CN114966584A - 一种基于改进型限幅法的ofdm雷达通信一体化峰均比抑制方法 - Google Patents

一种基于改进型限幅法的ofdm雷达通信一体化峰均比抑制方法 Download PDF

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CN114966584A CN202210378835.5A CN202210378835A CN114966584A CN 114966584 A CN114966584 A CN 114966584A CN 202210378835 A CN202210378835 A CN 202210378835A CN 114966584 A CN114966584 A CN 114966584A
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Abstract

本发明公开了一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，包括如下步骤：设置信号参数，对目标状态进行初始化；设置限幅门限，将输出信号的幅值限制在门限值以内；对限幅后的信号进行迭代滤波；对一体化信号在加性高斯白噪声信道中的峰均比进行求解；对雷达通信一体化信号中的模糊函数进行求解；根据求解的模糊函数，对一体化信号波形的距离分辨率、多普勒分辨率进行求解。本发明通过对传统的限幅法进行改进，不但可以有效降低OFDM雷达通信一体化信号的峰均比，而且可以保证信号的误码率几乎不受损失，能够更好的提高频谱利用效率，并且对雷达探测性能和通信性能影响较小。

Description

一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制 方法
技术领域
本发明属于雷达通信一体化领域，具体涉及一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法。
背景技术
雷达通信一体化技术近年来受到不同领域的广泛应用。该技术能够使一种信号同时实现雷达探测和通信信息传递两种功能，其不但可以节省一体化平台的作战时间，而且能够提高一体化系统频谱资源的利用效率。目前，在实现雷达通信一体化方面，主要是利用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)信号。
正交频分复用信号具有抗干扰、低截获等性能优势，是雷达通信一体化系统常用的发射波形之一。但是，OFDM信号存在峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)较高的缺陷，当雷达发射机工作在非线性区域时，信号会产生非线性失真和谐波，造成明显的频谱扩展和带内信号畸变，导致射频放大器功放的效率降低。因此，对信号PAPR的抑制必须在OFDM一体化系统的发射端进行。
通信数据的随机性使得调制的OFDM信号具有包络不恒定性，且动态范围较大，从而产生较高的峰均比。传统的PAPR抑制方法主要有3类：概率类技术，信号编码技术和信号预畸变技术。概率类技术，利用不同的相位旋转因子对OFDM信号进行分组和加权处理，从而选择一组最优的相位因子进行信息传输，以此降低信号的峰均比，如选择性映射、部分传输序列等。该技术对于抑制PAPR具有明显的效果，但是在信号加权处理过程中会引入边带信息，从而增加了系统的复杂度。信号编码技术，利用不同算法对信号进行编码，使编码后的信号产生多种组合，从中选择峰均比最优的一组进行信息传输。常用的编码算法有：分组编码、卷积编码、格雷互补编码等。这类技术使得OFDM信号系统相对稳定、简单，但是当子载波数目较大时，编码效率降低，计算复杂度增大，导致频带利用率低。信号预畸变技术，在信号经过放大器之前，对功率大于设定门限值的信号进行非线性畸变，如限幅、压缩扩展等，这类技术操作简单，但会引起信号的非线性失真，导致系统的误码率性能降低。信号预畸变技术中的直接限幅法是一种非线性方法，该方法会导致频谱泄露和非线性失真，使得系统的误码率增加，同时造成信号的频谱效率下降。
在限幅法抑制OFDM信号的峰均比方面，文献“李波,郑晨,王彦本.一种OFDM联合峰均比抑制算法[J].西安邮电大学学报,2018,23(02):78-84.”提出了预留子载波技术的联合峰均功率比抑制算法，通过将限幅噪声比、智能梯度主动星座扩展和最小平方逼近方法加权组合在统一的迭代过程，使得各种算法优势互补，降低了迭代次数，但是这种算法在信噪比大的信道环境中，误码率性能较差。文献“王红星,陆发平,刘传辉,刘晓.一种椭圆球面波调制信号自适应峰均比抑制方法[J].电子与信息学报,2017,39(01):75-81.”提出的μ律压缩自适应峰均比抑制方法虽然能够根据输入信号自适应调节压缩参数，有效压缩信号峰值，但是运算的复杂度较高。文献“刘璐,赵国庆.一种峰均比抑制方法的研究[J].电子学报,2018,46(10):2443-2449.”提出的基于保角压缩的峰均比抑制方法，虽然可以从信号的实部和虚部两个解析域上分别进行限幅滤波，有效地抑制限幅带来的带内干扰，但是对峰均比的抑制效果较差。
OFDM信号是雷达通信一体化系统常用的发射波形之一，但是其峰均比较高。传统的限幅法虽然可以降低系统OFDM信号的峰均比，但会造成误码率增大和带外频谱泄露的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的OFDM雷达通信一体化系统中峰均比高的问题，提供一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，能够有效降低OFDM信号的峰均比，提高频谱利用率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，包括如下步骤：
S1：设置信号参数，对目标状态进行初始化；
S2：设置限幅门限，将输出信号的幅值限制在门限值以内；
S3：对限幅后的信号进行迭代滤波；
S4：对一体化信号在加性高斯白噪声信道中的峰均比进行求解；
S5：对雷达通信一体化信号中的模糊函数进行求解；
S6：根据求解的模糊函数，对一体化信号波形的距离分辨率、多普勒分辨率进行求解。
进一步地，所述步骤S1具体为：
归一化OFDM一体化信号表示为：
Figure BDA0003591839490000021
其中，子载波数目为N，
Figure BDA0003591839490000022
为功率归一化因子，T为OFDM信号的符号周期，即脉冲宽度；fk＝kΔf为第k个子载波频率，
Figure BDA0003591839490000031
为子载波间隔；
对s(t)进行采样，得到离散时间采样信号为：
Figure BDA0003591839490000032
其中，0≤k≤N-1；n＝0,1,2,…,LN-1；L为过采样因子。
进一步地，所述步骤S2具体为：
信号经过限幅器后的输出为
Figure BDA0003591839490000033
其中，Amax为给定的幅值，称为限幅门限；
Figure BDA0003591839490000034
为信号s(n)的相位；
对s(t)进行采样，得到的离散时间采样信号s(n)可记为
Figure BDA0003591839490000035
其中，
Figure BDA0003591839490000036
进一步地，所述步骤S3具体为：
采用低通滤波器对限幅后的信号进行迭代滤波，具体的滤波过程如下：
A1：根据式<2>对复信号s(n)进行限幅后得到输出数据
Figure BDA0003591839490000037
A2：通过低通滤波器滤除限幅产生的带外干扰，并对限幅后的数据
Figure BDA0003591839490000038
进行LN点DFT，得LN点的数据序列：
Figure BDA0003591839490000039
A3：将带外信号置零，去除带外干扰，得到长度为N的序列：
Figure BDA00035918394900000310
A4：序列
Figure BDA00035918394900000311
用N点IDFT通过OFDM调制转换为时域信号
Figure BDA00035918394900000312
并进行多次限幅和滤波。
进一步地，所述步骤S4中一体化信号在加性高斯白噪声信道中的峰均比的求解过程为：
将信号的峰均功率比定义为：在一个OFDM符号的周期内，信号的瞬时峰值功率与平均功率之比，表示为
Figure BDA0003591839490000041
其中，E{·}表示求均值操作；
PAPR的性能用互补累计函数(Complementary Cumulative DistributionFunction，CCDF)描述，即峰均功率比超过某一门限值PAPR0的概率，其表达式为
Figure BDA0003591839490000042
进一步地，所述步骤S5中雷达通信一体化信号中的模糊函数的求解过程为：
将模糊函数的定义如下：
Figure BDA0003591839490000043
式中，E为信号的总能量；τ为时延；fd为多普勒频移；b*(t)为b(t)的共轭；
式<7>表示连续时间信号的模糊函数，离散时间序列的模糊函数表示为
Figure BDA0003591839490000044
式中，m＝fs×τ，
Figure BDA0003591839490000045
fs为采样率，N为采样点数；
OFDM一体化信号的模糊函数的表达式为
Figure BDA0003591839490000046
进一步地，所述步骤S6中一体化信号波形的距离分辨率、多普勒分辨率的求解过程为：
令多普勒频移kd＝0，则一体化信号的距离模糊函数(时延切片)为
Figure BDA0003591839490000047
令时延m＝0，则一体化信号的速度模糊函数(多普勒切片)为
Figure BDA0003591839490000051
本发明通过对传统的限幅法进行改进，可以降低OFDM雷达通信一体化信号的峰均比，其首先将高于门限的信号进行抑制，然后通过迭代滤波降低带外信号弥散造成的频谱效率下降的问题，通过合理设置限幅门限和选择迭代滤波次数，可以有效降低OFDM信号的PAPR，并且对雷达探测性能和通信性能影响较小。
本发明对限幅滤波后的信号在AWGN中的峰均比、误码率性能和雷达通信一体化信号的模糊函数进行分析，以更好的提高频谱利用效率。
有益效果：本发明与现有技术相比，通过对传统的限幅法进行改进，并且将此改进的限幅法应用到OFDM雷达通信一体化峰均比抑制，不但可以有效降低OFDM雷达通信一体化信号的峰均比，而且可以保证信号的误码率几乎不受损失，能够更好的提高频谱利用效率，并且对雷达探测性能和通信性能影响较小，解决了误码率增大的问题以及带外信号弥散造成的频谱效率下降的问题。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是限幅滤波原理图；
图3是等价低通滤波器图；
图4是PAPR的CCDF曲线图；
图5是误码率性能对比图；
图6是限幅门限下为2dB的信号PAPR图；
图7为限幅门限下为4dB的信号PAPR图；
图8为限幅门限下为6dB的信号PAPR图；
图9为限幅门限下为8dB的信号PAPR图；
图10是改进限幅法在不同CR条件下的PAPR图；
图11是一体化信号模糊函数图；
图12是限幅前模糊函数切片图；
图13是限幅后模糊函数切片图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，如图1所示，其包括如下步骤：
S1：设置信号参数，对目标状态进行初始化：
归一化OFDM一体化信号表示为：
Figure BDA0003591839490000061
其中，子载波数目为N，
Figure BDA0003591839490000062
为功率归一化因子，T为OFDM信号的符号周期，即脉冲宽度；fk＝kΔf为第k个子载波频率，
Figure BDA0003591839490000063
为子载波间隔；
对s(t)进行采样，得到离散时间采样信号为：
Figure BDA0003591839490000064
其中，0≤k≤N-1；n＝0,1,2,…,LN-1；L为过采样因子。
S2：设置限幅门限，将输出信号的幅值限制在门限值以内：
信号经过限幅器后的输出为
Figure BDA0003591839490000065
其中，Amax为给定的幅值，称为限幅门限；
Figure BDA0003591839490000066
为信号s(n)的相位；
对s(t)进行采样，得到的离散时间采样信号s(n)可记为
Figure BDA0003591839490000067
其中，
Figure BDA0003591839490000068
S3：对限幅后的信号进行迭代滤波：
采用低通滤波器对限幅后的信号进行迭代滤波，参照图2和图3，具体的滤波过程如下：
A1：根据式<2>对复信号s(n)进行限幅后得到输出数据
Figure BDA0003591839490000069
A2：通过低通滤波器滤除限幅产生的带外干扰，并对限幅后的数据
Figure BDA00035918394900000610
进行LN点DFT，得LN点的数据序列：
Figure BDA00035918394900000611
A3：将带外信号置零，去除带外干扰，得到长度为N的序列：
Figure BDA0003591839490000071
A4：序列
Figure BDA0003591839490000072
用N点IDFT通过OFDM调制转换为时域信号
Figure BDA0003591839490000073
并进行多次限幅和滤波。
S4：对一体化信号在加性高斯白噪声信道中的峰均比进行求解：
OFDM信号是由多个正交的子载波信号连续叠加而成，当子载波信号的幅度一致时，时域的OFDM信号则会产生较大的峰值功率。因此，将信号的峰均功率比定义为：在一个OFDM符号的周期内，信号的瞬时峰值功率与平均功率之比，表示为
Figure BDA0003591839490000074
其中，E{·}表示求均值操作；
PAPR的性能用互补累计函数(Complementary Cumulative DistributionFunction，CCDF)描述，即峰均功率比超过某一门限值PAPR0的概率，其表达式为
Figure BDA0003591839490000075
S5：对雷达通信一体化信号中的模糊函数进行求解：
模糊函数是雷达探测波形分析的重要工具，通过对信号波形的模糊函数分析，可以得到信号波形的距离分辨率和多普勒分辨率；
将模糊函数的定义如下：
Figure BDA0003591839490000076
式中，E为信号的总能量；τ为时延；fd为多普勒频移；b*(t)为b(t)的共轭；
式<7>表示连续时间信号的模糊函数，离散时间序列的模糊函数表示为
Figure BDA0003591839490000077
式中，m＝fs×τ，
Figure BDA0003591839490000078
fs为采样率，N为采样点数；
OFDM一体化信号的模糊函数的表达式为
Figure BDA0003591839490000081
S6：根据求解的模糊函数，对一体化信号波形的距离分辨率、多普勒分辨率进行求解：
令多普勒频移kd＝0，则一体化信号的距离模糊函数(时延切片)为
Figure BDA0003591839490000082
令时延m＝0，则一体化信号的速度模糊函数(多普勒切片)为
Figure BDA0003591839490000083
基于上述方案，为了验证本发明方法的实际效果，进行了仿真实验，具体如下：
1.实验场景：
(1)仿真实验
为了分析改进型限幅法对一体化系统性能的影响，本实施例分别对直接限幅法和改进型限幅法在AWGN信道中峰均比和误码率性能、不同限幅门限下一体化系统峰均比性能、四次迭代滤波后峰均比性能以及限幅前后对一体化模糊函数的影响进行了仿真。一体化系统子载波数N＝1024，子载波间隔Δf＝250HZ，一个OFDM符号的长度为T＝0.4μs，改进型限幅算法中过采样因子L＝4，OFDM信号经过AWGN信道，数据符号采用QPSK调制。
2.实验结果分析：
图4是原OFDM信号、直接限幅法处理后信号和改进型限幅法经过四次迭代滤波处理后信号的PAPR性能比较。由图4可知，改进型限幅法降低PAPR效果最好，可达6.1dB；和原OFDM信号相比，直接限幅法也能有效地降低系统的PAPR，但降低PAPR的幅度小于改进型限幅法。
图5是不同方法下，信号通过AWGN信道后的误码率性能比较，由图5可以看出，信噪比在0-20dB时，直接限幅法和改进型限幅法对误码率性能影响较小；信噪比在20-30dB时，直接限幅法的误码率性能逐渐变差，而改进型限幅法误码率非常接近原OFDM信号。由此可知，改进型限幅法能保证系统的误码性能几乎不受损失。
对离散时域信号以采样因子L＝4进行过采样，同时采用迭代滤波法对限幅带来的带外信号弥散进行滤波。限幅滤波后，离散时域OFDM信号的PAPR性能如图6～图9所示。图6～图9分别仿真了限幅门限分别为2dB，4dB，6dB和8dB时，经过四次迭代滤波后系统的PAPR性能。由图6～图9知，随着限幅门限的升高，PAPR抑制效果逐渐减弱，且由滤波带来的PAPR升高也越严重，四次迭代滤波后，限幅门限为2dB时，系统的PAPR性能最低，可达3dB。
图10给出了在同一限幅门限下，信号进行四次迭代滤波后的PAPR性能。由图10(a)～10(d)可以看出，同一限幅门限值下，随着限幅次数的增加，CCDF曲线逐渐变陡，信号的PAPR性能不断提升，这是由于进行迭代滤波后避免了信号的峰值功率回升，消除或降低了带外信号弥散造成的频谱效率下降；在不同限幅门限下，曲线拐点表示此时信号峰均功率比开始超过设定的门限值PAPR0；随着限幅门限值的增大，信号峰均功率比开始超过设定的门限值PAPR0的概率逐渐降低；由图可以看出，在CR＝2时，抑制PAPR的效果最好，PAPR为3.1dB，CR＝8时，PAPR抑制效果最差，PAPR可达7.78dB。
滤波迭代次数越多，改进型限幅法对信号的PAPR抑制效果就越好，但也会使引入的限幅噪声变大，系统的误码率性能下降。因此，考虑到系统的误码率性能和PAPR抑制效果，需要在限幅门限和迭代滤波次数之间进行折衷，一般选择限幅门限CR＝4，迭代滤波次数I-Num＝4时进行PAPR抑制。
图11对限幅前后一体化信号的模糊函数进行了仿真，限幅门限为4dB，迭代滤波次数为四次。由图11知，限幅前后一体化信号模糊函数几乎没有变化，且一体化信号的模糊函数为图钉型，表明一体化信号可以获得良好的距离及多普勒分辨率。由于限幅过程位于发射端，对信号限幅后，通过迭代滤波消除或降低了带外信号弥散带来的干扰，因此对雷达目标检测的影响较小。
限幅前后模糊函数的零多普勒时延切片及零时延多普勒切片分别如图12(a)～(b)和图13(a)～(b)所示。由图11知，限幅前后一体化信号的模糊函数几乎没有变化，所以，限幅前后信号的零多普勒时延切片及零时延多普勒切片也几乎没有变化。信号的零多普勒时延切片的最高旁瓣为-25.7dB，且只在时延为0处出现尖峰，利于雷达的探测；信号的零时延多普勒切片第一旁瓣的高度为-15dB。

Claims (7)

1.一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：设置信号参数，对目标状态进行初始化；
S2：设置限幅门限，将输出信号的幅值限制在门限值以内；
S3：对限幅后的信号进行迭代滤波；
S4：对一体化信号在加性高斯白噪声信道中的峰均比进行求解；
S5：对雷达通信一体化信号中的模糊函数进行求解；
S6：根据求解的模糊函数，对一体化信号波形的距离分辨率、多普勒分辨率进行求解。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
归一化OFDM一体化信号表示为：
Figure FDA0003591839480000011
其中，子载波数目为N，
Figure FDA0003591839480000012
为功率归一化因子，T为OFDM信号的符号周期，即脉冲宽度；fk＝kΔf为第k个子载波频率，
Figure FDA0003591839480000013
为子载波间隔；
对s(t)进行采样，得到离散时间采样信号为：
Figure FDA0003591839480000014
其中，0≤k≤N-1；n＝0,1,2,…,LN-1；L为过采样因子。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
信号经过限幅器后的输出为
Figure FDA0003591839480000015
其中，Amax为给定的幅值，称为限幅门限；
Figure FDA0003591839480000016
为信号s(n)的相位；
对s(t)进行采样，得到的离散时间采样信号s(n)可记为
Figure FDA0003591839480000017
其中，
Figure FDA0003591839480000021
4.根据权利要求3所述的一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
采用低通滤波器对限幅后的信号进行迭代滤波，具体的滤波过程如下：
A1：根据式<2>对复信号s(n)进行限幅后得到输出数据
Figure FDA0003591839480000029
A2：通过低通滤波器滤除限幅产生的带外干扰，并对限幅后的数据
Figure FDA0003591839480000028
进行LN点DFT，得LN点的数据序列：
Figure FDA0003591839480000022
A3：将带外信号置零，去除带外干扰，得到长度为N的序列：
Figure FDA0003591839480000023
A4：序列
Figure FDA0003591839480000024
用N点IDFT通过OFDM调制转换为时域信号
Figure FDA0003591839480000025
并进行多次限幅和滤波。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤S4中一体化信号在加性高斯白噪声信道中的峰均比的求解过程为：
将信号的峰均功率比定义为：在一个OFDM符号的周期内，信号的瞬时峰值功率与平均功率之比，表示为
Figure FDA0003591839480000026
其中，E{·}表示求均值操作；
PAPR的性能用互补累计函数描述，即峰均功率比超过某一门限值PAPR0的概率，其表达式为
Figure FDA0003591839480000027
6.根据权利要求1所述的一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤S5中雷达通信一体化信号中的模糊函数的求解过程为：
将模糊函数的定义如下：
Figure FDA0003591839480000031
式中，E为信号的总能量；τ为时延；fd为多普勒频移；b*(t)为b(t)的共轭；
式<7>表示连续时间信号的模糊函数，离散时间序列的模糊函数表示为
Figure FDA0003591839480000032
式中，m＝fs×τ，
Figure FDA0003591839480000033
fs为采样率，N为采样点数；
OFDM一体化信号的模糊函数的表达式为
Figure FDA0003591839480000034
7.根据权利要求6所述的一种基于改进型限幅法的OFDM雷达通信一体化峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤S6中一体化信号波形的距离分辨率、多普勒分辨率的求解过程为：
令多普勒频移kd＝0，则一体化信号的距离模糊函数为
Figure FDA0003591839480000035
令时延m＝0，则一体化信号的速度模糊函数为
Figure FDA0003591839480000036
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