CN112068081B - 基于循环前缀的ofdm频率捷变发射信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号设计方法。主要解决现有技术中不同距离分辨单元间回波能量相互串扰的问题。其实现方案是：对发射信号数据序列进行串并转化；设计随机跳变的子载波频率；为OFDM发射信号添加循环前缀CP；根据随机跳变子载波频率构建子载波发射信号，用并行数据序列对子载波信号进行调制，得到调制后的子载波信号；将调制的子载波信号进行叠加，得到基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号，完成发射信号设计。仿真结果表明，采用本发明设计的频率捷变发射信号对回波信号进行脉冲压缩，能降低雷达的距离旁瓣，并有效抑制距离旁瓣对目标的干扰。可应用于雷达距离旁瓣抑制，雷达探测微弱目标及雷达成像。

Description

基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号设计方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种正交频分复用OFDM频率捷变发射信号设计方法，可应用于雷达距离旁瓣抑制，雷达探测微弱目标及雷达成像。

背景技术

距离旁瓣是雷达回波信号匹配滤波后能量在相近的距离分辨单元扩散，会导致微弱目标被较强的目标旁瓣掩盖，致使目标丢失，或产生虚假目标。目前雷达中的OFDM信号设计只利用了OFDM信号的灵活性，优化设计参数。而OFDM在通信系统中的循环前缀CP却没有在雷达系统中充分运用。在通信系统中，添加CP的OFDM发射信号可以实现子信道无码间干扰，从而有效抑制多径干扰。因而，在雷达应用中，可以把雷达的距离分辨单元看作是通信中信号的径，运用CP消除不同距离分辨单元之间的干扰。

捷变频雷达FAR可以快速改变载频的工作频率，提高雷达的抗干扰能力。将添加CP的OFDM发射信号与频率捷变相结合，可有效降低旁瓣，抑制距离旁瓣。

针对雷达距离旁瓣的抑制发射信号设计方法，目前已有的研究主要有：

美国的X.Xu等人发表的《Range sidelobe suppression technique forcoherent ultra wide-band random noise radar imaging》以随机噪声发射信号自相关函数的峰值旁瓣电平和综合积分旁瓣比作为评价指标，提出了通过发射信号波形的优化设计，最优化峰值旁瓣电平PSL和综合积分旁瓣比ISL，降低自相关函数旁瓣的影响。但该方法的距离旁瓣依然较高。

美国的H.He、J.Li和瑞典的P.Stoica等人发表的《Waveform Design for ActiveSensing Systems:A Computational Approach》采用恒模序列的设计方法。通过建立数学优化模型，以综合积分旁瓣电平或加权综合积分旁瓣电平作为优化目标，利用不同改进的循环算法CA对序列设计优化问题进行求解，实现了恒模序列自相关特性的优化，从而达到距离旁瓣抑制的目的。但该算法复杂度较高，计算效率低。

瑞典的M.Soltanalian等人发表的《Computational design of sequences withgood correlation properties》以序列自相关函数的PSL或ISL作为优化准则，提出了基于迭代扭曲近似的一系列设计算法，实现了实值序列和二进制序列的设计，使所设计序列的自相关函数具有低旁瓣以及特定区域旁瓣几乎为零的特性，从而达到距离旁瓣抑制的目的。但仿真结果表明，利用该方法所设计的非恒模序列自相关函数较低，旁瓣依然较高，且只有非恒模序列才可以完成特定区域旁瓣置零。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号设计方法，以降低波形的距离旁瓣和设计复杂度。

为实现上述目的，本发明基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号设计方法，包括如下：

(1)将OFDM信号的N个子载波信道中高速串行的数据序列转化成并行传输的低速数据序列，N为大于1的整数；

(2)在OFDM信号中采用频率随机跳变的方法设计N个子载波的载波频率f_n；

(3)在OFDM信号的起始位置加入循环前缀CP；

(4)用N个子载波信道中被转化的低速数据序列对子载波信号进行调制，并将调制后的子载波信号进行叠加，得到基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号，表达式为：

其中，N表示信号的子载波个数，

表示调制后的子载波信号，S_n表示调制后的每个信道上的数据，j为虚数，f_n表示对应第n个子载波的信号频率，t表示为信号采样时间，T为OFDM信号的一个周期时宽，T_CP为循环前缀CP的时宽，T+T_CP为添加循环前缀的OFDM信号的时宽。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.能有效抑制距离旁瓣

现有技术中OFDM波形设计在雷达领域的应用只利用了OFDM波形参数设计的灵活性，通过优化波形设计参数改善雷达性能，而通信系统中的循环前缀却没有在雷达信号设计中充分利用。本发明利用对OFDM发射信号添加循环前缀，消除了不同距离分辨单元之间的干扰，有效抑制了距离旁瓣。

2.能抑制距离旁瓣对目标的干扰

现有技术中频率捷变主要应用于传统雷达的线性调频发射信号和相位编码发射信号的设计中，频率捷变技术应用范围有限。本发明将频率捷变应用到基于CP的OFDM信号设计中，可改善雷达性能，有效抑制距离旁瓣对目标的干扰。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明的发射信号的模型图；

图3是对本发明在探测单个目标时产生的回波信号进行脉冲压缩的仿真结果图；

图4是对本发明在探测多个目标时产生的回波信号进行脉冲压缩的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作详细描述。

发射信号的设计对雷达信号的性能具有重要的影响，目前OFDM信号波形设计主要是对发射序列进行优化设计，通过建立数学优化模型，达到距离旁瓣抑制的目的。上述发射信号的设计，采用传统设计方式，距离旁瓣抑制未达到预期效果。

针对这种现状，本发明展开了研究与探讨，提出一种基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号设计方法。

参见图1，本发明的实现步骤包括如下：

步骤1，对OFDM信号数据序列进行串并转化。

OFDM信号中有N个子载波信道，N个子载波信道的数据序列是高速串行的，需要将高速串行的数据序列转化成并行传输的低速数据序列。

本步骤是将串行的数据序列[S₀,S₁,…,S_n,…S_N-1]进行串并转换，得到并行的数据序列[S₀,S₁,…,S_n,…S_N-1]^T，其中S_n为并行数据序列中的第n个数据，n∈[0,N-1]，T为对串行的数据序列取转置，N为大于1的整数。

步骤2，设计随机跳变的子载波频率。

在OFDM信号中设计N个子载波的载波频率f_n，本步骤采用但不限于频率随机跳变的方法进行设计，其实现如下：

(2.1)假设Δf为固定的间隔频率，对Δf采用随机数a(n)进行调制，产生随机跳变的间隔频率a(n)Δf，其中相邻的间隔频率均不相同；

(2.2)假设雷达发射信号的发射中心载频为f₀，在发射中心载频f₀的基础上，添加(2.1)产生的随机跳变的间隔频率，得到随机跳变的载波频率f_n为：

f_n＝f₀+a(n)Δf

其中a(n)为{0,1,2,…,M-1}中的随机数，其表示第n个发射脉冲信号的频率调制码，n为[0,N-1]的整数，M为随机数取值最大值，M>N由于相邻的间隔频率均不相同，所以随机数a(n)在取值时，相邻的两个数值均不相同。

步骤3，对OFDM发射信号添加循环前缀CP。

本步骤是在OFDM信号的起始位置加入循环前缀CP，实现如下：

(3.1)将OFDM信号的末尾部分作为CP添加到OFDM信号的开端部分，使OFDM信号的开端部分t∈[0,T_CP]与末尾部分t∈[T,T+T_CP]完全一致，如图2；

(3.2)雷达天线照射区域在距离向可分成P个距离分辨单元，可表示为：

其中R为雷达天线照射区域沿距离向的宽度，ρ为雷达沿距离向的分辨率，

B为OFDM发射信号的带宽，c为光速；

(3.3)确定循环前缀CP的长度:

由于OFDM发射信号的回波信号就是将OFDM发射信号在P个距离分辨单元产生的回波信号进行叠加，而叠加的回波信号会产生码间干扰，要消除P个距离分辨单元的回波信号之间的相互干扰，则(3.1)中循环前缀CP的取值长度不能超过距离分辨单元的数量P；又因为在循环前缀长度不足时，回波信号会产生串扰影响，所以循环前缀长度取值需要尽可能长，因此本示例的循环前缀长度取值为P-1。

步骤4，产生基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号。

(4.1)根据步骤2设计的随机跳变子载波频率f_n和设定的信号采样时间t，构建子载波发射信号

(4.2)将低速并行数据序列S_n与子载波信号

相乘，得到调制后的子载波信号

(4.3)将调制后的子载波信号进行叠加，得到基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号，表达式为：

其中，N表示信号的子载波个数，S_n表示并行数据序列第n个数据，j为虚数，f_n表示对应第n个子载波的信号频率，t表示为信号采样时间，T为OFDM信号的一个周期时宽，T_CP为循环前缀CP的时宽，T+T_CP为添加循环前缀的OFDM信号的时宽。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明：

1.仿真参数

设定本发明信号中的各参数数值，如表1所示：

表1基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号的仿真参数

参数符号	参数描述	单位	数值
				M	随机数取值最大值	—	300
N	子载波数量	—	256
				P	距离分辨单元数量	—	100
CP	循环前缀长度值	—	99
				B	发射信号带宽	MHz	150
c	光速	m/s	3×10<sup>8</sup>
				f<sub>0</sub>	发射脉冲信号的载频	GHz	9
Δf	最小跳频间隔	MHz	150

2.在表1参数下对本发明的频率捷变发射信号的回波信号进行脉冲压缩，以验证本发明的设计效果，过程如下：

第一步，将雷达回波信号转化为发射信号序列和目标散射截面积RCS的离散时间线性卷积u_i，可表示为：

其中d_p为第p个距离分辨单元的RCS系数，s_i为t∈[0,T+T_CP]时间内OFDM信号复包络采样值，w_i为雷达接收噪声；

第二步，对转化后的雷达回波信号进行处理：由于开始的P-1个回波信号采样值和结尾的P-1个回波信号采样值没有包含全部的P个回波能量，所以将回波信号最先P-1个和最后P-1个回波信号采样值去掉，处理后的回波信号u_k表示为：

第三步，对处理后的回波信号u_k进行N点快速傅里叶变换FFT，得到变换后的回波值U_k：

U_k＝D_kS_k+W_k,k＝0,1,…,N-1

其中D_k为目标散射系数FFT变换后的值，S_k为发射信号序列FFT变换后的值，W_k为噪声FFT变换后的值；

第四步，对等式两边同时除以S_k，得到D_k的估计值

为：

第五步，对上式得到的

序列末尾处补N-P个0，再进行N点离散逆傅里叶变换IFFT，得到目标散射系数d_p的估计值，即脉冲压缩的结果

其中

为雷达接收噪声估计值。

3.仿真结果与分析

仿真1，设定假定的单个目标位于中心距离单元位置处，对本发明在探测单个目标时的脉冲压缩结果进行仿真，脉冲压缩的输出结果如图3。

从图3可见，观测区域中心峰值处为假定的点目标所在位置，点目标峰值两侧的距离旁瓣的值在-330dB附近，其中x坐标表示距离分辨单元，y坐标表示脉冲压缩的输出结果，表明本发明基于CP的OFDM频率捷变发射信号可以实现超低距离旁瓣，有效的抑制了距离旁瓣。

仿真2，设定假定的多个目标位于不同的距离单元位置处，对本发明在探测多个目标时的脉冲压缩结果进行仿真，脉冲压缩的输出结果如图4。

从图4可见，观测区域峰值处为假定的多个目标所在位置，除目标峰值外距离旁瓣的值在-330dB附近，其中x坐标表示距离分辨单元，y坐标表示脉冲压缩输出结果。从图4中可以看出不同距离分辨单元的目标回波能量之间没有距离旁瓣的串扰，无目标的距离分辨单元的幅度恢复值接近为零，表明本发明能有效抑制距离旁瓣对目标的干扰。

以上仿真实验验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。

Claims (3)

1.一种基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号设计方法，其特征在于，包括如下：

(1)将OFDM信号的N个子载波信道中高速串行的数据序列转化成并行传输的低速数据序列，N为大于1的整数；

(2)在OFDM信号中采用频率随机跳变的方法设计N个子载波的载波频率f_n；实现如下：

(2a)假设Δf为固定的间隔频率，对Δf采用随机数a(n)进行调制，产生随机跳变的不同间隔频率a(n)Δf；

(2b)在发射中心载频f₀的基础上，添加(2a)产生的随机跳变间隔频率，得到随机跳变的载波频率f_n为：

f_n＝f₀+a(n)Δf

其中a(n)为{0,1,2,…,M-1}中的随机数，其表示第n个发射脉冲信号的频率调制码，n为[0,N-1]的整数,其中相邻的两个随机数均不相同，且M＞N；

(3)在OFDM信号的起始位置加入循环前缀CP；

(4)用N个子载波信道中被转化的低速数据序列对子载波信号进行调制，并将调制后的子载波信号进行叠加，得到基于循环前缀的OFDM频率捷变发射信号，表达式为：

其中，N表示信号的子载波个数，

表示调制后的子载波信号，S_n表示调制后的每个信道上的数据，j为虚数，f_n表示对应第n个子载波的信号频率，t表示为信号采样时间，T为OFDM信号的一个周期时宽，T_CP为循环前缀CP的时宽，T+T_CP为添加循环前缀的OFDM信号的时宽。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述(3)在OFDM信号的起始位置加入循环前缀CP，是将OFDM信号的末尾部分作为CP添加到OFDM信号的开端部分，使OFDM信号的开端部分t∈[0,T_CP]与末尾部分t∈[T,T+T_CP]完全一致，该循环前缀CP的长度不超过所设定雷达天线照射区域在距离向分成距离分辨单元的数量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述(1)中将OFDM信号的N个子载波信道中高速串行的数据序列转化成并行传输的低速数据序列，是将串行的数据序列[S₀,S₁,…,S_N-1]串并转换后，得到并行的数据序列[S₀,S₁,…,S_N-1]^T，T为对串行的数据序列取转置。

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