CN109061633A - Ofdm雷达通信一体化机载平台系统的信号设计方法 - Google Patents

Ofdm雷达通信一体化机载平台系统的信号设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种雷达通信一体化信号设计方法，主要解决传统的电子装备系统将雷达系统和通信系统分离，导致系统体积增大、资源利用率降低等问题。其实现步骤是：1、设定OFDM雷达通信一体化系统的信号参数；2、利用信号参数计算子载波间隔最终值；3、利用子载波间隔最终值计算子载波个数；4、利用子载波个数确定导频间隔，形成导频间隔序列；6、在导频间隔序列的间隔上放置通信符号序列，形成频域序列；7、对频域序列进行变换，得到时域序列；8、为时域序列添加循环前缀，形成OFDM时域一体化信号。本发明将一体化的概念应用到雷达通信系统，减小了系统体积，提高了资源利用率，可用于雷达通信一体化机载平台系统。

Description

OFDM雷达通信一体化机载平台系统的信号设计方法
技术领域
本发明属于信号设计技术领域，特别涉及一种信号设计方法，可用于OFDM雷达通信一体化系统。
背景技术
传统的电子装备系统仅单独具有雷达系统的功能或通信系统的功能，所能实现的功能相对单一。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。近些年出现了将雷达技术和通信技术相结合的电子装备系统，结合后的雷达通信一体化系统能够很好地解决上述问题，此种系统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，进而完成后续的雷达信号处理，从而实现雷达通信一体化。这种实现方式提高了资源利用率。对于OFDM雷达通信一体化系统的运动信号，是指在雷达系统相对于检测目标做运动的传输信号，当平台运动速度提升到接近音速时，雷达通信一体化系统存在以下缺点：
1.当一体化系统处在相对于目标做高速运动的条件下时，信道环境为快变化信道，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；
2.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。
3.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，影响后续参考信号的重建以及雷达信号处理。
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雷达通信一体化机载平台系统的信号设计方法，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，利用梳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)设置OFDM雷达通信一体化信号的脉冲参数：
设OFDM雷达通信一体化信号的脉冲宽度为τ，脉冲重复周期为PRT，带宽为B，采样率为fs，一个脉冲宽度对应的采样点数为Ns＝fs×τ；
(2)计算子载波间隔最终值Δf′a：
(2a)计算一体化系统产生的多普勒频率：其中v为一体化系统相对于目标的径向速度，λ为一体化系统载频对应的波长；
(2b)计算一体化系统的子载波间隔初始值：
(2c)比较多普勒频率fd和子载波间隔初始值Δfo的大小，确定调整后的子载波间隔：Δfa＝min{fd,Δfo}，其中min{·}表示取最小值；
(2d)设子载波个数估计值Na＝B/Δfa，当Na的值不为正整数时，减小子载波间隔Δfa的值，直至满足Na为正整数，得到子载波间隔最终值为Δf′a；
(3)计算子载波个数：Ns＝B/Δf′a；
(4)确定一体化系统的最大时间延迟σm,从而得到导频间隔Np；
(5)设Sp(k)为导频序列，且相邻两个导频序列Sp(k)和Sp(k+1)之间的间隔为Np，从而形成导频间隔序列Spi(k)，以第一个子载波为起点，将导频间隔序列Spi(k)放置在Ns个子载波上，其中k为导频序列索引，k为大于0的整数；
(6)设Sc(l)为通信符号序列，将通信符号序列Sc(l)放置在导频间隔序列Spi(k)的间隔中，形成频域序列S(k)，其中l为通信符号序列索引，l为大于0的整数；
(7)对频域序列S(k)进行快速傅里叶逆变换得到时域序列s(n)，其中n为数据点数，n为大于0的整数；对时域序列s(n)其添加循环前缀，得到OFDM时域信号sc(n)，即OFDM雷达通信一体化机载平台系统的信号。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，相对于传统的信号设计方法，本发明将雷达处理和通信处理进行了融合，实现信号设计的雷达通信一体化，在高速运动环境下改善一体化系统对速度的敏感性；
第二，本发明构建编码后的通信信息，利用通信信息能够在接收端很好地重建参考信号，在接收端未知参考信号的条件下实现后续的雷达信号处理；
第三，本发明实现接收端对快变化信道的估计，提升了通信处理能力，使之适用于高速运动场景，增加了系统的健壮性。
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、设置OFDM雷达通信一体化信号的脉冲参数。
OFDM雷达通信一体化信号的脉冲宽度为τ，脉冲重复周期为PRT，带宽为B，采样率为fs，一个脉冲宽度对应的采样点数为Ns＝fs×τ；
步骤2、计算子载波间隔。
(2a)计算一体化系统产生的多普勒频率：其中v为一体化系统相对于目标的径向速度，λ为一体化系统载频对应的波长；
(2b)计算一体化系统的子载波间隔初始值：
(2c)比较多普勒频率fd和子载波间隔初始值Δfo的大小，确定调整后的子载波间隔：
Δfa＝min{fd,Δfo}，其中min{·}表示取最小值；
(2d)设子载波个数估计值Na＝B/Δfa，当Na的值不为正整数时，减小子载波间隔Δfa的值，直至满足Na为正整数，子载波间隔最终值为Δf′a。
步骤3、计算子载波个数，确定导频间隔。
(3a)计算子载波个数：Ns＝B/Δf′a；
(3b)确定一体化系统的最大时间延迟：其中rm为电磁波照射目标后，各个散射点之间对应的波程差最大值，c为光速；
(3c)确定导频间隔：
步骤4、形成间隔导频序列。
设Sp(k)为导频序列，以第一个子载波为起点，在Ns个子载波上均放置导频序列Sp(k)，且相邻两个导频序列Sp(k)和Sp(k+1)之间的导频间隔为Np，从而形成导频间隔序列Spi(k)，其中k为导频序列索引，k为大于0的整数。
步骤5、形成信号频域序列。
在导频间隔序列Spi(k)的每个间隔上均放置通信符号序列Sc(l)，形成频域序列S(k)，其中l为通信符号序列索引，l为大于0的整数；
步骤6、生成信号时域序列。
对频域序列S(k)进行快速傅里叶逆变换得到时域序列s(n)，其中n为数据点数，n为大于0的整数；
步骤7、形成OFDM时域信号。
本步骤是通过在时域序列s(n)添加循环前缀，得到OFDM时域信号scp(n)，即OFDM雷达通信一体化机载平台系统的信号，其实现如下：
(7a)设目标对应的距离分辨单元为M，循环前缀长度为M-1；
(7b)将时域序列s(n)的尾部长度为M-1的数据进行复制，并粘贴到时域序列s(n)的头部形成OFDM时域信号scp(n)，完成OFDM一体化系统信号的设计。
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300m/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，仿真当一体化系统采用OFDM雷达通信一体化脉冲时，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，仿真当一体化系统采用OFDM雷达通信一体化脉冲，且信噪比为20dB的条件下，一体化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，雷达通信一体化机载平台系统的性能能够保持，不存在明显的损失。

Claims (3)

1.OFDM雷达通信一体化机载平台系统的信号设计方法，包括如下：
(1)设置OFDM雷达通信一体化信号的脉冲参数：
设OFDM雷达通信一体化信号的脉冲宽度为τ，脉冲重复周期为PRT，带宽为B，采样率为fs，一个脉冲宽度对应的采样点数为Ns＝fs×τ；
(2)计算子载波间隔最终值Δf′a：
(2a)计算一体化系统产生的多普勒频率：其中v为一体化系统相对于目标的径向速度，λ为一体化系统载频对应的波长；
(2b)计算一体化系统的子载波间隔初始值：
(2c)比较多普勒频率fd和子载波间隔初始值Δfo的大小，确定调整后的子载波间隔：Δfa＝min{fd,Δfo}，其中min{·}表示取最小值；
(2d)设子载波个数估计值Na＝B/Δfa，当Na的值不为正整数时，减小子载波间隔Δfa的值，直至满足Na为正整数，得到子载波间隔最终值为Δf′a；
(3)计算子载波个数：Ns＝B/Δf′a；
(4)确定一体化系统的最大时间延迟σm,从而得到导频间隔Np；
(5)设Sp(k)为导频序列，且相邻两个导频序列Sp(k)和Sp(k+1)之间的间隔为Np，从而形成导频间隔序列Spi(k)，以第一个子载波为起点，将导频间隔序列Spi(k)放置在Ns个子载波上，其中k为导频序列索引，k为大于0的整数；
(6)设Sc(l)为通信符号序列，将通信符号序列Sc(l)放置在导频间隔序列Spi(k)的间隔中，形成频域序列S(k)，其中l为通信符号序列索引，l为大于0的整数；
(7)对频域序列S(k)进行快速傅里叶逆变换得到时域序列s(n)，其中n为数据点数，n为大于0的整数；对时域序列s(n)其添加循环前缀，得到OFDM时域信号sc(n)，即OFDM雷达通信一体化机载平台系统的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中(4)中确定一体化系统的最大时间延迟σm,得到导频间隔Np，按如下步骤进行：
(4a)确定一体化系统的最大时间延迟：其中，rm为电磁波照射目标后，各个散射点之间对应的波程差最大值，c为光速；
(4b)根据一体化系统的最大时间延迟σm确定导频间隔：
3.根据权利要求1所述的方法，其中(7)中对时域序列s(n)添加循环前缀，得到OFDM时域信号sc(n)，按如下步骤进行：
(7a)设目标对应的距离分辨单元为M，循环前缀长度为M-1；
(7b)将时域序列s(n)的尾部长度为M-1的数据进行复制，并粘贴到时域序列s(n)的头部，形成添加循环前缀后的OFDM时域信号sc(n)，即OFDM雷达通信一体化机载平台系统的信号。
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