CN111398946A - 一种基于lfm信号调频率调制的共享信号设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LFM信号调频率调制的共享信号设计方法,属于信号处理领域。本发明首先基于(0,0.5]之间的随机数,将基于基准LFM信号的调频斜率构成的区间等间隔划分,并计算对应的调频率调制参数来构建共享信号的扰动项,基于扰动项和基准LFM信号参数生成共享信号,若不满足第二设计准则,则调整生成相位扰动函数的参数重新设计,直到满足。本发明设计出的信号的自相关、互相关特性良好,解调效率高。
Description
本发明是对申请号为“2017108506903”、发明名称为“一种基于LFM信号相位/调频率调 制的共享信号设计方法”的分案申请。
技术领域
本发明属于信号处理领域,涉及基于LFM信号调频率调制的探通一体化共享信号设计方 法。
背景技术
探通一体化是指通过共享信号、信道、天线等硬件或软件资源,同时实现雷达探测与数 据通信的功能,其相较于传统的功能叠加体制,具有资源集约化和功能互补等优点,已成为 电子信息领域的研究热点。
同时体制是当前探通一体化的主要工作体制之一,其通过发射共享信号以同时实现雷达 探测和数据通信,该技术的关键在于共享发射信号设计和接收信号处理。目前探通一体化共 享信号设计的研究主要基于以下两类:
一是基于典型通信信号,在实现高效通信的同时,通过特定信号处理方法完成雷达探测。 正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号具有良好的频 谱利用率、抗衰落和抗码间干扰等优点,已在无线通信领域得到大量应用,同时具备简单的 测距和测角等能力。但由于OFDM技术本身的高峰均功率比(Peak to AveragePower Ratio, PAPR)和多普勒频移敏感性等问题,限制了其对远距离和高速目标的探测能力。
二是基于常见雷达发射信号,将通信信息按照一定的调制方式嵌入,形成探测与通信共 享的发射信号。线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号是一种常用的雷达发 射信号,基于此的共享信号设计可以满足雷达测距、测速和低速通信等需求,是探通一体化 信号设计的主要发展方向。李晓柏等在“基于Chirp信号的雷达通信一体化研究”中采用同 调频率不同初始频率Chirp信号,信号序列作为一体化信号,在接收端通过分数阶傅里叶变 换(FRFT),根据能量聚集的不同位置进行解调。该方法在通信接收机中仅涉及分数阶傅里叶 变换,没有类似脉冲压缩技术的能量积累过程,故对信号的信噪比要求较高;另外,由于雷 达接收机带宽的限制,其设计的信号数很有限,进而降低了其传输比特率。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种基于LFM信号相位/调频率调制 的探通一体化共享信号设计方法。
本发明的基于LFM信号相位调制的共享信号设计方法,包括如下步骤:
(1)根据雷达发射机的工作参数,确定基准LFM信号为s0(t)=exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤T, 其中t表示时间,T表示基准LFM信号脉宽,j为虚数单位,f0为线性调频信号的载频,μ为 调频斜率;
(2)随机产生至少1个幅度参数amn和相位参数θmn,其中amn,θmn∈[0,2π),m为共享信号 区分符,n为参数区分符,将用共享信号个数记为Mphase,参数个数记为N;
基于相位扰动函数φm(t)得到共享信号m的扰动项am(t)=exp[jφm(t)];
(3)构建共享信号sm(t)=am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),并计算每个共享信号的APSL和任意 两个共享信号(包括每个共享信号自身之间)的CPSL,其中APSL表示最小化自相关峰值旁 瓣电平,CPSL表示最小化互相关峰值旁瓣电平;
(4)判断所有信号的APSL和CPSL是否满足第一设计准则,若否,则调整参数个数N和 扰动频率参数ωmn重新设计Mphase个共享信号sm(t),直到所有信号的APSL和CPSL满足第一设计 准则;若是,则得到Mphase个共享信号构成的信号库,其中第一设计准则为:且 为预设门限。
进一步的,在设计共享信号sm(t)时,将基准LFM信号带宽范围均分为多个子频带,顺次 遍历各子频带所对应的扰动项频率参数ωmn,直到得到满足第一设计准则的Mphase个共享信号 sm(t)。
本发明的基于LFM信号调频率调制的共享信号设计方法,包括如下步骤:
(1)根据雷达发射机的工作参数,确定基准LFM信号s0(t)=exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤T;
基于相位扰动函数φm(t)得到共享信号m的扰动项am(t)=exp[jφm(t)];
(3)构建共享信号sm(t)=am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),并计算任意两个信号的CPSL;
(4)判断所有信号的CPSL是否满足第二设计准则,若否,则调整参数α重新设计Mphase个 共享信号sm(t),直到所有信号的CPSL满足第二设计准则;若是,则得到Mphase个共享信号构 成的信号库,其中第二设计准则为: 为预设门限。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:相较于基于分数阶傅里叶 变换的通信数据解调方法,本发明信号处理方法是基于原雷达信号处理方式的拓展,由匹配 滤波器实现通信信号能量的积累与噪声的抑制,避免了复杂的计算,大幅降低了通信信息解 调信噪比(SNR)的要求,同时具有更高的解调效率。另外,基于相位调制的共享信号设计方 法,没有设计信号个数的限制,在保证一定通信性能的前提,其可设计较多组数的波形,从 而提高了传输比特率。
附图说明
图1为探通一体化系统架构图;
图2为基于LFM相位调制的共享信号设计过程图;
图3为基于LFM调频率调制的共享信号设计过程图;
图4为雷达信号处理框图;
图5为通信信号处理框图;
图6为归一化APSL随子扰动函数个数N的变化曲线;
图7为归一化CPSL随子扰动函数个数N的变化曲线;
图8为归一化CPSL随参数α的变化曲线;
图9为相位调制共享信号目标探测处理结果,其中9-a为:匹配滤波输出;9-b为:距离-速度平面;9-c为:速度切面;
图10为调频率调制共享信号目标探测处理结果,其中10-a为:匹配滤波输出;10-b为: 距离-速度平面;10-c为:速度切面;
图11为误码率随信噪比的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合实施方式和附图,对本发明作 进一步地详细描述。
参见图1,探通一体化的总体工作流程为,首先建立共享信号库,其包含M=2P个不同的 共享信号,每个共享信号sm(t),m=1,…,M相应映射为一个长度为P的二进制信息,以此实现 通信信息的调制;在雷达发射端,首先将所需传递的数据串按一组P个二进制符号进行分组 截断,然后根据每组数据在信号库中选择相应的发射信号sm(t)并发射。其中,若雷达发射共 享信号的脉冲重复间隔PRT为Tr,则此时通信传输比特率为Rb=PTr;在雷达接收端,每个sm(t) 经目标反射后的回波信号由雷达接收机接收,经适当的雷达信号处理后可得到目标距离及速 度信息,以此实现目标的探测;在通信设备接收端,通信接收机接收到雷达发射的通信信号 后进行相应的通信信号处理,以此完成通信信息的解调,实现通信信息的传递。
共享信号设计处理:
若在雷达接收端采用匹配滤波器接收,则可完成雷达对目标的探测,但过高的发射信号 自相关旁瓣会影响目标的正确检测;若在通信接收端用与信号库中各发射信号相匹配的滤波 器组接收,通过定量分析各滤波器的输出信号能量,可判断雷达发射的具体共享信号,从而 解调其相应的二进制信息。然而,过高的互相关旁瓣电平,会影响输出信号能量的检测。故 为保证信号库中共享信号的探测与通信能力,考虑两个设计准则:(1)最小化自相关峰值旁 瓣电平(auto-correlation peak side-lobe level,APSL),以保证雷达探测性能;(2)最 小化互相关峰值旁瓣电平(cross-correlation peak side-lobe level,CPSL),以有效解调 通信信息。
(1)相位调制共享信号设计:
在基准LFM信号上附加一个扰动相位来实现相位调制,则其第m个LFM相位调制共享信 号表述如下:
sm(t)=am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤Tm,m=0,1,…,Mphase-1,
其中f0为线性调频信号的载频,μ为调频率,Tm为第m个共享信号的脉冲持续时间,即 等于基准LFM信号脉宽T,am(t)=exp[jφm(t)]为扰动项,φm(t)是相应的相位扰动函数,为如下 调谐的正弦信号之和,即其中N∈[1,100]为正整数,表示子扰动项函 数的个数,幅度参数amn和相位参数θmn均在[0,2π)内随机选取;ωmn为扰动项频率参数,可在 子频带[B1,B2]∈[0,B]中等间隔取值,其中,B表示基准LFM信号带宽。因此,设计相位调制的 共享信号,等价于设计参数N和ωmn的值。
(1)根据雷达发射机的工作参数,确定基准LFM信号为s0(t)=exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤T;
(3)基于该组参数建立大小为Mphase的信号库,并计算其每个信号的APSL和任意两个信 号的CPSL;
(2)调频率调制共享信号设计:
与相位调制类似,调频率调制是通过在基准LFM信号上附加一个扰动的调频斜率从而实 现调频率调制的,故第m个基于调频率调制的LFM共享信号可表述为:
sm(t)=am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤Tm,m=1,2,…,Mslope,
扰动之后的信号仍为LFM信号,但调频斜率从μ调制为μ+γm,其中γm为调频率调制参数, 其可在以原调频斜率μ为中心的一定子集[-αμ,αμ]内等间隔取值。为确保设计信号的合理性, 首先需考虑(1)参数α满足0<α≤0.5;(2)保证Tm(μ+γm)=B为常数。仍考虑最小化APSL和 最小化CPSL,对固定的信号个数和预设门限参见图3,基于LFM调频率调制的共享信号 设计步骤如下:
(1)根据雷达发射机的工作参数,确定基准LFM信号s0(t)=exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤T;
(3)基于该组γm建立大小为Mslope的信号库,并计算任意两个信号的CPSL;
本具体实施方式中,对本发明设计方法得到的共享信号的接收信号处理包括雷达信号处 理和通信信号处理,其分别为:
(1)雷达信号处理。
以LFM相位调制共享信号为例,雷达发射端在每个脉冲重复周期(PRT)内发射一个共享 信号sm(t),其既可用来目标探测,亦可传递通信信息。雷达信号处理框图如图4所示,先对 一个相干处理间隔(CPI)内的M个脉冲在其相应PRT内进行匹配滤波并采样,然后在慢时域 进行动目标检测(Moving Target Detection,MTD)处理,最后输出信号处理后的距离-多普 勒平面,从而获得目标的距离和速度信息。
(2)通信信号处理。
考虑AWGN信道,则通信信号处理流程如图5所示。首先用一组匹配滤波器对接收信号进 行处理,其中滤波器为共享信号sm(t)相应的匹配滤波器,由于所设计的信号有 好的互相关特性,每个sm(t)仅在其对应hm(t)的输出端有较高的目标尖峰,其余输出皆失配。 因此,通过对输出信号的能量检测,选择输出能量最大的hm(t)所对应sm(t)作为原始发射信号, 再根据映射关系解调通信信息,以此实现通信信息的传输。
本发明的效果可以通过以下仿真实施例进一步说明:
仿真1
(1)相位调制的共享信号参数选取:基准LFM信号脉宽T=5μs,带宽B=200MHz,角频 率参数ωmn取值范围[B1,B2]分别取以下5组值:[0,40]MHz、[40,80]MHz、[80,120]MHz、[120,160]MHz 及[160,200]MHz;信号个数Mphase=64;Monte Carlo模拟次数为2000次。
图6描述了各组[B1,B2]取值下信号的归一化APSL与子扰动函数个数N的关系。可以看出, 对任意一组[B1,B2]值,归一化APSL随着N的增大均呈现下降趋势;对固定的N,子频带[B1,B2] 起始频率越高,归一化APSL值越低。
图7描述了信号s1(t)和s2(t)的归一化互相关峰值电平(以s1(t)自相关峰值为基准归一化) 与子扰动项函数的个数N的关系。类似地,对任意一组[B1,B2]值,归一化CPSL随N的增大均 呈现下降趋势;对固定的N,起始频率较高的子频带[B1,B2]能实现更低的归一化CPSL。综上, 对该基准LFM信号和待设计信号数Mphase,若设优化门限本发明考虑取N=90,子 频带[B1,B2]=[160,200]。
(2)调频率调制的共享信号参数选取:基于上述基准LFM信号,取Mslope=8;则不同α下 信号s1(t)和s2(t)的归一化互相关峰值电平(以s1(t)自相关峰值为基准归一化)如图8所示。 由此可知,随着参数α的增大,归一化CPSL也逐渐减小。若以为优化门限,本发明 取α=0.5。
仿真2:雷达探测性能分析:
针对两种共享信号,分别取Mphase=64、Mslope=8,并考虑对一个CPI内的16个PRT信号 进行MTD处理,其中雷达信号的PRT=100μs。设速度v=21m/s(相应归一化多普勒频率fd=2v/(λ·PRF)=0.035)的目标位于0.375km处,信噪比为10dB,且仅 考虑白噪声对雷达探测的影响。图9、10分别描述了相位调制和调频率调制共享信号的雷达 信号处理结果,可知两种设计信号都能有效检测出目标的位置和速度。
仿真3:通信性能分析:
基于以上信号库,则对于Mphase=64的相位调制共享信号传输比特率为Rb=60kb/s;对于 Mslope=8的调频率调制共享信号传输比特率为Rb=30kb/s。作为对比,考虑基于分数阶傅里叶变 换解调方式的同调频率不同初始频率的共享信号,设Mfre=8,Rb=30kb/s。三者均属于低速通 信,其中相位调制共享信号可实现相对较高的通信速率。
仅考虑噪声的影响,若以10000次Monte Carlo试验的误码率(BER)为指标评价共享信 号的通信性能,图11描述了BER随SNR的变化曲线,可看出,两种共享信号均能在低SNR下 实现较低的误码率(约3×10-4),且远低于同调频率不同初始频率的共享信号所能实现的BER (约1.8×10-2)。对于相位调制设计,可实现大的Mphase,但解调误差会增大,若Mphase=Mslope, 则两设计性能相近。
另外,本文基于匹配滤波的解调方式避免了复杂的FRFT计算。若考虑一个码子的解调, 本发明用时仅0.0085s,相比FRFT方式的0.258s具有更高的解调效率。
综上,本发明提出了一种雷达探通一体化共享信号设计方法,基于LFM信号的相位/调频 率调制,并通过选取合适的调制参数,建立了一个具有良好相关特性的共享信号库。仿真表 明,本发明共享信号在雷达探测和通信传输中的有效性,并体现了其相对于现有方法在传输 比特率和误码率上的优越性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述, 均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过 程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。
Claims (1)
1.一种基于LFM信号调频率调制的共享信号设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)根据雷达发射机的工作参数,确定基准LFM信号s0(t)=exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤T,其中,所述t表示时间,T表示基准LFM信号脉宽,j为虚数单位,f0为线性调频信号的载频,μ为调频斜率;
基于相位扰动函数φm(t)得到共享信号m的扰动项am(t)=exp[jφm(t)];
(3)构建共享信号sm(t)=am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),并计算任意两个信号的CPSL;
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