CN113655475A - 一种基于波形选择的雷达通信一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于波形选择的雷达通信一体化系统。本发明在发射端发射信号前，通过加入波形选择矩阵，从已有的波形中选择部分波形进行发射，不同的选择矩阵构成了通信符号字典。通信接收机处接收基带信号后用已知的波形进行匹配滤波，匹配滤波的结果与字典中的符号进行对比可以检测出不同选择矩阵，从而得到对应嵌入的通信信息序列。该发明在基于波形排列的雷达通信一体化方案基础上，通过波形选择提供了一种新的雷达通信一体化方法，同时可以与波形排列相结合，实现混合矩阵嵌入通信信息。

Description

一种基于波形选择的雷达通信一体化方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体的说是涉及一种基于波形选择的雷达通信一体化方法。

背景技术

随着5G时代的到来，无线通信设备的数量已有了爆炸式的增长。全球通信产业对无线频谱的需求日益迫切，但目前可供人类使用的无线频谱资源却是有限的，频谱资源成为了一种新的重要资源被各国争抢。为了能更好利用频谱资源，未来的通信系统需要研究同其他电子设备在相同频段下同时正常工作的可行性。近年来，频谱拥堵问题以及雷达和通信之间的频谱竞争问题成为研究热点。为了缓解上述问题并高效利于频谱资源，雷达通信一体化成为了重要的研究方向。

雷达通信一体化的核心问题之一是一体化波形设计，即合理地设计波形使雷达和通信功能可以同时实现的情况下，两者之间的干扰尽可能小。在雷达发射信号的同时将通信信息嵌入的方法有许多，例如使用波束图调制嵌入信息，使用雷达波形嵌入信息，亦或是直接设计加权后的发射波形。

波形调制作为一类广泛的调制方法，可以通过设计不同的波形或波形的组合与选择来嵌入通信信息。在MIMO配置的多个天线系统中，特定波形和特定天线的关联是任意的。因此通过交换不同天线之间的波形，可以使用天线和波形的配对关系将通信信息嵌入雷达信号。这对于雷达正常工作没有影响，但不同的配对关系对于通信接收机却是不同的信号，因此便嵌入了通信信息。

波形的排列组合是一种良好的雷达通信一体化方法。在此基础上，通信信息的嵌入方案则有了更多选择。

发明内容

本发明提供了一种基于波形选择的雷达通信一体化方法，实现了对波形进行选择性发射从而嵌入通信信息的雷达通信一体化方案。相对波形排列的信息嵌入方法，本发明扩展了通信符号的选取空间，并可与波形排列相结合实现通信信息嵌入。

为了便于理解，对本发明采用的技术作如下说明：

考虑一个雷达通信一体化系统，系统包括具有N个天线收发阵列和M个正交波形组的MIMO雷达以及具有单根天线的通信接收机。

雷达基带发射信号可以表示成一组正交波形和权向量的线性组合

其中φ_m(t),m＝1,...,M是一组正交波形，它们构成了波形矩阵Φ(t)，w_m是权向量，P是发射功率，M是阵元数。实现雷达和通信的一体化的关键在于将通信信息嵌入进雷达信号。

为了将通信信息嵌入进雷达信号，本发明的技术方案为：

一种基于波形选择的雷达通信一体化方法，其特征在于，一体化系统包括具有N个天线收发阵列和M个正交波形组的MIMO雷达和具有单根天线的通信接收机。雷达发射端通过选择矩阵Q从M个波形中选择K个波形发射，通信接收端检测出对应的选择矩阵Q，改变不同的选择矩阵Q从而嵌入通信信息，包括以下步骤：

S1、雷达发射端从M个波形中选择K个波形进行发射，通过对M个波形构成的矩阵Φ(t)左乘选择矩阵Q得到选择后的波形矩阵ψ(t)＝QΦ(t)，其中Q是一个M阶的稀疏矩阵，其主对角元有K个1，其余为0。此方法可以得到最多

个选择矩阵，从中按需选择L个不同的选择矩阵Q组成通信的发射字典D＝{Q₁,...,Q_L}，此时雷达发射信号为：

其中，W是权向量，P是发射功率，加入选择矩阵前后对雷达性能没有影响；

S2、通信接收机已知自身相对于雷达发射平台的角度θ_c，接收得到基带信号r_com(t；τ)：

r_com(t；τ)＝α_ch(W^Ha(θ_c))^Tψ(t)+z(t；τ)

＝α_ch(W^Ha(θ_c))^T Q_τΦ(t)+z(t；τ)

其中(·)^T表示矩阵转置，t为快时间，τ为慢时间，即第τ个脉冲周期，Q_τ为第τ个脉冲周期内设置的波形选择矩阵，α_ch为信道系数，a(θ_c)为发射阵列导向矢量，z(t；τ)为具有零均值特点的加性高斯白噪声；

S3、通信接收机对雷达正交波形Φ(t)完全已知，用波形Φ(t)匹配滤波基带接收信号得到：

其中T为脉冲持续时间，z(τ)为具有零均值特点的加性高斯白噪声，匹配滤波的结果可以得到

S4、通信接收机处，通信符号对应的字典为D_com＝{s₁,...,s_L}，通过将s_com(τ)与D_com中的符号进行比较来检测出选择矩阵Q，同时便得到了对应嵌入的通信信息序列，检测准则为：

这种信息嵌入方式的可实现比特率为

还可将波形排列与波形选择相结合实现混合的信息嵌入方案，用混合矩阵G表示为波形排列矩阵P与波形选择矩阵Q的乘积

G＝PQ

把混合矩阵当作嵌入的通信符号，采用类似波形选择的处理方法处理混合矩阵，依然可以实现雷达通信一体化。这种方法可实现的比特率为

本发明的有益效果为，基于波形选择的雷达通信一体化方法为通信信息嵌入提供了一种新的有效方案，通过加入波形选择矩阵Q，实现了通信信息嵌入雷达信号。同时可以与波形排列矩阵P相结合，利用混合矩阵实现信息嵌入。

附图说明

图1本发明实现过程的流程图；

图2基于波形选择的误符号率与信噪比的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

本实施例的目的是在不同信噪比场景下对不同通信符号数量的通信检测性能进行对比，验证信噪比与符号数量对误码率的影响。本实施例中采用阵元数10，阵元间距为半波长的均匀线性阵列，通信方向θ_c＝-15°。

实施例的基于波形选择的雷达通信一体化方法如附图1所示。在数量M＝16的波形中，选择K＝8个波形发射，其最大组合数为

每个脉冲重复期间可以分别嵌入N_bit＝13bit。为了说明嵌入不同数量符号的SER与信噪比的关系曲线，每个脉冲分别嵌入N_bit＝1,2bit。不同信噪比以及嵌入不同数量的通信符号对误码率的影响如附图2所示，仿真结果表明了信噪比越高，通信误码率越低。同时在相同信噪比情况下，嵌入通信符号数量越多，误码率越高，充分说明一体化系统的通信速率和误码率是矛盾的。

Claims (1)

1.一种基于波形选择的雷达通信一体化方法，其特征在于，系统包括具有N个天线收发阵列和M个正交波形组的MIMO雷达和具有单根天线的通信接收机；雷达发射端通过选择矩阵Q从M个波形中选择K个波形发射，通信接收端检测出对应的选择矩阵Q，改变不同的选择矩阵Q从而嵌入通信信息，包括以下步骤：

S1、雷达发射端从M个波形中选择K个波形进行发射，通过对M个波形构成的矩阵Φ(t)左乘选择矩阵Q得到选择后的波形矩阵ψ(t)＝QΦ(t)，其中Q是一个M阶的稀疏矩阵，其主对角元有K个1，其余为0，共有

个选择矩阵，从中按需选择L个不同的选择矩阵Q组成通信的发射字典D＝{Q₁,...,Q_L}，此时雷达发射信号为：

其中，W是权向量，P是发射功率；

S2、通信接收机已知自身相对于雷达发射平台的角度θ_c，接收得到基带信号r_com(t；τ)：

r_com(t；τ)＝α_ch(W^Ha(θ_c))^Tψ(t)+z(t；τ)

＝α_ch(W^Ha(θ_c))^TQ_τΦ(t)+z(t；τ)

其中(·)^T表示矩阵转置，t为快时间，τ为慢时间，即第τ个脉冲周期，Q_τ为第τ个脉冲周期内设置的波形选择矩阵，α_ch为信道系数，a(θ_c)为发射阵列导向矢量，z(t；τ)为具有零均值特点的加性高斯白噪声；

S3、通信接收机对雷达正交波形Φ(t)完全已知，用波形Φ(t)匹配滤波基带接收信号得到：

其中T为脉冲持续时间，z(τ)为具有零均值特点的加性高斯白噪声，匹配滤波的结果得到

S4、通信接收机处，通信符号对应的字典为D_com＝{s₁,...,s_L}，通过将s_com(τ)与D_com中的符号进行比较来检测出选择矩阵Q，同时便得到了对应嵌入的通信信息序列，检测准则为：

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