CN113347132A - 一种基于tds-ofdm的雷达通信一体化信号确定及传输方法 - Google Patents

一种基于tds-ofdm的雷达通信一体化信号确定及传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于TDS‑OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，(1)根据Walsh矩阵，生成Nc组正交多相码，作为初始正交多相码，采用遗传算法，对生成的Nc组初始正交多相码进行优化选择；(2)根据步骤(1)优化选择后的Nc组正交多相码，得到TDS‑OFDM雷达通信一体化信号；(3)对步骤(2)得到TDS‑OFDM雷达通信一体化信号的子载波进行幅度和相位调制，使得TDS‑OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比达到设定的要求，即得到优化后的TDS‑OFDM雷达通信一体化信号；(4)输出步骤(3)优化后的TDS‑OFDM雷达通信一体化信号。实现基于TDS‑OFDM的雷达通信一体化信号确定和传输。

Description

一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法
技术领域
本发明涉及一种基于TDS-OFDM的雷法通信一体化信号确定及传输方法，属于多功能一体化电子系统通信技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，不同功能的电子装备对电磁频谱的竞争愈加激烈，为了提升频谱资源的利用率，满足现代战争对多功能一体化电子装备的需求，多功能一体化波形设计具有重要的研究意义与应用前景。
为了实现雷达与通信功能，传统的方式是相互独立的雷达与通信设备组装在一个平台上，而雷达通信一体化则是雷达与通信的发射、接收、处理等分系统共享，显著降低系统冗余、体积、重量、能耗以及操作复杂度。随着5G乃至6G无线通信技术的快速发展，通信与雷达都需要更大的带宽，导致频谱资源短缺问题愈加明显。解决该问题的一种有效方法是将雷达与通信的波形共享，即一体化波形。
西安电子科技大学廖桂生，刘永军，郭学敏以及王英等在其申请的专利“一种雷达通信一体化信号的优化方法”(申请号：201510443619.4，公告号：CN 105306399 B)中公开了一种雷达通信一体化信号的优化方法。该方法采用CP(Cyclic Prefix)-OFDM体制进行雷达通信一体化信号优化设计，通过采用gold序列对所发射的通信信息进行调制，得到对通信调制信息不敏感的雷达通信一体化信号。该方法的不足之处是，在CP-OFDM体制下，ODFM符号的循环前缀在互相关操作过程中产生高的副瓣电平导致雷达探测性能恶化，另外，由于每个发射脉冲的通信调制信息不同，会影响雷达信号的脉冲相参积累性能，该方法设计中未考虑脉冲之间的相参积累性能。
电子科技大学张天贤，王远航，汪子钦等人在其申请的专利“一种基于正交频分复用的雷达通信一体化信号设计方法”(申请号：201810232683.1，公告号：CN 108512797 B)中提出一种基于正交频分复用的雷达通信一体化信号设计方法。该方法采用任意脉冲长度的OFDM波形作为雷达通信一体化信号设计的基础，首先利用时域限幅来降低信号的峰均比，然后利用频域滤波与频域限幅保证信号的脉冲压缩性能，最后利用间隔式相位压缩法嵌入通信信息。该方法可以缓解雷达通信一体化信号由于通信信息嵌入导致信号峰均比高和脉压性能恶化的问题。但是该方法为了保证脉冲长度可任意将OFDM循环前缀置零，引起信噪比损失，破怀子载波周期性，另外，波形在OFDM信号基础上进行时域限幅、频域限幅以及频域滤波处理，会影响子载波之间的正交性。另外，由于每个发射脉冲的通信调制信息不同，会影响雷达信号的脉冲相参积累性能，该方法设计中未考虑脉冲之间的相参积累性能。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，改善了信号的脉冲压缩性能与脉冲间相参积累性能，解决了OFDM信号峰值均值功率比过高导致功率放大器非线性失真的问题，能够更好地兼顾通信与雷达探测功能。
本发明解决的技术方案为：一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，步骤如下：
(1)根据Walsh矩阵，生成M组正交多相码，作为初始正交多相码；采用遗传算法，对生成的M组初始正交多相码进行优化选择，使优化选择后得到的Nc组正交多相码中任意两组正交多相码的平均延时互相关值和任意一组正交多相码的平均相位达到设定的要求；Nc≤M；
(2)根据步骤(1)优化选择后的Nc组正交多相码，得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号；TDS-OFDM雷达通信一体化信号采用脉冲形式发射，每个脉冲均含有Nc个子载波，每个子载波包含Ns个TDS-OFDM符号；每个TDS-OFDM符号包括伪随机序列和调制后的通信信息，伪随机序列为优化后选择的Nc组正交多相码的一部分，优化选择后的Nc组正交多相码的另一部分为通信信息预调制序列，调制后的通信信息是由通信信息预调制序列对要发送的通信信息进行调制得到的；
(3)对步骤(2)得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波进行幅度和相位调制，使得TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比达到设定的要求，即得到优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号；
(4)输出步骤(3)优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号；实现基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定与传输。
优选的，Nc为需要得到的TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目。
优选的，Ns个TDS-OFDM符号中的各个TDS-OFDM符号包含的伪随机序列不重叠，且Ns个TDS-OFDM符号中的各个TDS-OFDM符号对应的通信信息预调制序列不重叠。
优选的，Walsh矩阵由一组完备的正交函数系walsh函数等间隔采样得到，walsh函数在1和-1中取值。
优选的，TDS-OFDM是指采用伪随机序列填充保护间隔来实现通信同步与信道估计的时域同步正交频分复用调制技术。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明涉及一种基于TDS-OFDM(Time Domain Synchronization-OrthogonalFrequency Division Multiplexing)的雷法通信一体化信号设计方法，可以广泛应用于涉及“多功能一体化电子系统”的军用与民用领域。本发明可用于基于运动平台的多功能一体化电子设备波形设计，以同时实现雷达探测与通信功能。
(2)本发明利用优化设计的正交多相码对通信信息进行预调制，以解决雷达通信一体化信号的模糊函数对所携带通信信息敏感的问题，可以改善信号的脉冲压缩性能与脉间相参积累性能，从而使得本发明所设计的雷达通信一体化信号兼顾通信性能的同时可以提高雷达探测性能。
(3)本发明基于TDS-OFDM符号体制，优化设计正交多相码序列来代替CP-OFDM符号中的循环前缀，可以实现通信同步与信道估计功能，同时避免了CP-OFDM符号的循环前缀在自相关运算中出现高副瓣电平而严重影响雷达探测性能的问题，使得本发明所设计的雷达通信一体化信号信号更适合雷达通信共享系统。
(4)本发明在设计雷达通信一体化信号中，通过优化子载波加权系数来降低信号的峰值均值功率比，缓解了OFDM信号因峰值功率比过高导致功率放大器非线性失真的问题，使得本发明所设计的雷达通信一体化信号具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定方法流程图；
图2为不同一体化信号的距离模糊函数对比图；
图3为不同一体化信号的速度模糊函数对比图；
图4为不同一体化信号的符号相位分布对比图；
图5为本发明所提出的一体化信号峰值均值功率比优化效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，(1)根据Walsh矩阵，生成Nc组正交多相码，作为初始正交多相码，采用遗传算法，对生成的Nc组初始正交多相码进行优化选择，使优化选择后得到的Nc组正交多相码中任意两组正交多相码的平均延时互相关值和任意一组正交多相码的平均相位达到设定的要求；(2)根据步骤(1)优化选择后的Nc组正交多相码，得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号；(3)对步骤(2)得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波进行幅度和相位调制，使得TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比达到设定的要求，即得到优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号；(4)输出步骤(3)优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号。实现基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定和传输。
本发明的方法适用于雷达与通信共享发射、接收、处理等分系统时同时实现雷达与通信功能，能够解决已有雷达与通信一体化信号距离模糊函数旁瓣电平高、脉冲相参积累性能差以及峰值均值功率比高的问题，可以更好地兼顾雷达与通信性能。
本发明方法的实现流程如图1所示，优选方案实现步骤如下：
(1)根据Walsh矩阵，生成Nc组正交多相码，作为初始正交多相码，Nc为需要得到的TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目；采用遗传算法，对生成的Nc组初始正交多相码进行优化，使优化后得到的Nc组正交多相码中任意两组正交多相码的平均延时互相关值和任意一组正交多相码的平均相位达到设定的要求；优选方案具体如下：
(1a)基于Walsh矩阵生成Nc组码长均为L的正交多相码。正交多相码的组数Nc等于TDS-OFDM信号的子载波数目，每一组正交多相码的码长L按照下式计算
L＝max(Ns×No,2Nc)
其中，L表示任意一组正交多相码的码长，max(,)表示取最大值，Ns表示1个子载波中TDS-OFDM符号的数目，各个子载波中TDS-OFDM符号数目相同，No表示1个TDS-OFDM符号中包含的码元数目，各个TDS-OFDM符号中码元数目相同，Nc表示子载波的数目。
(1b)通过对一组完备的正交函数系walsh函数等间隔采样得到Walsh矩阵。
以Hadamard序(Hadamard序也称为反Paley序的Walsh函数)为例，第m层Hadamard序按照下式计算
Figure BDA0003083555510000061
其中，Wm表示第m层Hadamard序，m表示Hadamard序的层数，取值为m＝[log2(L)]*，[]*表示向下取整符号，第0层Hadamard序记作W0＝[1]，Wm-1表示第m-1层Hadamard序。根据上式通过递归计算方式可以得到第m层Hadamard序的具体形式。
(1c)基于第m层Hadamard序生成正交多相码，以四相码为例，基于第m层Hadamard序的正交四相码按照下式构造
Figure BDA0003083555510000062
其中，C0(m)表示第m层Hadamard序的正交四相码矩阵，m表示Hadamard序的层数，矩阵C0(m)的维数为M×M，M＝2m+1,-j表示虚数单位，有(-j)2＝1。
将矩阵C0(m)的每一行作为一组正交多相码，可以获得M组正交多相码，这M组正交多相码作为初始的M组正交多相码。
(1d)基于遗传算法对初始的M组正交多相码进行优化选择，优化选择后得到Nc组码长均为L的正交多相码。
将初始的M组正交多相码作为初始种群，可以获得M个初始种群，每一个初始种群包含N个码元,数值上M＝N。
(1d1)按照下式计算第i个种群的适应度
Figure BDA0003083555510000063
其中，fi表示第i个种群的适应度，i表示种群序数，1≤i≤M，exp()表示以自然数e为底的指数，xi表示第i个种群与其他种群的平均延时互相关值，hx表示平均延时互相关带宽，yi表示第i个种群的平均相位值，hy表示平均相位带宽。
第i个种群与其他种群的平均延时互相关值xi按照下式计算
Figure BDA0003083555510000071
其中，xi表示第i个种群与其他种群的平均延时互相关值，i表示种群序数，1≤i≤M，M表示种群个数，N表示每一个种群的码元个数，N＝M，∑表示求和操作，[]r表示正向循环移动r个码元操作，r表示正向循环移动的码元个数，Ci表示第i个种群的码元向量，包括N个码元，维数为1×N，Cp表示第p个种群的码元向量，包括N个码元，维数为1×N，p表示种群序数，H表示共轭转置。
第i个种群的平均相位yi按照下式计算
Figure BDA0003083555510000072
其中，yi表示第i个种群的平均相位，i表示种群序数，N表示每一个种群的码元个数，angle()表示取相位操作，Ci,p表示第i个种群的第p个码元，D表示正交码的相位类数，以四相码为例，相位类数为四，则D＝4，π表示圆周率。
(1d2)将M个种群按照自适应度升值排序后，得到种群集合Ω，在Ω中除去前Nc个种群外(自适应度升值排序)，其余种群进行交叉与变异操作。
(1d3)完成步骤(2)后，按照下式计算Ω中前Nc个种群的适应度均值
Figure BDA0003083555510000073
其中，α表示前Nc个种群的适应度均值，Nc表示参与计算上式适应度均值的种群数目，在数值上等于TDS-OFDM信号的子载波数目，fi表示集合Ω中第i个种群的适应度，i表示种群序数。
(1d4)若Ω中前Nc个种群的适应度均值α小于设置的自适应度门限ηα，则重复步骤(1d1)到(1d3)，重新利用(1d4)进行判定，直到满足α≥ηα则停止迭代，ηα表示设置的自适应度门限。
(1d5)满足α≥ηα后，Ω中前Nc个种群作为优化选择的Nc组正交多相码，记作
Figure BDA0003083555510000081
cl表示第l组优化设计的正交多相码，l＝1,2,…,Nc，其中，每一组正交多相码包含的码元为对应种群中任意L个连续的码元。
(2)根据步骤(1)优化后的Nc组正交多相码，得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号；TDS-OFDM雷达通信一体化信号采用脉冲形式发射，每个脉冲均含有Nc个子载波，每个子载波包含Ns个TDS-OFDM符号；每个TDS-OFDM符号包括伪随机序列和调制后的通信信息，伪随机序列为优化后的Nc组正交多相码的一部分，优化后的Nc组正交多相码的另一部分为通信信息预调制序列，调制后的通信信息是由通信信息预调制序列对要发送的通信信息进行调制得到的；Ns个TDS-OFDM符号中的各个TDS-OFDM符号包含的伪随机序列不重叠，且Ns个TDS-OFDM符号中的各个TDS-OFDM符号对应的通信信息预调制序列不重叠，优选方案具体如下：
TDS-OFDM雷达通信一体化信号采用脉冲形式发射，每一个脉冲发射的TDS-OFDM雷达通信一体化信号如下式所示：
Figure BDA0003083555510000082
其中，S(n)表示每一个脉冲发射的TDS-OFDM雷达通信一体化信号，n表示慢时间序数，Nc表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目，Ns表示TDS-OFDM符号个数，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数，wu表示第u个子载波的加权系数，u＝1,2,…,Nc，A(u,v,n)表示第u个子载波的第v个TDS-OFDM符号第n个码元，n表示TDS-OFDM符号的码元序数，n＝1,2,…,No，No表示一个TDS-OFDM符号的码元数目，exp()表示以自然数e为底的指数，-j表示虚数单位，有(-j)2＝1，π表示圆周率，Δf表示子载波频率间隔，T0表示码元的时间周期，T0＝Ts/No，Ts表示一个TDS-OFDM符号的时间周期，rect()表示矩形窗函数。
TDS-OFDM雷达通信一体化信号的第u个子载波第v个TDS-OFDM符号按照如下方式定义：
A(u,v)＝[b(u,v),a(u,v)]
其中，A(u,v)表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的第u个子载波第v个TDS-OFDM符号，由伪随机序列b(u,v)和调制后的通信信息a(u,v)组成，b(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的伪随机序列，a(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号调制后的通信信息，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数。
步骤1优化选择后的第l组正交多相码作为TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第l个子载波的伪随机序列与通信信息预调制序列。
TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的伪随机序列按照如下方式定义
Figure BDA0003083555510000091
其中，b(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的伪随机序列，包含Nb个伪随机码字，Nb表示一个TDS-OFDM符号中伪随机序列的码字数目，cu(vNc-Nc+1)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNo-No+1个码字，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数，cu(vNo-No+d)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNo-No+d个码字，d表示TDS-OFDM符号中的伪随机码字序数，d＝1,…,Nb。
TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的通信信息预调制序列为
Figure BDA0003083555510000101
式中，cu(vNc-Nc+Nb+1)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+1个码字，cu(vNc-Nc+Nb+z)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+z个码字，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数，z表示TDS-OFDM符号中通信码字序数，z＝1,…,No-Nb，No-Nb表示一个TDS-OFDM符号中通信码字的数目，Nb表示一个TDS-OFDM符号中伪随机序列的码字数目，No表示一个TDS-OFDM符号的码字总数目，
利用通信信息预调制序列对要发送的通信信息进行调制，得到调制后的通信信息，具体地，TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的调制后的通信信息，按照如下方式定义
Figure BDA0003083555510000102
其中，a(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的调制后的通信信息，d(u,v,z)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号中第z个要发送的通信信息，d(u,v,z)∈{1,0}，z表示TDS-OFDM符号中要发送的通信码字序数，z＝1,…,No-Nb，No-Nb表示一个TDS-OFDM符号中要发送的通信码字数目，Nb表示一个TDS-OFDM符号中伪随机序列的码字数目，No表示一个TDS-OFDM符号的码字总数目，cu(vNc-Nc+Nb+1)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+1个码字，cu(vNc-Nc+Nb+z)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+z个码字，u表示子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数。
(3)对步骤(2)得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波进行幅度和相位调制，使得TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比达到设定的要求，即得到优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号；优选方案具体如下：
(3a)随机产生Nc个相位
Figure BDA0003083555510000111
作为相位调制向量，随机产生Nc个取值在0到1之间的实数
Figure BDA0003083555510000112
作为幅度调制向量，Nc表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目，步骤2中得到的TDS-OFDM雷达通信一体化信号S(t)的第u个子载波加权系数为
Figure BDA0003083555510000113
其中，wu表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号S(t)的第u个子载波加权系数，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，u＝1,2,…,Nc，Nc表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目，gu表示幅度调制向量
Figure BDA0003083555510000114
中第u个元素，用于对第u个子载波进行幅度调制，
Figure BDA0003083555510000115
表示相位调制向量
Figure BDA0003083555510000116
中的第u个元素，用于对第u个子载波进行相位调制。
将上式的子载波加权系数带入步骤2得到的TDS-OFDM雷达通信一体化信号公式中，得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号。
(3b)按照下式计算TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比：
Figure BDA0003083555510000117
其中，Ps表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比，S(t)表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号，max()表示最大值，mean()表示求均值，||表示复数求模值。
(3c)若TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比小于给定的峰值均值功率比指标，即Ps<ηpmr，ηpmr表示给定的峰值均值功率比指标，则当前的TDS-OFDM雷达通信一体化信号作为优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号，转入步骤4输出；否则，重复(3a)到(3b)，直到满足Ps<ηpmr。
(4)输出步骤(3)优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号；实现基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定与传输。优选方案具体如下：
优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号在已有的脉冲雷达系统上以脉冲形式传输，即完成TDS-OFDM雷达通信一体化信号的传输。
本发明可应用于兼顾雷达与通信功能的电子设备发射信号产生，通过实现雷达与通信的发射、接收系统的共享，从而显著降低电子系统冗余、体积、重量、能耗、操作复杂度等，提高频谱资源利用率，其优选方案实现步骤如下：
步骤1，优化生成Nc组正交多相码。
(1a)基于Walsh矩阵生成Nc组码长均为L的正交多相码。
正交多相码的组数Nc等于TDS-OFDM信号的子载波数目，每一组正交多相码的码长L按照下式计算
L＝max(Ns×No,2Nc)
其中，L表示任意一组正交多相码的码长，max(,)表示取最大值，Ns表示1个子载波中TDS-OFDM符号的数目，各个子载波中TDS-OFDM符号数目相同，No表示1个TDS-OFDM符号中包含的码元数目，各个TDS-OFDM符号中码元数目相同，Nc表示子载波的数目。
通过对一组完备的正交函数系walsh函数等间隔采样得到Walsh矩阵。
以Hadamard序(Hadamard序也称为反Paley序的Walsh函数)为例，第m层Hadamard序按照下式计算
Figure BDA0003083555510000121
其中，Wm表示第m层Hadamard序，m表示Hadamard序的层数，取值为m＝[log2(L)]*，[]*表示向下取整符号，第0层Hadamard序记作W0＝[1]，Wm-1表示第m-1层Hadamard序。根据上式通过递归计算方式可以得到第m层Hadamard序的具体形式。
基于第m层Hadamard序生成正交多相码，以四相码为例，基于第m层Hadamard序的正交四相码按照下式构造
Figure BDA0003083555510000131
其中，C0(m)表示第m层Hadamard序的正交四相码矩阵，m表示Hadamard序的层数，矩阵C0(m)的维数为M×M，M＝2m+1,-j表示虚数单位，有(-j)2＝1。
将矩阵C0(m)的每一行作为一组正交多相码，可以获得M组正交多相码，这M组正交多相码作为初始的M组正交多相码。
(1b)基于遗传算法对初始的M组正交多相码进行优化选择，优化选择后得到Nc组码长均为L的正交多相码。
将初始的M组正交多相码作为初始种群，可以获得M个初始种群，每一个初始种群包含N个码元,数值上M＝N。
(1)按照下式计算第i个种群的适应度
Figure BDA0003083555510000132
其中，fi表示第i个种群的适应度，i表示种群序数，1≤i≤M，exp()表示以自然数e为底的指数，xi表示第i个种群与其他种群的平均延时互相关值，hx表示平均延时互相关带宽，yi表示第i个种群的平均相位值，hy表示平均相位带宽。
第i个种群与其他种群的平均延时互相关值xi按照下式计算
Figure BDA0003083555510000133
其中，xi表示第i个种群与其他种群的平均延时互相关值，i表示种群序数，1≤i≤M，M表示种群个数，N表示每一个种群的码元个数，N＝M，∑表示求和操作，[]r表示正向循环移动r个码元操作，r表示正向循环移动的码元个数，Ci表示第i个种群的码元向量，包括N个码元，维数为1×N，Cp表示第p个种群的码元向量，包括N个码元，维数为1×N，p表示种群序数，H表示共轭转置。
第i个种群的平均相位yi按照下式计算
Figure BDA0003083555510000141
其中，yi表示第i个种群的平均相位，i表示种群序数，N表示每一个种群的码元个数，angle()表示取相位操作，Ci,p表示第i个种群的第p个码元，D表示正交码的相位类数，以四相码为例，相位类数为四，则D＝4，π表示圆周率。
(2)将M个种群按照自适应度升值排序后，得到种群集合Ω，在Ω中除去前Nc个种群外(自适应度升值排序)，其余种群进行交叉与变异操作。
(3)完成步骤(2)后，按照下式计算Ω中前Nc个种群的适应度均值
Figure BDA0003083555510000142
其中，α表示前Nc个种群的适应度均值，Nc表示参与计算上式适应度均值的种群数目，在数值上等于TDS-OFDM信号的子载波数目，fi表示集合Ω中第i个种群的适应度，i表示种群序数。
(4)若Ω中前Nc个种群的适应度均值α小于设置的自适应度门限ηα，则重复步骤(1)到(3)，重新利用(4)进行判定，直到满足α≥ηα则停止迭代，ηα表示设置的自适应度门限。
(5)完成步骤(4)后，Ω中前Nc个种群作为优化选择的Nc组正交多相码，记作
Figure BDA0003083555510000143
cl表示第l组优化设计的正交多相码，l＝1,2,…,Nc，其中，每一组正交多相码包含的码元为对应种群中任意L个连续的码元。
步骤2，设计TDS-OFDM雷达通信一体化信号。
TDS-OFDM雷达通信一体化信号采用脉冲形式发射，每一个脉冲发射的TDS-OFDM雷达通信一体化信号如下式所示：
Figure BDA0003083555510000151
其中，S(n)表示每一个脉冲发射的TDS-OFDM雷达通信一体化信号，n表示慢时间序数，Nc表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目，Ns表示TDS-OFDM符号个数，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数，wu表示第u个子载波的加权系数，u＝1,2,…,Nc，A(u,v,n)表示第u个子载波的第v个TDS-OFDM符号第n个码元，n表示TDS-OFDM符号的码元序数，n＝1,2,…,No，No表示一个TDS-OFDM符号的码元数目，exp()表示以自然数e为底的指数，-j表示虚数单位，有(-j)2＝1，π表示圆周率，Δf表示子载波频率间隔，T0表示码元的时间周期，T0＝Ts/No，Ts表示一个TDS-OFDM符号的时间周期，rect()表示矩形窗函数。
TDS-OFDM雷达通信一体化信号的第u个子载波第v个TDS-OFDM符号按照如下方式定义：
A(u,v)＝[b(u,v),a(u,v)]
其中，A(u,v)表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的第u个子载波第v个TDS-OFDM符号，由伪随机序列b(u,v)和调制后的通信信息a(u,v)组成，b(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的伪随机序列，a(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号调制后的通信信息，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数。
步骤1优化选择后的第l组正交多相码作为TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第l个子载波的伪随机序列与通信信息预调制序列。
TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的伪随机序列按照如下方式定义
Figure BDA0003083555510000152
其中，b(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的伪随机序列，包含Nb个伪随机码字，Nb表示一个TDS-OFDM符号中伪随机序列的码字数目，cu(vNc-Nc+1)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNo-No+1个码字，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数，cu(vNo-No+d)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNo-No+d个码字，d表示TDS-OFDM符号中的伪随机码字序数，d＝1,…,Nb。
TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的通信信息预调制序列为
Figure BDA0003083555510000161
式中，cu(vNc-Nc+Nb+1)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+1个码字，cu(vNc-Nc+Nb+z)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+z个码字，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数，z表示TDS-OFDM符号中通信码字序数，z＝1,…,No-Nb，No-Nb表示一个TDS-OFDM符号中通信码字的数目，Nb表示一个TDS-OFDM符号中伪随机序列的码字数目，No表示一个TDS-OFDM符号的码字总数目，
利用通信信息预调制序列对要发送的通信信息进行调制，得到调制后的通信信息，具体地，TDS-OFDM雷达通信一体化信号中第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的调制后的通信信息，按照如下方式定义
Figure BDA0003083555510000162
其中，a(u,v)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号的调制后的通信信息，d(u,v,z)表示第u个子载波第v个TDS-OFDM符号中第z个要发送的通信信息，d(u,v,z)∈{1,0}，z表示TDS-OFDM符号中要发送的通信码字序数，z＝1,…,No-Nb，No-Nb表示一个TDS-OFDM符号中要发送的通信码字数目，Nb表示一个TDS-OFDM符号中伪随机序列的码字数目，No表示一个TDS-OFDM符号的码字总数目，cu(vNc-Nc+Nb+1)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+1个码字，cu(vNc-Nc+Nb+z)表示优化选择后的第u组正交多相码第vNc-Nc+Nb+z个码字，u表示子载波序数，v表示TDS-OFDM符号序数。
步骤3，根据信号峰值均值功率比指标，利用子载波加权系数优化TDS-OFDM雷达通信一体化信号。
下面以任意一个脉冲信号为例进行具体说明：
(1)随机产生Nc个相位
Figure BDA0003083555510000171
作为相位调制向量，随机产生Nc个取值在0到1之间的实数
Figure BDA0003083555510000172
作为幅度调制向量，Nc表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目，步骤2得到的TDS-OFDM雷达通信一体化信号S(t)的第u个子载波加权系数为
Figure BDA0003083555510000173
其中，wu表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号S(t)的第u个子载波子载波加权系数，u表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波序数，u＝1,2,…,Nc，Nc表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目，gu表示幅度调制向量
Figure BDA0003083555510000174
中第u个元素，用于对第u个子载波进行幅度调制，
Figure BDA0003083555510000175
表示相位调制向量
Figure BDA0003083555510000176
中的第u个元素，用于对第u个子载波进行相位调制。
将上式的子载波加权系数带入步骤2的TDS-OFDM雷达通信一体化信号公式中，得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号。
(2)按照下式计算TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比：
Figure BDA0003083555510000177
其中，Ps表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比，S(t)表示TDS-OFDM雷达通信一体化信号，max()表示最大值，mean()表示求均值，| |表示复数求模值。
(3)若TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比小于给定的峰值均值功率比指标，即Ps<ηpmr，ηpmr表示给定的峰值均值功率比指标，则当前的TDS-OFDM雷达通信一体化信号作为优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号，转入步骤4输出；否则，重复(1)到(2)，直到满足Ps<ηpmr。
步骤4，输出优化设计后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号。
步骤3得到了一个脉冲的TDS-OFDM雷达通信一体化信号，不同脉冲的TDS-OFDM雷达通信一体化信号形式相同，仅传递的通信信息不同，TDS-OFDM雷达通信一体化信号通过脉冲雷达系统以脉冲形式传输，可以在一套系统上同时实现雷达与通信功能。
下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明：
实验参数设置如下：信号中心频率为5GHz，子载波频率间隔为5MHz，子载波个数为16，每个子载波包含6个TDS_OFDM符号，每一个TDS_OFDM符号包含0.8微秒的伪随机序列和3.2微秒的通信数据，采样频率为10MHz，码元周期为0.1微秒，考虑到当每个脉冲的通信信息传递都相同时对雷达性能的恶化程度较大，为了验证最差情况下本发明设计的信号性能，假设每一个脉冲每一个TDS_OFDM符号所发射的通信信息一样。对比方法包含：OFDM雷达信号，传统TDS_OFDM雷达信号(采用gold序列作为伪随机序列)以及本发明所提出方法。对比实验中三种方法的仿真参数全部相同。
图2是不同一体化信号的距离模糊函数对比。图3是不同一体化信号的速度模糊函数对比。图4是不同一体化信号的符号相位分布对比。图5是本发明所提出的一体化信号峰值均值功率比优化对比效果。
实验结论：如图2和3所示，相比于OFDM雷达信号与传统TDS-OFDM雷达信号，本发明所提出的一体化信号的距离分辨率与速度分辨率均较好。从图4可以看出，本发明所设计的TSD-OFDM符号的相位分布更加均匀，这有利于实现信号脉冲间的相参积累。另外，从图5可以看出，本发明所提出的方法通过对子载波加权优化，一体化信号的高峰值功率减低了5dB，说明通过对子载波进行幅度与相位调制后，可达到降低一体化信号的峰值均值功率比的目的，实验结果验证了本发明所提方法的有效性。

Claims (5)

1.一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据Walsh矩阵，生成M组正交多相码，作为初始正交多相码；采用遗传算法，对生成的M组初始正交多相码进行优化选择，使优化选择后得到的Nc组正交多相码中任意两组正交多相码的平均延时互相关值和任意一组正交多相码的平均相位达到设定的要求；Nc≤M；
(2)根据步骤(1)优化选择后的Nc组正交多相码，得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号；TDS-OFDM雷达通信一体化信号采用脉冲形式发射，每个脉冲均含有Nc个子载波，每个子载波包含Ns个TDS-OFDM符号；每个TDS-OFDM符号包括伪随机序列和调制后的通信信息，伪随机序列为优化后选择的Nc组正交多相码的一部分，优化选择后的Nc组正交多相码的另一部分为通信信息预调制序列，调制后的通信信息是由通信信息预调制序列对要发送的通信信息进行调制得到的；
(3)对步骤(2)得到TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波进行幅度和相位调制，使得TDS-OFDM雷达通信一体化信号的峰值均值功率比达到设定的要求，即得到优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号；
(4)输出步骤(3)优化后的TDS-OFDM雷达通信一体化信号；实现基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定与传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，其特征在于：Nc为需要得到的TDS-OFDM雷达通信一体化信号的子载波数目。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，其特征在于：Ns个TDS-OFDM符号中的各个TDS-OFDM符号包含的伪随机序列不重叠，且Ns个TDS-OFDM符号中的各个TDS-OFDM符号对应的通信信息预调制序列不重叠。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，其特征在于：Walsh矩阵由一组完备的正交函数系walsh函数等间隔采样得到，walsh函数在1和-1中取值。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDS-OFDM的雷达通信一体化信号确定及传输方法，其特征在于：TDS-OFDM是指采用伪随机序列填充保护间隔来实现通信同步与信道估计的时域同步正交频分复用调制技术。
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