CN113109766A - 多符号准正交ocdm雷达通信一体化信号调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号调制方法,包括:根据应用需求,确定参数,得到OCDM一体化基带信号的符号表达式;改变OCDM一体化基带信号的符号中的调频斜率,获得与OCDM一体化基带信号的符号呈准正交关系的正交OCDM的符号表达式;对OCDM一体化基带信号的符号和正交OCDM进行分时选择,获得包含M个符号的一帧OCDM基带信号表达式,并确定雷达通信一体化信号。本发明使得每个OCDM符号所调制的编码序列具有优良的非周期自相关和互相关特性,解决了雷达通信一体化的模糊函数对通信调制信息的影响敏感问题。
Description
技术领域
本发明属于雷达通信技术,具体为一种多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号调制方法。
背景技术
随着信息技术的飞速发,雷达和通信作为电子信息技术的重要应用,其发展速度远超想象。从电子对抗到民用通信技术,相关技术的应用十分普遍,带给人们生活的变化也显而易见。但伴随着技术发展,对系统的集成度和功能多样化提出更高的要求,将探测、通信以及电子对抗等功能的电子设备集于一个平台存在资源冗杂、系统体积大、相互间电磁干扰等问题,雷达通信一体化的提出为实现系统设备的高效利用和系统集成提供了解决方案,对电子信息技术发展具有重要意义。
为了实现雷达和通信的一体化,关键是设计雷达和通信的一体化的信号波形。目前雷达和通信的一体化的信号波形设计方式包括两类方式:一类方式是采用复用技术对雷达和通信的一体化的信号波形进行设计,另一类方式是直接使用通信信号的雷达波形对雷达和通信的一体化的信号波形进行设计。随着技术进步,先后出现了不同的信号波形的体制,包括时分复用、码分复用和共享信号。其中共享信号的一体化程度最高,不仅最大程度上实现了设备硬件模块共享,而且克服了前文中雷达与通信信号区分带来的缺点。共享信号目前的研究较多,其中OFDM信号的研究已经持续了一段时间,具有很高的实用性。在基于共享信号的雷达通信一体化系统中,需要解决雷达通信信息的分离,通信数据对雷达性能的影响等问题。随着信号处理技术和硬件的发展,实现共享信号的一体化系统逐渐成为可能。
OCDM是一种基于无线通信提出的离散菲涅耳变换(DFnT)的多载波信号。OCDM信号子载波之间带宽相同且正交,具有大时宽带宽积,作为通信信号具有较大的多普勒容限,通信性能好,且能够应用于雷达系统,可以作为雷达通信一体化信号。文献“Lv X,Wang J,Jiang Z.A novel PAPR reduction method for OCDM-based radar-communicationsignal[C].2018 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on 5GHardware and System Technologies(IMWS-5G).IEEE,2018.”首先提出了基于OCDM信号的雷达通信一体化系统的概念,并对系统的结构进行简单说明。后来,学者研究OCDM方案对于联合通信和雷达的适用性,文献“De Oliveira L G,Alabd M B,Nuss B,et al.An OCDMRadar-Communication System[C].202014th European Conference on Antennas andPropagation(EuCAP),Denmark:IEEE,2020:1-5.”介绍了系统的软件无线电实现,并与对等的OFDM系统进行比较,系统的通信性能良好,也可以容易地实现雷达目标的分辨,但相比OFDM雷达的分辨效果仍然有限,需要进一步研究提高分辨力的方法。
上述文献中,使用的正交线性调频复用信号一个脉冲内包含一个OCDM符号,并且在这种波形设计中,未考虑通信调制的不确定性和随时间的可变性给雷达通信一体化信号的模糊函数产生的影响,会导致一体化信号模糊图恶化,雷达的探测性能受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号调制方法。
实现本发明目的的技术方案为:一种多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号调制方法,具体步骤为:
步骤1,根据应用需求,确定参数,得到OCDM一体化基带信号的符号表达式;
步骤2,改变OCDM一体化基带信号的符号中的调频斜率,获得与OCDM一体化基带信号的符号呈准正交关系的正交OCDM的符号表达式;
步骤3,对OCDM一体化基带信号的符号和正交OCDM进行分时选择,获得包含M个符号的一帧OCDM基带信号表达式,并确定雷达通信一体化信号。
优选地,构成OCDM一体化基带信号的符号的第n个子载波线性调频信号为:
式中,T为符号的持续时间,N为子载波数。
优选地,构成OCDM一体化基带信号的符号表达式具体为:
式中,T为符号的持续时间,N为子载波数,m∈[0,1,...,M-1],a(n)∈χ为第n个线性调频信号上的调制的通信信息,χ为二进制码调制方法集合,rect()是矩形窗函数,TOCDM=T+TG是一个OCDM符号的持续时间,TG为保护间隔持续时间,M为符号数。
优选地,符号持续时间满足:
c0为光在空气中的传播速,fc为射频载波频率,Δvmax为要求的速度分辨力;
一帧信号中的符号数M约束为:
Δrmax
式中,为最大分辨率容限。
优选地,正交OCDM的符号表达式的调频斜率为OCDM一体化基带信号的符号的调频斜率的相反数。
优选地,正交OCDM符号表达式为:
式中,T为符号的持续时间,N为子载波数,m∈[0,1,...,M-1],a(n)∈χ为第n个线性调频信号上的调制的通信信息,χ为二进制码调制方法集合,rect()是矩形窗函数,TOCDM=T+TG是一个OCDM符号的持续时间,TG为保护间隔持续时间,M为符号数。
优选地,包含M个符号的一帧OCDM基带信号表达式具体为:
其中,k是符号的二进制码编码序列,第m个符号k(m)为0时表示为加载OCDM,1表示加载Q-OCDM,T为符号的持续时间,N为子载波数,m∈[0,1,...,M-1],a(n)∈χ为第n个线性调频信号上的调制的通信信息,χ为二进制码调制方法集合,rect()是矩形窗函数,TOCDM=T+TG是一个OCDM符号的持续时间,TG为保护间隔持续时间,M为符号数。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:
第一,本发明调制的多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号,一帧信号上加载多个符号周期的通信调制信息,与传统单脉冲调制方式相比在相同带宽下提高了通信的数据率;
第二,本发明调制的多符号准正交的雷达通信一体化信号的模糊函数图的形状为图钉状,相比于基于经典的OCDM信号,在受到通信信息不均匀分布影响时,该模糊函数图的距离模糊图的旁瓣衰减慢,且较为平坦;
第三,本发明通过对OCDM调制波形的改进,使得每个OCDM符号所调制的编码序列具有优良的非周期自相关和互相关特性,能够解决雷达通信一体化的模糊函数对通信调制信息的影响敏感问题。
附图说明
图1为OCDM基带信号的符号结构示意图。
图2为(a)正交OCDM符号的自相关示意图;(b)正交OCDM符号与OCDM符号的互相关示意图。
图3为OCDM与0,1序列MQ-OCDM自相关仿真结果(符号数M=2)。
图4为OCDM与0,1序列MQ-OCDM自相关仿真结果(符号数M=3)
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述:
一种多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号调制方法,根据系统应用需求,确定雷达通信一体化系统的系统要求,选择系统参数,在此基础上得到OCDM符号的基带形式,产生对应的相互呈准正交关系的两种调制符号OCDM以及Q-OCDM,根据编码序列的选择,对符号进行对应的排列,得到多符号准正交的OCDM信号。具体步骤为:
步骤1:根据应用需求,确定参数,根据第n个子载波线性调频信号得到OCDM一体化基带信号的符号表达式sI(t),所述参数包括射频载波频率fc、子载波数N、符号数M、信号带宽B、符号的持续时间T和循环前缀长度Ncp。
构成OCDM一体化基带信号的符号的第n个子载波线性调频信号ψn(t)为:
线性调频信号的瞬时相位为:
瞬时频率为:
在第m个符号时间中,各子载波ψn(t)加载调制的通信信息,构成OCDM一体化基带信号的符号表达式具体为:
其中m∈[0,1,...,M-1],a(n)∈χ为第n个线性调频信号上的调制的通信信息,χ为二进制码调制方法集合,包括PAM,PSK和QAM调制方法等。rect()是矩形窗函数,TOCDM=T+TG是一个OCDM符号的持续时间,TG为保护间隔持续时间,参照图1,为OCDM一体化基带信号的符号示意图。
具体地,参数的具体约束如下:
距离分辨力与带宽呈反比:
其中Δr是距离分辨力,c0是光在空气中的传播速度,B表示信号的总带宽,B=N/T=1/tb,tb是码元持续时间。最大分辨率容限Δrmax,带宽约束为
速度分辨力Δv与帧的持续时间的反比,
要求的速度分辨力Δvmax,则最小的符号持续时间为:
进而,由B和T的取值确定子载波数N=BT。
一帧信号中的符号数M约束为:
步骤2,改变OCDM一体化基带信号的符号的调频斜率,得到与OCDM一体化基带信号的符号呈准正交关系的正交OCDM符号表达式sQ(t)
具体地,对OCDM一体化基带信号的符号表达式,取调频斜率为相反数,得与其呈准正交关系的正交OCDM符号(Q-OCDM)表达式为
参照图2,正交OCDM符号的自相关特性,以及与OCDM符号的互相关,其中子载波数N为1024。从图2看出,正交OCDM符号和OCDM符号的互相关峰值与自相关峰值的比值小于-22dB,体现出两者是准正交的。
步骤3,按照符号的编码序列k对步骤1和步骤2的结果进行分时选择,获得包含M个符号的一帧OCDM基带信号表达式s(t)。其特征是对通信信息不敏感的雷达通信一体化信号。
具体地,包含M个符号的一帧OCDM基带信号表达式s(t)表示为:
其中,k是符号的二进制码编码序列,第m个符号k(m)为0时表示为加载OCDM,1表示加载Q-OCDM。
k的编码组合的自相关特性越好,对应的MQ-OCDM信号的自相关特性就越好,使得信号可以更好地抑制信号的栅瓣峰值。因此编码序列的选择,应该尽可能选取自相关特性最佳的二进制码序列。
本发明调制的信号消除了通信信息不均匀分布带来的自相关旁瓣,解决一体化系统中通信信息敏感的问题。
本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明。
(一)仿真参数:
先确定仿真中OCDM信号的基本参数,
表1本文中的系统参数设计
仿真实验1符号数M设定为2,即k(m)=[1 0],产生一个符号周期的OCDM信号和一个周期的正交OCDM信号,组成MQ-OCDM,OCDM信号保持条件相同。仿真实验2将M设定为3,调制序列k(m)=[101],产生相同长度的OCDM信号和MQ-OCDM信号,两个符号均采用随机生成的二进制码调制。
(二)仿真内容:
在调制数字信息时,OCDM与0,1序列MQ-OCDM一体化信号调制同一组的通信数据,且通信数据具有不同重复率时,随机信息做10次平均的自相关特性。
图3是OCDM与0,1序列MQ-OCDM自相关仿真结果(符号数M=2)通信信息(a)重复率0%(b)重复率25%(c)重复率50%。图4是OCDM与0,1序列MQ-OCDM自相关仿真结果(符号数M=3)通信信息重复率(a)0%(b)25%(c)50%
(三)结果分析
(1)参照图3,为从上图中,明显可以看出,通信信息重复率50%时,OCDM信号自相关出现明显的栅瓣峰值点,通信信息重复率25%时,OCDM信号自相关的栅瓣峰值略低。在图3(a)和(b)中,MQ-OCDM在主峰的两侧完全没有出现高的栅瓣。相比于OCDM一体化信号对于通信信息的高敏感度,调制了相同通信信息的MQ-OCDM雷达通信一体化信号则可以完全消除重复率带来对自相关函数的影响,MQ-OCDM信号的设计对解决通信信息对雷达性能影响的效果是比较明显的。
(2)参照图4,当信息完全随机的情况下,MQ-OCDM和OCDM相比自相关性能接近,但MQ-OCDM的栅瓣分布更平均。在图4(b)中,OCDM同样自相关出现对称的两组栅瓣峰值,PSL为-15.51dB,对应的MQ-OCDM的PSL为-20.18dB,降低了4.66dB。调制的通信信息重复率为50%时,OCDM信号自相关出现对称的两组栅瓣峰值,PSL为-10dB;MQ-OCDM在主峰的两侧的第一组峰值被完全消除,但第二栅瓣峰值还OCDM保持在同一水平,其PSL为-16.41dB,相对降低6.41dB。
综上所述,仿真实验验证了本发明的正确性,有效性和可靠性。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围;这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号调制方法,其特征在于,具体步骤为:
步骤1,根据应用需求,确定参数,得到OCDM一体化基带信号的符号表达式;
步骤2,改变OCDM一体化基带信号的符号中的调频斜率,获得与OCDM一体化基带信号的符号呈准正交关系的正交OCDM的符号表达式;
步骤3,对OCDM一体化基带信号的符号和正交OCDM进行分时选择,获得包含M个符号的一帧OCDM基带信号表达式,并确定雷达通信一体化信号。
5.根据权利要求1所述的多符号准正交OCDM雷达通信一体化信号调制方法,正交OCDM的符号表达式的调频斜率为OCDM一体化基带信号的符号的调频斜率的相反数。
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