CN112737998B - 一种基于ocdm的雷达通信一体化信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OCDM的雷达通信一体化信号设计方法，利用通信信息对原始相位编码序列进行移位编码，然后将编码后的序列矩阵调制到OCDM信号上，得到雷达通信一体化信号。本发明设计出的信号属于多载波调制，OCDM信号由一组正交的线性调频信号构成，对多普勒不敏感，具有较好的雷达探测性能，且其实现过程和OFDM信号具有相似性，可兼容到OFDM系统中。

Description

一种基于OCDM的雷达通信一体化信号设计方法

技术领域

本发明属于雷达通信一体化领域，具体为一种基于OCDM的雷达通信一体化信号设计方法。

背景技术

随着信息技术的发展，现代战争配备的作战系统从单一化向综合性发展，作战平台配备大量的电磁设备。然而过多的设备集中于作战平台，带来体积与功耗的增加、设备间干扰、系统作战性能与效率降低等一系列问题，极大的影响平台综合作战能力，因此研究作战平台上不同电子信息系统的一体化设计有着重要的意义。

随着通信技术的快速发展，各种通信设备与日俱增，导致频谱资源占用愈加拥挤。而现有的雷达系统占有着丰富的频谱资源，但是利用率却较低。雷达通信一体化可以使得雷达系统与通信系统在完成各自功能的同时共用频谱资源。系统实现的重要手段之一便是使用雷达通信一体化波形，该波形可以同时实现探测与通信两种功能，接收机对回波信号进行处理得到目标信息，同时可接收传输过来的一体化信号解调得到调制数据。

目前的一体化系统设计研究大致可分为两大类：一种是基于复用技术，包括空分复用、时分复用、频分复用、码分复用，这一类设计是雷达和通信各自用独立的波形，然后采用某种复用技术合成复用波形，特点是实现难度较低，雷达与通信波形之间相互的影响较小，在硬件实现上也比较容易，但是此类设计不是真正意义上的一体化，不能同时实现雷达探测与通信数据传输；另一种是基于雷达通信共享单一波形，这类设计主要分为两种方式，一种是在常用雷达波形上调制通信信息，雷达波形在进行探测的同时完成数据传输，另一种是将通信多载波信号如OFDM信号直接用于雷达探测，目前波形共享是雷达通信一体化的主流研究方向。

在常用雷达波形上调制通信信息的方式适用于对通信速率要求不高的场景，而OFDM一体化信号虽然通信速率较高，但子载波正交性易受多普勒频偏影响，导致性能下降。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于OCDM的雷达通信一体化信号设计方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于OCDM的雷达通信一体化信号设计方法，包括以下步骤：

步骤1：产生原始相位编码序列；

步骤2：将通信数据串并转换成N组数据，并确定相位编码序列长度，根据每组二进制信息对应的十进制数字大小对相位编码序列进行循环移位，得到阶数为N×M的互补码信息矩阵；

步骤3：将步骤2得到的互补码信息矩阵通过离散菲涅尔逆变换调制到正交线性调频信号集上，得到雷达通信一体化信号。

优选地，所述原始相位编码序列具体为：

其中，M为相位编码序列长度，T表示相位编码序列中子码元宽度，

为各码元包络，a_n,m表示第m组线性调频信号集上第n个相位编码信息。

优选地，第m组线性调频信号集上第n个相位编码信息的具体表达式为：

a_n,m＝exp(jφ_m)m＝1,2,…,M

其中，相位状态φ_m为：

优选地，相位编码序列长度具体为：

M＝2^k

其中，k为正整数。

优选地，步骤3设计出的雷达通信一体化信号具体为：

其中，N表示一组线性调频信号个数，u_n(t)为原始相位编码序列，T为相位编码序列中子码元宽度。

优选地，步骤3中通过离散菲涅尔逆变换实现调制的具体过程为：

步骤3-1、将离散菲涅尔变换拆分为两个二次相位项Θ₁、Θ₂和一个傅里叶变换W：

其中，N表示一组线性调频信号数目；

步骤3-2、将步骤2中得到的互补码信息矩阵a与以平方相位项Θ₂共轭为对角线数据的矩阵相乘，通过IFFT变换后与对角线数据为Θ₁共轭的矩阵相乘，得到雷达通信一体化信号s：

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明利用多载波调制技术提升数据传输速率，使用正交线性调频信号减小多普勒对信号的影响，同时通过P4码循环移位的方式携带通信数据，通过本发明所设计的信号在提升通信速率的同时对多普勒不敏感，具有良好的雷达探测与通信性能

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明中一体化信号设计原理。

图2是本发明一体化信号的产生过程。

图3是本发明信号模糊函数图。

图4是本发明信号距离模糊函数。

图5是本发明信号速度模糊函数。

图6是本发明仿真的误码率-信噪比曲线图。

图7是本发明一体化信号接收端数据解调过程。

具体实施方式

如图1所示，一种基于OCDM的雷达通信一体化信号设计方法，利用通信数据控制相位编码序列循环移位，将移位后的相位编码信息通过离散菲涅尔逆变换调制到OCDM信号上，并利用IFFT实现离散菲涅尔逆变换。具体包括以下步骤：

步骤1：利用P4码产生原始相位编码序列：

其中，M为相位编码序列长度，T表示相位编码序列中子码元宽度，

为各码元包络，a_n,m表示第m组线性调频信号集上第n个相位编码信息，具体表达式为：

a_n,m＝exp(jφ_m)m＝1,2,…,M

其中，相位状态φ_m为：

步骤2：将通信数据串并转换成N组数据，每组数据包含kbit信息。其中，N为一组线性调频信号数目，为获得最佳调制效率，选取M的值为2的正整数次幂，即

M＝2^k

本发明信号的通信速率为：

根据每组二进制信息对应的十进制数字大小对相位编码序列进行循环移位，得到阶数为N×M的互补码信息矩阵。

例如，以步骤1中得到的原始相位编码序列为基准，当第n组二进制信息对应的十进制数字大小为l，则将原始相位编码序列循环右移l位。

步骤3：将步骤2得到的互补码信息矩阵通过离散菲涅尔逆变换调制到正交线性调频信号集上，得到雷达通信一体化信号

其中N表示一组线性调频信号数目，一体化信号的带宽B＝N/T。

其中，调制过程通过IFFT和两个附加二次相位项完成，具体为：

以B为采样率，给出一体化信号s(t)的离散形式：

根据离散菲涅尔变换表达式：

其中，Φ(m,n)表示N×N阶DFnT矩阵中第(m,n)项。将离散菲涅尔变换拆分为两个二次相位项Θ₁、Θ₂和一个傅里叶变换W：

将互补码信息矩阵a与以平方相位项Θ₂共轭为对角线数据的矩阵相乘，然后通过IFFT变换后与对角线数据为Θ₁共轭的矩阵相乘，得到雷达通信一体化信号s：

其中W_I表示傅里叶逆变换矩阵，

和

表示Θ₁和Θ₂的共轭。

在某些实施例中，步骤2中，选取线性调频信号数目N＝M＝2^k，k为正整数，一方面可获得最大的调制效率，另一方面便于利用傅里叶逆变换实现调制过程。

本发明设计的一体化信号既包含了通信信息，又能实现雷达探测功能。

实施例

本实施例考虑一种简单的情况，令线性调频信号数目N＝16，原始相位编码序列用16位P4码。

用matlab软件随机生成64bit二进制信息，将其转换为16组，每组4bit，即k＝4。

设置码元宽度T＝1us，不对线性调频信号做加权处理。

信号的产生如图2所示，对发送数据进行分组串并转换，得到16组数据，每组4bit，根据每组二进制信息对应的十进制数字大小对相位编码序列进行循环移位，例如当第n组二进制信息对应的十进制数字大小为l，则将原始相位编码序列循环右移l位，得到互补相位编码序列信息矩阵，然后将信息矩阵与以平方相位项Θ₂共轭为对角线数据的矩阵相乘，通过IFFT变换后再与对角线数据为Θ₁共轭的矩阵相乘，最终完成调制得到雷达通信一体化信号。

利用模糊函数表征信号的雷达探测性能。对本实例下一体化信号的模糊函数进行仿真，如图3所示，模糊函数形状接近图钉型，满足雷达探测的需求。随机产生多组不同的二进制信息，在本实例条件下进行仿真，模糊函数略有起伏，但均接近理想的图钉型模糊函数。同时仿真信号的距离模糊函数和速度模糊函数，如附图4、附图5所示，一体化信号测距测速性能良好。

对本实例下一体化信号的误码率性能进行仿真，如附图6所示。与多载波相位编码信号(MCPC)误码率性能进行对比，可以看出本发明信号误码率更低，理论上可保证通信的可靠性。

对通信功能而言，通信接收端可通过离散菲涅尔变换完成解调，如附图7所示。首先对接收到的一体化信号进行串并转换，然后乘上以Θ₁为对角线的矩阵，经过FFT变换后再乘上以Θ₂为对角线的矩阵，最后经过并串转换和相关处理即可得到解调数据。其中相关处理过程具体为：将解调后的信号分别与16组相位编码序列不同移位情况下所得的序列进行相关运算，选出相关峰值最大的一组相位编码序列，其移位位数对应的4比特信息即为发送端传输的通信信息。

Claims (1)

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

步骤1：产生原始相位编码序列，所述原始相位编码序列具体为：

其中，M为相位编码序列长度，T表示相位编码序列中子码元宽度，

为各码元包络，a_n,m表示第m组线性调频信号集上第n个相位编码信息，具体表达式为：

a_n,m＝exp(jφ_m)m＝1,2,…,M

其中，相位状态φ_m为：

步骤2：将通信数据串并转换成N组数据，并确定相位编码序列长度，根据每组二进制信息对应的十进制数字大小对相位编码序列进行循环移位，得到阶数为N×M的互补码信息矩阵，其中，相位编码序列长度具体为：

M＝2^k

其中，k为正整数；

步骤3：将步骤2得到的互补码信息矩阵通过离散菲涅尔逆变换调制到正交线性调频信号集上，得到雷达通信一体化信号，设计出的雷达通信一体化信号具体为：

其中，N表示一组线性调频信号个数，u_n(t)为原始相位编码序列，T为相位编码序列中子码元宽度；

通过离散菲涅尔逆变换实现调制的具体过程为：

步骤3-1、将离散菲涅尔变换拆分为两个二次相位项Θ₁、Θ₂和一个傅里叶变换W：

其中，N表示一组线性调频信号数目；

步骤3-2、将步骤2中得到的互补码信息矩阵a与以二次相位项Θ₂共轭为对角线数据的矩阵相乘，通过IFFT变换后与对角线数据为Θ₁共轭的矩阵相乘，得到雷达通信一体化信号s：

其中W_I表示傅里叶逆变换矩阵，

和

表示Θ₁和Θ₂的共轭。

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