CN113452640A - 一种基于多载波的探测通信一体化系统 - Google Patents

一种基于多载波的探测通信一体化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多载波的探测通信一体化系统，涉及通信和探测领域。包括发射器和接收器，针对不同的通信信道，在探测通信一体化中，实现水声通信和探测的两种方式，设计一种能实现探测通信一体化的系统，给出相应的多载波波形设计方式及其对应的通信解调和信号探测方式。可以同时完成探测通信功能实现，解决了电子设备之间的电磁干扰、功率消耗、带宽资源浪费等问题；信号设计部分采用了多载波共享信号融合方案，有效解决检测和通信波形不兼容和互干扰问题；整个系统的信号抗干扰能力强，通信传输速率高，探测性能可行，能有效节约硬件资源，降低功率损耗，同时增强隐蔽性。

Description

一种基于多载波的探测通信一体化系统
技术领域
本发明涉及通信和探测领域，尤其涉及一种基于多载波的探测通信一体化系统。
背景技术
随着科学技术的高速发展，电子装备向着综合性一体化不断发展。探测、通信等各种功能的电子设备若是被简单叠加到同一平台上，会带来空间占用，能耗增加，电磁环境恶化等缺点和问题，大大影响整体性能。因此探测通信一体化系统作为综合一体化设计，被提出并被广泛研究并获得实现和较快的发展。
探测系统和通信系统具有许多共性，如工作机理上的可实现性，系统的构成原理的相似性，硬件系统资源上很大部分的重叠性，同时通信信号和探测信号工作频率范围互有重叠。因此可以利用同一硬件平台，同时实现目标探测与信息传输功能。探测通信一体化具有较多优点，如共享多种资源以降低能量损耗和浪费，减少多种电子设备之间的电磁干扰，最终提高系统生存与应变能力，因此实现探测通信一体化具有重要意义。
在陆上，将雷达与通信系统结合的雷达通信一体化系统很早就被提出，且已被用于作战设备中。而水下探测与通信系统长期是独立纵向发展的，基于水下主动声纳的探测通信一体化研究还处于起步阶段。无论是陆上雷达还是水下声纳，整合探测与通信系统形成探测通信一体化是设备集成化、智能化的发展趋势。
对于探测通信一体化设计而言，共享信号的设计及其对应的信号处理是探测通信一体化系统设计较为核心的一环。早期的一体化波形的设计主要是传统的雷达波形，传统雷达通常采用固定发射波形，通过接收端信号处理及滤波算法设计来提高检测性能。如线性调频信号(LFM)和直接序列扩频信号(DSSS)，但是该两种波形存在着传输速率低，参数调整不灵活的问题，无法满足如今日益复杂的环境，以及日益提高的速度需求。因此基于通信信号的一体化波形，逐渐被采用进一体化系统，单载波和多载波的波形，都进行过一些研究与考虑。
随着在通信领域中正交频分复用技术(OFDM)的成功运用，基于多载波的一体化波形在频带和波形多样性方面的优势被发掘。针对探测通信一体化波形，研究发现多载波的共享信号融合方案在解决检测和通信波形不兼容和互干扰问题上具有优越性，因而基于多载波的研究不断深入研究以及被越来越多的采用。正交频分复用波形，即OFDM波形，就是比较常见的多载波融合复用波形。OFDM一体化波形于2009年提出，并在2011年设计用于处理多用户多径等情形中去，针对不同问题和环境，OFDM波形进行不断创新与变换，来提高性能并应对不同环境。但归根结底来看，共享OFDM一体化波形，优点可以概括为频谱效率高，信息传输容量大，处理符号间干扰的能力强，检测方面较高的多普勒容忍度，探测时有较低的旁瓣，另外在硬件实现上比较简单。其缺点也存在于，当检测动态目标时，会表现出副载波失调，降低了检测最大无模糊距离；高速率ADC的硬件限制，影响系统成本和功耗；OFDM的高峰值平均功率比(PAPR)，也会导致非线性放大器的失真。
2016年，X.Ouyang等人在光通信中提出了正交Chirp复用信号，即OCDM信号。该信号可以在较窄的带宽里实现多个正交Chirp信号，从而在传输通信信息中，具有较强的抗干扰性，同时Chirp信号具有较大的多普勒容限。OCDM的提出已经被运用于雷达通信一体化系统中，同时OCDM波形也被验证成功运用进水下环境，并能很好的应用于水声通信中去，通信性能实现了很大程度的提升。在光学通信中，正交Chirp复用信号(OCDM信号)被推导证实，其能实现与OFDM很好的兼容，OCDM信号能有效利用多径分集，从而比OFDM信号有更强的抗干扰性能，提高了通信数据传输的准确性；在应用中，该信号对多普勒频移不敏感，同时OCDM信号可以利用Chirp信号的正交性，降低了带宽占用资源，其很快被应用于水声通信中去。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于多载波的探测通信一体化系统。基于OCDM和OFDM信号之间的相似性，以及其优势，设计一种可以容纳两种波形并不限于使用范围(陆上可以用电磁波为载体，水下可以声波为载体)的探测通信一体化系统。实现探测和通信功能的资源共享，并能同时实现探测和通信功能，有效减小平台体积，降低功率损耗，同时增强隐蔽性，更好的应对通信探测性能挑战。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对不同的通信信道，在探测通信一体化中，实现水声通信和探测的两种方式，即设计一种能实现探测通信一体化的系统，给出相应的多载波波形设计方式及其对应的通信解调和信号探测方式。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多载波的探测通信一体化系统，包括发射器和接收器；所述发射器采用的波形包括多载波波形；所述接收器包括探测模式和通信模式。
进一步地，所述多载波波形包括OFDM或OCDM复用波形。
进一步地，所述OFDM采用快速傅里叶变换。
进一步地，所述OCDM采用离散菲涅尔变换。
进一步地，所述探测模式，回波信号接收端首先对信号进行滤波；采用广义似然比检验探测器对滤波后的回波信号进行处理；测定目标的距离和速度信息，完成主动目标探测。
进一步地，所述通信模式，通信接收端采用通信信号解调逆过程。
进一步地，所述通信模式，通信接收端首先进行信号同步；再次通过时域混叠将补零保护中的信息补到解调信号中；通过相应于发送端波形逆变换；最后经由QPSK数字解调方式提取所发送的信号信息。
进一步地，所述波形逆变换，OCDM对应于逆离散菲涅尔变换。
进一步地，所述波形逆变换，OFDM对应于逆快速傅里叶变换。
进一步地，传输过程的信道干扰采用最小均方误差均衡。
在本发明的较佳实施方式中，本发明提供了一种基于多载波的探测通信一体化系统设计，能实现探测和通信功能的资源共享，并能同时实现探测和通信功能，并有效减小平台体积，降低功率损耗，同时增强隐蔽性，更好的应对通信探测性能挑战。
探测通信一体化系统包括发射器和接收器部分，信号处理对于接收机可以选择两种模式:1)探测模式和2)通信模式。节点1的接收器选择探测模式，节点2的接收器选择通信模式。
在发射器部分：
发送的(0，1)比特信号进行符号调制；
串并联转换，将符号分块进行变换；
选取设计的多载波波形变换方式，这里以正交Chirp复用信号(OCDM)为例，采用的是菲涅尔变换(Fresnel)；
加入补零保护间隔以减小块间干扰(IBI)，通过信号发送机发送出去。
其中可采用的波形为多载波共享波形设计方式，OFDM或OCDM复用波形，其中快速傅里叶变换(FFT)对应于OFDM波形方式，离散菲涅尔变换(DFnT)对应于OCDM波形方式；
发送出去经由通信信道，或被节点2接收，或经探测目标反射回节点1可以选择两种模式:1)探测模式和2)通信模式。
对于探测模式下，回波信号接收端：
首先对信号进行滤波；
采用广义似然比检验(GLRT)探测器对滤波后的回波信号进行处理；
测定估计出目标的距离和速度信息，完成主动目标探测。
对于通信模式，通信接收端，采用通信信号解调逆过程：
首先根据探测功能下的信息进行信号同步；
再次通过时域混叠将补零保护中的信息补到解调信号中；
通过相应于发送端波形逆变换，即OCDM对应于逆离散菲涅尔变换(IDFnT)，而OFDM对应于逆快速傅里叶变换(IFFT)；
传输过程的信道干扰采用最小均方误差(MMSE)均衡；
最后经由QPSK数字解调方式提取所发送的信号信息。
其中，OCDM信号的函数表达式为：
u＝ΦHx
其中：u为调制后的OCDM信号，x为变换前的输入信号，Φ为N×N的离散菲涅尔变换(DFnT)，其(m,n)的Φ数学表达式为：
Figure BDA0003096530700000041
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
利用本发明一体化系统，可以完成信号在探测功能和通信功能上的实现，实现一体化系统的多种实用功能；
1.利用多载波的共享波形设计方式，能直接进行主动声纳中声波信号的发送，通过回波信号，经探测和参数估计等处理，获取探测的目标的位置等信息；
2.利用多载波的共享波形设计方式，直接通过水声换能器，将水下声波信号发送出去，多载波提高信号传输速率，以及提高信息传输量；
3.利用同一种波形，同时实现探测和通信功能，并且两者功能相互之间干扰较少，并能相互补充和提升性能；
可集成独立的探测和通信设备，构造综合化程度高的一体化集成系统，增加空间利用率、减小面积、降低电磁辐射等，提高整体对抗性能，从而在各种陆上或水下环境获得有利优势。
通过本发明提出的基于多载波的探测通信一体化系统，可以同时完成探测通信功能实现，解决了电子设备之间的电磁干扰、功率消耗、带宽资源浪费等问题；信号设计部分采用了多载波共享信号融合方案，有效解决检测和通信波形不兼容和互干扰问题；整个系统的信号抗干扰能力强，通信传输速率高，探测性能可行，能有效节约硬件资源，降低功率损耗，同时增强隐蔽性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的探测通信一体化系统的波形设计与收发流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的探测通信一体化系统的实施方式场景图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
图1是探测通信一体化系统的波形设计与收发流程图；图2是实施方式场景图。
下面结合图2对本发明探测通信一体化系统设计中具体方式进行进一步的描述。
该一体化系统以水下环境的布放应用为例，如下：
该一体化系统应用场景中包含一个带有主动声纳探测功能和通信功能的硬件融合的发送节点，即自主式水下潜器，一个探测目标，以及另一个同样具备探通一体化功能的接收节点；
接收发送节点，即自主式水下潜器内部携带一个通信用水声通讯机和一个探测用主动水声声纳，其中水声通讯机用于各个节点或其他潜器通信，水声主动声纳用于完成水下目标的探测；
水声通讯机中包括核心板、电源控制板、功率放大器和换能器等常见部件；
水下声纳采用主动发送声波的主动声纳；
通信信号和探测信号采用了基于多载波的一体化波形方式的信号设计方式，包括QPSK调制，常见的OFDM复用波形，OCDM复用波形等共享信号融合方案，该等方式能有效解决检测和通信波形不兼容和互干扰问题，有效对抗水下信道的干扰，保证系统在水下通信的可靠性，加快信号传输速率，同时又能保证实现探测性能的可靠性和可行性；
该一体化系统的工作过程如下：
如图2展示，为一个声纳探测通信一体化系统在水下工作的例子。水下自主航行器(AUV)为可以用来携带探测通信一体化系统所需的硬件设备，称为节点1，另一个具备同样相似硬件结构和具备探通一体化功能的系统，在图中称为节点2；
首先从节点1，传输出来设计好的多载波波形(OFDM或者OCDM)。信号发送出去后，遇到探测目标，产生回波信号，返回回去。节点1依次接收该目标的反射信号，通过合适的探测器设计完成主动检测，并为后序的参数估计(距离、时间估计)、通信解调等工作服务；
同时，节点2接收节点1的数据信息，通过解调接收到的信号，来获取传输的通信信息。
综上，节点1同时完成目标检测和通信。
利用该一体化系统，可以完成信号在探测功能和通信功能上的实现，实现一体化系统的多种实用功能；
功能1，利用多载波的共享波形设计方式，能直接进行主动声纳中声波信号的发送，通过回波信号，经探测和参数估计等处理，获取探测的目标的位置等信息；
功能2，利用多载波的共享波形设计方式，直接通过水声换能器，将水下声波信号发送出去，多载波提高信号传输速率，以及提高信息传输量；
功能3，利用同一种波形，同时实现探测和通信功能，并且两者功能相互之间干扰较少，并能相互补充和提升性能；
诸如以上的功能还有很多，利用该一体化系统可集成独立的探测和通信设备，构造综合化程度高的一体化集成系统，增加空间利用率、减小面积、降低电磁辐射等，提高整体对抗性能，从而在各种陆上或水下环境获得有利优势。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，包括发射器和接收器；所述发射器采用的波形包括多载波波形；所述接收器包括探测模式和通信模式。
2.如权利要求1所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述多载波波形包括OFDM或OCDM复用波形。
3.如权利要求2所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述OFDM采用快速傅里叶变换。
4.如权利要求2所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述OCDM采用离散菲涅尔变换。
5.如权利要求1所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述探测模式，回波信号接收端首先对信号进行滤波；采用广义似然比检验探测器对滤波后的回波信号进行处理；测定目标的距离和速度信息，完成主动目标探测。
6.如权利要求1所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述通信模式，通信接收端采用通信信号解调逆过程。
7.如权利要求1所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述通信模式，通信接收端首先进行信号同步；再次通过时域混叠将补零保护中的信息补到解调信号中；通过相应发送端波形逆变换；最后经由QPSK数字解调方式提取所发送的信号信息。
8.如权利要求7所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述波形逆变换，OCDM对应于逆离散菲涅尔变换。
9.如权利要求7所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述波形逆变换，OFDM对应于逆快速傅里叶变换。
10.如权利要求7所述的基于多载波的探测通信一体化系统，其特征在于，所述通信模式，传输过程的信道干扰采用最小均方误差均衡。
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