CN113395153B - 基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法 - Google Patents

基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法 Download PDF

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Abstract

基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，属于信号调制领域。本发明的目的是为了解决现有的通信雷达一体化系统只能单一的实现通信信号传输功能或雷达目标探测功能，导致频谱利用效率低的问题。本申请将传统的连续相位调制，波束形成和线性调频信号相结合，在考虑干扰存在的情况下，利用多天线的波束形成方案，可以在用户端提取自己的信息，与此同时，在基站端通过对回波的处理，提取时延和多普勒信息，实现对目标角度、距离和速度的估计，完成多用户数据传输和目标检测。它用于同时实现通信信号传输功能和雷达目标探测功能。

Description

基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法
技术领域
本发明涉及通信雷达一体化信号收发方法，属于信号调制领域。
背景技术
通信雷达一体化系统取决于高质量的通信和雷达融合设计，因此通信雷达一体化信号的设计成为关键性的问题之一。但是现有的通信雷达一体化系统，只能实现通信信号传输功能或雷达目标探测功能，不能同时实现通信信号传输功能和雷达目标探测功能，导致频谱利用效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的通信雷达一体化系统只能单一的实现通信信号传输功能或雷达目标探测功能，导致频谱利用效率低的问题，现提供基于相位调制和线性调制的通信雷达信号收发方法。
基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、对每个用户的原始数据和目标导频序列分别进行调制，得到每个用户和目标调制后的数据；
步骤2、根据步骤1得到的调制后的数据对所有用户和目标进行功率分配，得到各用户的功率Pk和目标的功率PT；
步骤3、根据每个用户和目标的功率，分别获得每个用户和目标以脉冲形式形成的基带波形信号，每个基带波形信号各加载在一个线性调频载波信号上形成发送信号，并利用天线阵列发送出去，所述目标的发送信号为动态波束发送信号，所述用户的发送信号为静态波束发送信号；
第nt根天线上的基带波形信号
Figure BDA0003108071400000011
表示为：
Figure BDA0003108071400000012
式中，g(t)为发射脉冲，
Figure BDA0003108071400000013
和
Figure BDA0003108071400000014
分别为第nt根天线上目标和第K个用户的预编码权值，ck为每个用户调制后的数据，cT为目标调制后的数据，Pk和PT分别为用户和目标的功率；
步骤4、每个用户接收机对接收到的对应静态波束发送信号采用低通滤波器进行处理，利用维特比译码算法对处理后的信号进行解调，解调出用户自身信号；目标接收到动态波束发送信号后，反射出回波信号被基站端接收机接收，基站端接收机根据所述回波信号得到目标的位置和速度。
优选地，步骤1中，得到每个用户和目标调制后的数据，具体过程为：
通过MASK将每个用户的原始数据和目标导频序列各自映射成映射数据，采用CPM对每个映射数据进行相位调制，得到每个用户和目标的相位信息，根据每个用户和目标的相位信息得到每个用户和目标调制后的数据。
优选地，步骤4中，基站端接收机根据所述回波信号得到目标的位置和速度的具体过程为：
若所述回波信号的回波强度高于阈值，则判定目标存在，将回波信号和线性调频载波信号相乘经过基站端低通滤波器处理后，得到上升沿的差频信号和下降沿的差频信号，从所述上升沿的差频信号和下降沿的差频信号中分别提取出上升沿的差频和下降沿的差频，估计出目标时延和多普勒频率，进而得到目标的位置和速度；若所述回波信号的回波强度低于阈值，则判定目标不存在。
本发明的有益效果是：
本申请将传统的连续相位调制(CPM)，波束形成(BF)和线性调频信号(LFM)相结合，提出一种CPM-BF-LFM通信雷达一体化信号收发方法。在考虑干扰存在的情况下，利用多天线的波束形成方案，可以在用户端提取自己的信息。与此同时，在基站端通过对回波的处理，提取时延和多普勒信息，实现对目标角度、距离和速度的估计，完成多用户数据传输和目标检测；因此本申请将通信和雷达系统进行融合，可以实现硬件平台的共享，从而同时实现通信信号传输功能和雷达目标探测功能，提高了频谱利用效率。
附图说明
图1为本申请的基于相位调制和线性调制的通信雷达信号收发方法流程框图；
图2为CPM-BF-LFM信号频谱图；
图3为CPM-BF-LFM信号模糊函数曲线图；
图4为CPM-BF-LFM信号误码率曲线图；
图5为静态波束的扫描方案图；
图6为动态波束的扫描方案图；
图7为CPM-BF-LFM一体化信号频率与映射数据时间的关系图；
图8为CPM-BF-LFM一体化信号差频与映射数据时间的关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、对每个用户的原始数据和目标导频序列分别进行调制，得到每个用户和目标调制后的数据；
步骤2、根据步骤1得到的调制后的数据对所有用户和目标进行功率分配，得到各用户的功率Pk和目标的功率PT；
步骤3、根据每个用户和目标的功率，分别获得每个用户和目标以脉冲形式形成的基带波形信号，每个基带波形信号各加载在一个线性调频载波信号上形成发送信号，并利用天线发送出去，所述目标的发送信号为动态波束发送信号，所述用户的发送信号为静态波束发送信号；
第nt根天线上的基带波形信号
Figure BDA0003108071400000031
表示为：
Figure BDA0003108071400000032
式中，g(t)为发射脉冲，
Figure BDA0003108071400000033
和
Figure BDA0003108071400000034
分别为第nt根天线上目标和第K个用户的预编码权值，ck为每个用户调制后的数据，cT为目标调制后的数据，Pk和PT分别为用户和目标的功率；
步骤4、每个用户接收机对接收到的对应静态波束发送信号采用低通滤波器进行处理，利用维特比译码算法对处理后的信号进行解调，解调出用户自身信号；目标接收到动态波束发送信号后，反射出回波信号被基站端接收机接收，基站端接收机根据所述回波信号得到目标的位置和速度。
本实施方式中，对相应的用户和目标进行功率分配的原则是：在总发射功率受限的条件下，根据每个用户的信道条件信息，在满足每个用户最小通信速率的条件下，对每个用户进行功率分配，使得系统和速率最大化。
对用户和目标的信号进行发射端预编码，以最大化信干噪比(SINR)为准则，以最大比发射预编码(MRT)方案为初始值，设计出一种最优的预编码形式。
本申请得到的叠加数据进行脉冲形成，将发射数据加载矩形脉冲或升余弦脉冲，变成基带波形信号，然后将信号加载线性调频载波上进行发射；本申请采用三角形线性调频信号，即在一个时隙里，信号的载波频率随着时间线性增加，在下一个时隙里，信号的载波频率随着时间线性减小。线性调频信号具有大时宽带宽积(TBP)的特性，因此可以同时提高一体化信号的探测距离和距离分辨率。
用户接收机收到信号后，由于收发两端信号频率已知，接收机端通过相干解调后，经过低通滤波器处理，利用维特比译码方式进行信号判决，可以完成用户自身信号的提取。
若所述回波信号的回波强度高于阈值，则判定目标存在且目标位于该方向上。
本实施方式中，基站端可以采用平面阵列，用户端可以采用单天线。用户个数为K，1≤k≤K，本申请为单目标检测。
所有天线上的基带波形信号X表示为：
X＝WPC，
式中，
Figure BDA0003108071400000041
wk为用户预编码权值向量，
Figure BDA0003108071400000042
wT为目标预编码权值向量，Nt为基站端发射天线数目，K为用户数目，
Figure BDA0003108071400000043
为功率矩阵，Pk和PT分别为用户和目标的功率，diag表示对角矩阵，
Figure BDA0003108071400000044
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，步骤1中，得到每个用户和目标调制后的数据，具体过程为：
通过MASK将每个用户的原始数据和目标导频序列各自映射成映射数据，采用CPM对每个映射数据进行相位调制，得到每个用户和目标的相位信息，根据每个用户和目标的相位信息得到每个用户和目标调制后的数据。
本实施方式中，图2给出CPM-BF-LFM信号频谱，其中，BF表示多波束，指静态波束和动态波束；MASK是多进制幅移键控，BPSK是二进制相位键控，CPM是连续相位调制，LFM是线性调频载波，可以看出，信号频谱与调制方式、发射脉冲形式和信号的调频斜率有关。信号带宽由LFM信号的调频斜率和脉冲形式共同决定。
图3给出CPM-BF-LFM信号模糊函数，可以看出CPM-BF-LFM信号的模糊函数具有尖峰状，具有良好的自相关特性，因此具有良好的目标识别能力。
图4给出CPM-BF-LFM信号误码率，可以看出不同的调制方式会影响信号的误码率性能。在用户数目和天线数目相同时，CPM调制的误码率性能略差于BPSK调制。当调制方式和用户数目相同时，增加天线数目可以降低误码率；当调制方式和天线数目相同时，用户数目越多，误码率性能越差；图4中的Nt为天线数目，K为用户个数。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，步骤4中，基站端接收机根据所述回波信号得到目标的位置和速度的具体过程为：
若所述回波信号的回波强度高于阈值，则判定目标存在，将回波信号和线性调频载波信号相乘经过基站端低通滤波器处理后，得到上升沿的差频信号和下降沿的差频信号，从所述上升沿的差频信号和下降沿的差频信号中分别提取出上升沿的差频和下降沿的差频，估计出目标时延和多普勒频率，进而得到目标的位置和速度；若所述回波信号的回波强度低于阈值，则判定目标不存在。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，每个用户的原始数据向量ak表示为
Figure BDA0003108071400000051
其中，下角标k代表第k个用户，
Figure BDA0003108071400000052
代表二进制数据，N为数据长度，M为调制阶数，目标导频序列向量aT表示为
Figure BDA0003108071400000053
下角标T代表目标；
每个用户的映射数据bk表示为
Figure BDA0003108071400000054
其中，bk,N代表第k个用户的第N位数据，
Figure BDA0003108071400000055
代表映射后的复数域数据，目标的映射数据bT表示为
Figure BDA0003108071400000056
bT,N代表目标的第N位数据；
每个用户的相位信息βk表示为βk＝[βk,1,βk,2,...,βk,N]，其中，
Figure BDA0003108071400000057
h代表CPM调制的调制指数，bk,i代表第k个用户的第i位数据，目标的相位信息βT表示为βT＝[βT,1,βT,2,...,βT,N]，其中，
Figure BDA0003108071400000058
bT,i代表目标的第i位数据；
每个用户调制后的数据ck表示为
Figure BDA0003108071400000059
其中，j代表复数的虚部，ckN代表第k个用户的第N位数据，目标调制后的数据cT表示为
Figure BDA00031080714000000510
cTN代表目标的第N位数据。
本实施方式中，图6为静态波束扫描图。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，步骤3中，第nt根天线上的发送信号
Figure BDA00031080714000000511
表示为：
Figure BDA0003108071400000061
式中，Ts为映射数据持续时间，fc为发射信号的载波频率，μ为线性调频信号的调频斜率，
Figure BDA0003108071400000062
为第nt根天线上的第n位数据，其中，1≤n≤N，发送信号的矢量表示形式为
Figure BDA0003108071400000063
t为时间。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，步骤4中，用户端接收的静态波束信号rk(t)表示为：
rk(t)＝hks(t)+nk(t)公式3，
式中，nk(t)表示第k个用户接收的高斯白噪声，
Figure BDA0003108071400000064
hk为基站端到第k个用户的信道矩阵，
Figure BDA0003108071400000065
代表基站端到第k个用户端的导向矢量，θk和
Figure BDA0003108071400000066
分别代表基站端到第k个用户的俯仰角和方位角，Gk和δk分别为第k个用户的接收机增益和大尺度衰落参数。
本实施方式中，由于基站端已知用户的俯仰角和方位角信息，因此基站端到用户端的信道为
Figure BDA0003108071400000067
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，步骤4中，目标接收到的动态波束信号r(t)表示为：
Figure BDA0003108071400000068
式中，L为回波信号幅值，A为基站到目标的导向矢量矩阵，AK为基站到用户k的导向矢量矩阵，IK(t)为用户k的干扰信号，τ和fd分别为目标的时延和多普勒频率，nT(t)基站端接收的高斯白噪声。
本实施方式中，基站端通过动态波束扫描，将空间中俯仰角和方位角范围分为M个区域，每个区域对应扫描时间中的一个时隙。目标接收到基站端发射的信号后，经过反射回来的回波信号被基站处的接收机接收。假设在第m个时隙中，接收信号功率大于阈值，即判定目标的俯仰角和方位角为
Figure BDA0003108071400000069
基站端接收的信号为公式4所示。基站端经过信号处理矩阵V后，信号表示如公式5。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，步骤4中，回波信号y(t)表示为：
Figure BDA0003108071400000071
式中，V为信号处理矩阵，
Figure BDA0003108071400000072
Figure BDA0003108071400000073
wk为用户预编码权值向量，
Figure BDA0003108071400000074
wT为目标预编码权值向量，Nt为基站端发射天线数目，K为用户数目，
Figure BDA0003108071400000075
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，上升沿的差频信号dr,up(t)表示为：
Figure BDA0003108071400000076
式中，LPF代表回波信号和线性调频载波信号相乘经过基站端低通滤波器处理，Re表示取实部；
从所述上升沿的差频信号中提取上升沿的差频fup，表示为：
fup＝μτ-fd 公式7；
下降沿的差频信号dr,down(t)表示为：
Figure BDA0003108071400000077
从所述下降沿的差频信号中提取下降沿的差频fdown，表示为：
fdown＝μτ+fd公式9。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，目标时延τ表示为：
Figure BDA0003108071400000078
因此得到目标的距离dT为：
Figure BDA0003108071400000079
式中，c为光速；
目标多普勒频率fd表示为：
Figure BDA0003108071400000081
因此得到目标的速度vT为：
Figure BDA0003108071400000082
式中，
Figure BDA0003108071400000083
λ为线性调频信号中心频率对应的波长。
本实施方式中，图5为动态波束扫描图，动态波束进行扫描时，假设扫描空间内可以分为M个子区域，第m个子区域对应的俯仰角和方位角分别为
Figure BDA0003108071400000084
其中，1≤m≤M。图7中，Bw为发送信号的扫频带宽，Bw＝μNTs。

Claims (10)

1.基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、对每个用户的原始数据和目标导频序列分别进行调制，得到每个用户和目标调制后的数据；
步骤2、根据步骤1得到的调制后的数据对所有用户和目标进行功率分配，得到各用户的功率Pk和目标的功率PT；
步骤3、根据每个用户和目标的功率，分别获得每个用户和目标以脉冲形式形成的基带波形信号，每个基带波形信号各加载在一个线性调频载波信号上形成发送信号，并利用天线阵列发送出去，所述目标的发送信号为动态波束发送信号，所述用户的发送信号为静态波束发送信号；
第nt根天线上的基带波形信号
Figure FDA0003108071390000011
表示为：
Figure FDA0003108071390000012
式中，g(t)为发射脉冲，
Figure FDA0003108071390000013
和
Figure FDA0003108071390000014
分别为第nt根天线上目标和第K个用户的预编码权值，ck为每个用户调制后的数据，cT为目标调制后的数据，Pk和PT分别为用户和目标的功率；
步骤4、每个用户接收机对接收到的对应静态波束发送信号采用低通滤波器进行处理，利用维特比译码算法对处理后的信号进行解调，解调出用户自身信号；目标接收到动态波束发送信号后，反射出回波信号被基站端接收机接收，基站端接收机根据所述回波信号得到目标的位置和速度。
2.根据权利要求1所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，步骤1中，得到每个用户和目标调制后的数据，具体过程为：
通过MASK将每个用户的原始数据和目标导频序列各自映射成映射数据，采用CPM对每个映射数据进行相位调制，得到每个用户和目标的相位信息，根据每个用户和目标的相位信息得到每个用户和目标调制后的数据。
3.根据权利要求1所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，步骤4中，基站端接收机根据所述回波信号得到目标的位置和速度的具体过程为：
若所述回波信号的回波强度高于阈值，则判定目标存在，将回波信号和线性调频载波信号相乘经过基站端低通滤波器处理后，得到上升沿的差频信号和下降沿的差频信号，从所述上升沿的差频信号和下降沿的差频信号中分别提取出上升沿的差频和下降沿的差频，估计出目标时延和多普勒频率，进而得到目标的位置和速度；若所述回波信号的回波强度低于阈值，则判定目标不存在。
4.根据权利要求2所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，每个用户的原始数据向量ak表示为
Figure FDA0003108071390000021
其中，下角标k代表第k个用户，
Figure FDA0003108071390000022
代表二进制数据，N为数据长度，M为调制阶数，目标导频序列向量aT表示为
Figure FDA0003108071390000023
下角标T代表目标；
每个用户的映射数据bk表示为
Figure FDA0003108071390000024
其中，bk,N代表第k个用户的第N位数据，
Figure FDA0003108071390000025
代表映射后的复数域数据，目标的映射数据bT表示为
Figure FDA0003108071390000026
bT,N代表目标的第N位数据；
每个用户的相位信息βk表示为βk＝[βk,1,βk,2,...,βk,N]，其中，
Figure FDA0003108071390000027
h代表CPM调制的调制指数，bk,i代表第k个用户的第i位数据，目标的相位信息βT表示为βT＝[βT,1,βT,2,...,βT,N]，其中，
Figure FDA0003108071390000028
bT,i代表目标的第i位数据；
每个用户调制后的数据ck表示为
Figure FDA0003108071390000029
其中，j代表复数的虚部，ckN代表第k个用户的第N位数据，目标调制后的数据cT表示为
Figure FDA00031080713900000210
cTN代表目标的第N位数据。
5.根据权利要求4所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，步骤3中，第nt根天线上的发送信号
Figure FDA00031080713900000211
表示为：
Figure FDA00031080713900000212
式中，Ts为映射数据持续时间，fc为发射信号的载波频率，μ为线性调频信号的调频斜率，
Figure FDA00031080713900000213
为第nt根天线上的第n位数据，其中，1≤n≤N，发送信号的矢量表示形式为
Figure FDA00031080713900000214
t为时间。
6.根据权利要求5所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，步骤4中，用户端接收的静态波束信号rk(t)表示为：
rk(t)＝hks(t)+nk(t) 公式3，
式中，nk(t)表示第k个用户接收的高斯白噪声，
Figure FDA0003108071390000031
hk为基站端到第k个用户的信道矩阵，
Figure FDA0003108071390000032
代表基站端到第k个用户端的导向矢量，θk和
Figure FDA0003108071390000033
分别代表基站端到第k个用户的俯仰角和方位角，Gk和δk分别为第k个用户的接收机增益和大尺度衰落参数。
7.根据权利要求6所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，步骤4中，目标接收到的动态波束信号r(t)表示为：
Figure FDA0003108071390000034
式中，L为回波信号幅值，A为基站到目标的导向矢量矩阵，AK为基站到用户k的导向矢量矩阵，IK(t)为用户k的干扰信号，τ和fd分别为目标的时延和多普勒频率，nT(t)基站端接收的高斯白噪声。
8.根据权利要求7所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，步骤4中，回波信号y(t)表示为：
Figure FDA0003108071390000035
式中，V为信号处理矩阵，
Figure FDA0003108071390000036
Figure FDA0003108071390000037
wk为用户预编码权值向量，
Figure FDA0003108071390000038
wT为目标预编码权值向量，Nt为基站端发射天线数目，K为用户数目，
Figure FDA0003108071390000039
9.根据权利要求8所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，上升沿的差频信号dr,up(t)表示为：
Figure FDA00031080713900000310
式中，LPF代表回波信号和线性调频载波信号相乘经过基站端低通滤波器处理，Re表示取实部；
从所述上升沿的差频信号中提取上升沿的差频fup，表示为：
fup＝μτ-fd 公式7，
下降沿的差频信号dr,down(t)表示为：
Figure FDA0003108071390000041
从所述下降沿的差频信号中提取下降沿的差频fdown，表示为：
fdown＝μτ+fd 公式9。
10.根据权利要求9所述的基于连续相位调制和线性调频的通信雷达信号收发方法，其特征在于，
目标时延τ表示为：
Figure FDA0003108071390000042
因此得到目标的距离dT为：
Figure FDA0003108071390000043
式中，c为光速；
目标多普勒频率fd表示为：
Figure FDA0003108071390000044
因此得到目标的速度vT为：
Figure FDA0003108071390000045
式中，
Figure FDA0003108071390000046
λ为线性调频信号中心频率对应的波长。
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