理结果S′_2η(k,i)进行通信解码，是采用2DPSK解码方式进行，其解码规则如下式：

其中，a_n为绝对码序列，b_n为相对码序列，b_n-1为前一时刻的相对码序列。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7)对恢复的通信信息

进行通信编码，是采用2DPSK编码方式进行，其编码规则如下式：

其中，a_n为绝对码序列，b_n为相对码序列，b_n-1为前一时刻的相对码序列。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(8)对一体化脉冲s_2η(n,i)进行脉冲压缩，其实现步骤如下：

(8a)对一体化脉冲参考信号的频域S_re(k)进行共轭运算，得到一体化脉冲参考信号的频域共轭

(8b)将一体化脉冲的频域S_2η(k,i)与一体化脉冲参考信号的频域共轭

相乘，并进行快速傅里叶逆变换，完成一体化脉冲的脉冲压缩。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(9)中对训练脉冲s_2η-1(n,i)进行脉冲压缩，其实现步骤如下：

(9a)对训练脉冲参考信号的频域S_LFM(k)进行共轭运算，得到训练脉冲参考信号的频域共轭

(9b)将训练脉冲的频域S_2η-1(k,i)与训练脉冲参考信号的频域共轭

相乘，并进行快速傅里叶逆变换，完成对训练脉冲的脉冲压缩。

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