CN109787932A - 一种基于ofdm的雷达通信一体化信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，属于无线通信技术领域。本发明首先利用回波信号获得OFDM单脉冲信号的模糊函数；然后将OFDM单脉冲信号进行脉冲压缩得到OFDM脉冲串信号的模糊函数；利用P4码的互补码特性，将通信数据加载到OFDM脉冲串信号上，得到加载通信数据的一体化信号及其模糊函数主瓣公式；最后将所述加载通信数据的一体化信号转换为CE‑OFDM雷达通信一体化信号。本发明解决了现有雷达通信一体化技术中通信数据随机性对雷达探测能力影响的问题。本发明可用于雷达通信一体化设备。

Description

一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法

技术领域

本发明涉及一种雷达通信一体化信号设计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

现代科学的发展使各种电子设备不断丰富的同时也造成了电磁环境的日益复杂，电子装备给彼此带来严重电磁干扰，设备的维护也更加费时费力。在这种背景下，电子设备一体化设计非常必要。雷达设备和通信设备二者硬件的高度相似性和软件资源共享给雷达通信一体化设计带来了契机。其中，将OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用)信号应用于雷达进行一体化共享波形的设计是一种选择。

Dmitriy.G等人研究了基于OFDM的雷达通信一体化的可行性，参数设计，并研制出了基于软件无线电的雷达通信一体化系统，他们用OFDM信号取代传统的超宽带信号，并实现了SAR雷达的成像显示(Garmatyuk D,Schuerger J,Kauffman K.MultifunctionalSoftware-Defined Radar Sensor and Data Communication System[J].IEEE SensorsJournal,2011,11(1):99-106)。Yoke Leen S.研究了车载雷达上的OFDM雷达通信系统的抗多径性能以及干扰消除算法(Sit Y L,Wiesbeck W,Sturm C,et al.The OFDM JointRadar-Communication System:An Overview[C]SPACOMM 2011,The Third InternationalConference on Advances in Satellite and Space Communications,Budapest,Hungary.2011:69-74)。赵兴运提出了一种将OFDM信号与随机步进频率雷达结合的新体制雷达，可以实现频率捷变提高雷达的分辨率，缺点是占用带宽过大(张群,赵兴运,娄昊,等.基于OFDM随机步进频的雷达通信一体化信号模型[J].电讯技术,2014,54(8):1107-1112)。Surender S.C.提出了将携带了通信数据的OFDM信号嵌入一个UWB信号的频谱中形成共享波形，可以增加一体化信号的隐蔽性，缺点是误码率和通信速率会因此下降(Surender SC,Narayanan R M.Covert Netted Wireless Noise Radar Sensor:OFDMA-BasedCommunication Architecture[C]Military Communications Conference,2006.MILCOM2006.IEEE.IEEE,2006)。

以上文献并没有很好解决通信数据随机性对雷达探测能力影响的问题，主要是会导致探测的距离分辨率与速度分辨率降低。

发明内容

本发明为解决现有雷达通信一体化技术中通信数据随机性对雷达探测能力影响的问题，提供了一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法。

本发明所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、利用回波信号获得OFDM单脉冲信号的模糊函数；

步骤二、将OFDM单脉冲信号进行脉冲压缩得到OFDM脉冲串信号的模糊函数；

步骤三、利用P4码的互补码特性，将通信数据加载到OFDM脉冲串信号上，得到加载通信数据的一体化信号及其模糊函数主瓣公式；

步骤四、将所述加载通信数据的一体化信号转换为CE-OFDM雷达通信一体化信号。

作为对上述技术方案的进一步阐述：

进一步的，还包括接收端的验证过程：

步骤五、接收端基于FFT解调验证雷达通信一体化信号的雷达探测能力，得到雷达探测距离输出与速度输出；接收端验证雷达通信一体化信号的通信误码率性能；若验证不通过则重新返回步骤一进行设计。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，本发明在OFDM信号基础上利用P4码的互补码特性使一体化信号具有携带通信数据的能力；有效解决了通信数据随机性对OFDM雷达探测能力的影响，在几乎不影响雷达探测能力的基础上实现了通信的功能。同时针对OFDM无法回避的PAPR过高的问题，本发明引入了CE-OFDM彻底解决了这一问题。进行仿真实验得到系统对多目标的探测能力距离分辨率可达25m/s，速度分辨率可达4.7m/s；通信误码率在信噪比10dB以上时误码率曲线接近8PSK系统。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为实施例中OFDM单脉冲信号模糊函数图；纵坐标|χ(τ,v)|是关于时延和速度的模糊函数；

图3为实施例中OFDM脉冲串信号模糊函数的零延时平面图；α是与模糊函数旁瓣出现位置与幅值有关的参数，ε＝f_d/△f；

图4为实施例中16位P4码OFDM脉冲信号模糊函数图；

图5为实施例中基于P4码加载通信数据的一体化信号的零多普勒平面图；

图6为实施例中P4码调制的CE-OFDM信号模糊函数图；

图7为实施例中雷达探测距离输出仿真结果图；

图8为实施例中雷达速度输出仿真结果图；

图9为实施例中高斯白噪声信道下误码率曲线图；BER为误码率，EbNo为信噪比。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一、利用回波信号获得OFDM单脉冲信号的模糊函数；

步骤二、将OFDM单脉冲信号进行脉冲压缩得到OFDM脉冲串信号的模糊函数；

步骤三、利用P4码循环移位构成的互补码集合表示不同的通信数据信息，将通信数据加载到OFDM脉冲串信号上，得到加载通信数据的一体化信号及其模糊函数主瓣公式；P4码是雷达中常用的一种多相位编码，P4码循环移位构成的互补码集合可以携带通信信息，与OFDM信号有效结合构成一体化信号；

步骤四、将所述加载通信数据的一体化信号转换为CE-OFDM(Constant Envelope-Orthogonal Frequency Division，Multiplexing，恒包络正交频分复用)雷达通信一体化信号，有效限制PAPR(Peak to Average Power Ratio，峰值平均功率比)。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法还包括接收端的验证过程：

步骤五、接收端基于FFT解调验证雷达通信一体化信号的雷达探测能力，得到雷达探测距离输出与速度输出；接收端验证雷达通信一体化信号的通信误码率性能，通常采用传统的OFDM解调方法进行验证；若验证不通过则重新返回步骤一进行设计。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤一中所述获得OFDM单脉冲信号的模糊函数的具体过程包括：

步骤一一、OFDM发射信号遇到距离R，相对雷达径向速度ν的探测目标时，接收机收到的回波信号r(t)为：

其中rect(·)为窗函数，N为子载波数，C_l为第l个子载波的幅度，l＝1,…,N；Δf为载波间隔，f_c为载频，γ为拉伸因子，τ为时延，c为光速；j为虚数单位，t为时间变量；

步骤一二、回波信号下变频得到基带信号，带入到模糊函数公式，取出当回波信号与发射信号子载波对应时，所具有的能量部分，得到OFDM单脉冲信号的模糊函数χ_M(τ,f_d)：

sinc(π(f_c-k△f)(1-γ)T_d)

exp{jπ(f_c-k△f)(γ-1)T_a}

其中，k＝1,…,N，C_k为新的子载波幅度，为C_k共轭，T_d＝T_max-T_min，T_min＝max(0,τ)，T_max＝min(T_s,T_s/γ+τ)，T_a＝(T_max-T_min)/2，T_s为OFDM符号持续时间；f_d为多普勒平移。

其他步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，步骤三中所述得到加载通信数据的一体化信号及其模糊函数主瓣公式的具体过程包括：

步骤三一、利用P4码循环移位构成的互补码集合表示不同的通信数据信息，将P4码引入步骤二中OFDM脉冲串函数得到加载通信数据的一体化信号表达式：

其中，M为P4码位数，m表示P4码的序号，m＝1,…,M；c_m为数据信息经过比特映射后得到的代表通信符号的序号，c_m∈{1,2,3…,N}；n＝1,…,N；为第k个子载波中第m个码元的相位；y(n,m)为加载通信数据的一体化信号；

步骤三二、利用步骤一二中信号模糊函数公式得到加载通信数据的一体化信号的模糊函数主瓣公式：

T_dsinc(π(f_c-k△f)(1-γ)T_d)

exp{jπ(f_c-k△f)(γ-1)T_a}

其中，C_k,l，C_k,m分别为OFDM信号中第k个子载波上的第l码元和第m码元，为C_k,m的共轭。

其他步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤四具体为：

步骤四一、将通信数据构造为2N+1点的信号并进行IFFT变换，取出IFFT变换后信号的实部得到OFDM一体化信号的实信号；

步骤四二、对步骤四一中实信号进行相位调制，加入循环前缀，得到CE-OFDM雷达通信一体化信号。

其他步骤及参数与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤五中采用基于FFT解调的一体化接收算法得到雷达探测距离输出与速度输出，具体包括以下步骤：

步骤五一、在接收端雷达信号处理模块中，将每个脉冲进行下变频、采样、解调，得到的数据存入矩阵s，矩阵s的每一列代表一个脉冲，使每个采样信号作为一个列向量；

步骤五二、将矩阵s中的每一列用哈达玛乘法(两个相同大小的矩阵逐点相乘)乘以对应的发送数据，用得到的结果更新矩阵s；

步骤五三、对经过步骤五二更新后的矩阵s的每一列做IFFT变换，得到雷达探测距离输出；

步骤五四、对经过步骤五三IFFT变换后的矩阵s的每一行做FFT变换，得到雷达探测速度输出。

其他步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六不同的是，步骤一一中所述拉伸因子v是探测目标相对雷达的径向速度。

其他步骤及参数与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，步骤一一中所述时延R为探测目标与OFDM发射信号之间的距离。

其他步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

本实施例采用如下表1的系统参数设置进行：

表1

(1)基于OFDM的回波信号，将基带信号带入模糊函数中得到OFDM单脉冲信号的模糊函数，结果如图2所示；

(2)单脉冲信号进行脉冲压缩得到OFDM脉冲串信号的模糊函数，其零延时平面图如图3所示；

(3)利用P4码的互补码特性，将通信数据加载到OFDM脉冲串信号上；

(3.1)、采用16位P4码，其循环移位产生的互补码与OFDM信号结合，得到循环移位多相编码OFDM脉冲信号，其模糊函数如图4所示。

(3.2)、在上述信号的基础上加载通信信息，得到加载通信数据的一体化信号，相应基于P4码加载通信数据的一体化信号的零多普勒平面如图5所示。

(4)为解决高PAPR问题，改造信号为CE-OFDM雷达通信一体化信号，得到P4码调制的CE-OFDM信号的模糊函数图，其结果如图6所示。

(5)采用基于FFT的一体化接收算法，利用表1中设置的系统参数，对雷达探测能力和通信误码率进行仿真；

(5.1)、假设两个雷达散射面积为1m²，与雷达的距离分别为100m和200m，运动速度为200m/s和300m/s。距离输出和速度输出分别如图7和图8所示；图7分别画出了两个目标相隔25m，50m和75m的情况下，雷达的距离显示。当两个目标相距25m时，两物体不可分辨，50m和75m情况下，依然可以分辨。

(5.2)、设信道为恒参信道，噪声为高斯白噪声得到基于P4码一体化系统误码率，并与8PSK和16PSK曲线进行比较。由于角度调制的门限效应，在输入信噪比达到10dB及以上时，P4码系统误码率为正常，接近8PSK误码率，与理论预测相符(具体结果如图9所示)。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、利用回波信号获得OFDM单脉冲信号的模糊函数；

步骤二、将OFDM单脉冲信号进行脉冲压缩得到OFDM脉冲串信号的模糊函数；

步骤三、利用P4码的互补码特性，将通信数据加载到OFDM脉冲串信号上，得到加载通信数据的一体化信号及其模糊函数主瓣公式；

步骤四、将所述加载通信数据的一体化信号转换为CE-OFDM雷达通信一体化信号。

2.根据权利要求1所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法还包括接收端的验证过程：

步骤五、接收端基于FFT解调验证雷达通信一体化信号的雷达探测能力，得到雷达探测距离输出与速度输出；接收端验证雷达通信一体化信号的通信误码率性能；若验证不通过则重新返回步骤一进行设计。

3.根据权利要求2所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤一中所述获得OFDM单脉冲信号的模糊函数的具体过程包括：

步骤一一、OFDM发射信号遇到探测目标时，接收机收到的回波信号r(t)为：

其中rect(·)为窗函数，N为子载波数，C_l为第l个子载波的幅度，l＝1,…,N；Δf为载波间隔，f_c为载频，γ为拉伸因子，τ为时延，c为光速；j为虚数单位，t为时间变量；

步骤一二、回波信号下变频得到基带信号，取出当回波信号与发射信号子载波对应时，所具有的能量部分，得到OFDM单脉冲信号的模糊函数χ_M(τ,f_d)：

sinc(π(f_c-k△f)(1-γ)T_d)

exp{jπ(f_c-k△f)(γ-1)T_a}

其中，k＝1,…,N，C_k为新的子载波幅度，为C_k共轭，T_d＝T_max-T_min，T_min＝max(0,τ)，T_max＝min(T_s,T_s/γ+τ)，T_a＝(T_max-T_min)/2，T_s为OFDM符号持续时间；f_d为多普勒平移。

4.根据权利要求3所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤三中所述得到加载通信数据的一体化信号及其模糊函数主瓣公式的具体过程包括：

步骤三一、利用P4码循环移位构成的互补码集合表示不同的通信数据信息，将P4码引入步骤二中OFDM脉冲串函数得到加载通信数据的一体化信号表达式：

其中，M为P4码位数，m表示P4码的序号，m＝1,…,M；c_m为数据信息经过比特映射后得到的代表通信符号的序号，c_m∈{1,2,3…,N}；n＝1,…,N；为第k个子载波中第m个码元的相位；y(n,m)为加载通信数据的一体化信号；

步骤三二、利用步骤一二中信号模糊函数公式得到加载通信数据的一体化信号的模糊函数主瓣公式：

T_dsinc(π(f_c-k△f)(1-γ)T_d)

exp{jπ(f_c-k△f)(γ-1)T_a}

其中，C_k,l，C_k,m分别为OFDM信号中第k个子载波上的第l码元和第m码元，为C_k,m的共轭。

5.根据权利要求4所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤四具体为：

步骤四一、将通信数据构造为2N+1点的信号并进行IFFT变换，取出IFFT变换后信号的实部得到OFDM一体化信号的实信号；

步骤四二、对步骤四一中实信号进行相位调制，加入循环前缀，得到CE-OFDM雷达通信一体化信号。

6.根据权利要求5所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤五中所述得到雷达探测距离输出与速度输出的具体过程包括：

步骤五一、将每个脉冲进行下变频、采样、解调，得到的数据存入矩阵s，矩阵s的每一列代表一个脉冲，每个采样信号作为一个列向量；

步骤五二、将矩阵s中的每一列用哈达玛乘法乘以对应的发送数据，用得到的结果更新矩阵s；

步骤五三、对经过步骤五二更新后的矩阵s的每一列做IFFT变换，得到雷达探测距离输出；

步骤五四、对经过步骤五三IFFT变换后的矩阵s的每一行做FFT变换，得到雷达探测速度输出。

7.根据权利要求3～6任意一项所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤一一中所述拉伸因子v是探测目标相对雷达的径向速度。

8.根据权利要求7所述一种基于OFDM的雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤一一中所述时延R为探测目标与OFDM发射信号之间的距离。