CN115426235B - 基于frft的通信干扰一体化信号设计及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FRFT的通信干扰一体化信号设计及处理方法，在信号设计时，基于不同频率变化率参数的通信干扰一体化信号具有不同最优阶次的分数阶傅里叶变换FRFT的特点，生成具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，在通信接收端利用FRFT滤波器组对设计的信号进行处理，获取通信干扰一体化信号所携带的通信信息。本发明解决了人工噪声和对方雷达信号之间的非相参性与正交频分复用OFDM一体化信号容易受多径效应影响的问题，克服了现有技术中真实目标和干扰目标易被对方雷达分离的不足，提高了对对方雷达的抗干扰难度，降低了己方雷达的通信误码率。

Description

基于FRFT的通信干扰一体化信号设计及处理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及到通信干扰波形共享技术领域中的一种基于FRFT的通信干扰一体化信号设计及处理方法。本发明可用于生成通信与干扰一体化的信号，实现对对方雷达进行干扰的同时，也能实现己方的通信功能。

背景技术

在通信干扰一体化技术中，通过将通信信号调制到干扰信号上或对正交频分复用OFDM(Orthogonal-Frequency Division Multiplexing)一体化信号进行功率分配，尽可能少地损失通信性能的前提下，来提高一体化信号的干扰能力，但现有信号设计方法总会损失通信传输性能或干扰性能，无法使通信和干扰的性能同时得到保证。更为严重的是，通信干扰的设备一体化方法将干扰设备和通信设备同时集中放置在一个搭载平台时，由于干扰信号往往发射宽干扰波束来大范围压制对方雷达接收机的工作范围，干扰信号很容易对干扰设备附近的己方通信设备发送的通信信号产生信号串扰，影响通信设备的通信质量。

南京理工大学在其申请的专利文献“一种基于精准干扰与精准通信一体化系统的波束成形方法”(申请号201911024786.X，申请公布号CN 110912596 A)中公开了一种基于精准干扰与精准通信一体化系统的波束成形方法。该方法构建了线性OFDM随机子载波集，并用最小发射功率作为目标函数，采用拉格朗日乘子法构建通信信息形成向量和人工噪声形成向量，实现通信功能的同时在对方设备的窃听方向上形成人工噪声能量主峰来提升干扰能力。虽然可以干扰窃听者对通信信息的接收，但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于人工噪声和对方雷达信号非相参以致对方雷达设备非常容易滤除掉人工噪声，增加了通信信息被截获的概率。

朱晟坤等人在其发表的论文“雷达通信干扰一体化OFDM共享波形优化方法”(兵器装备工程学报，2020年)中公开了一种雷达通信干扰一体化OFDM共享波形优化方法。该方法建立了权重配置的一体化目标函数，采用基于遗传算法对OFDM信号的子载波功率通过尽可能少地损失通信性能的前提下，提高共享信号的干扰能力，使用正交频分OFDM信号给能够代表性能的雷达检测概率、通信数据率和干扰熵值目标函数赋予不同权值，使综合适应度函数值最佳。虽然该方法采用了遗传算法进行优化，但是，该方法仍然存在的不足之处是，由OFDM信号在空间中容易受到多径效应的影响产生符号间干扰和信道间干扰，从而损失一部分通信信息，导致误码率上升。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于FRFT的通信干扰一体化信号设计及处理方法，用于解决由于人工噪声和通信信息非相参以致对方雷达易分离出真实目标和干扰信号的问题，以及由于OFDM一体化波形解调方式复杂会损失一部分通信信息导致误码率过高的问题。

实现本发明目的的技术思路是：本发明通过分数阶傅里叶变换FRFT选择待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数，产生具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，由于不同频率变化率参数对应的通信干扰一体化信号，会在分数阶傅里叶变换后的一个最优变换阶次下形成该频率变化率参数对应的冲击信号，此技术的特点是设计频率变化率参数使序号相邻的频率变化率参数在最优变换阶次下分数阶傅里叶变换的峰值脉冲不混叠，将频率变化率参数、发射功率参数、假目标时延间隔参数输入信号发生器，输出通信干扰一体化信号，解决了由于人工噪声和对方雷达信号非相参以致对方的雷达设备易滤除人工噪声的问题，更大程度保留了截获雷达探测信号的时域信号特性，提升了通信干扰一体化信号的干扰成功率。本发明在接收端采用FRFT滤波器组对通信端接收到的回波信号进行滤波，获取通信干扰一体化信号所携带的通信信息，将接收的回波信号输入到FRFT滤波器组中进行每个的分数阶傅里叶变换，FRFT滤波器组进行滤波处理后每个阶次的分数阶傅里叶变换结果都是幅值不同的信号，通过比较器可以输出该阶次下在分数阶傅里叶变换域对应的冲击信号最大值，解决了由OFDM信号在空间中容易受到多径效应的影响产生符号间干扰和信道间干扰，从而引起混叠产生较高误码率的问题，FRFT变换在两个差值很小的变换阶次下也能够无混叠区分不同频率变化率的通信干扰一体化信号，能够正确识别通信发送端期望传输的通信信息，FRFT变换适用于非平稳信号环境，能够抵抗信道中的高噪声，降低了通信误码率。

本发明生成本发明生成通信干扰一体化信号的具体步骤如下：

步骤1，设计待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数：

步骤1.1，按照下式，选择待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数：

其中，μ₀表示待产生的通信干扰一体化信号中第0个序号的频率变化率参数，μ表示截获的对方雷达探测信号的频率变化率，|·|表示绝对值操作，arccot表示反余切操作，μ_k与μ_k+1分别表示待产生的通信干扰一体化信号中第k个序号与第k+1个序号的频率变化率参数，A表示由高速信号发生器产生的二进制数据的总数，B表示截获的对方雷达探测信号的脉冲积累数，π表示圆周率；

步骤1.2，通信发送端将二进制数据依次以位二进制数据为一组输入到串并转换器中，输出共N个并行数组，N＝B；

步骤1.3，将每个并行数组中的位二进制数据映射为一个十进制数，每个十进制数按序号与频率变化率参数的序号对应相等；

步骤2，设计通信干扰一体化信号的发射功率和假目标时延间隔参数：

步骤2.1，利用脉冲压缩功率补偿公式，设计待产生的通信干扰一体化信号的发射功率参数；

步骤2.2，利用假目标时延计算公式，设计待产生的通信干扰一体化信号的假目标时延间隔参数；

步骤3，产生具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号：

步骤3.1，将频率变化率参数、中心频率、发射功率参数、假目标时延间隔参数和截获的对方雷达探测信号的波形输入到信号发生器中，输出产生的初始通信干扰一体化信号；

步骤3.2，将产生的初始通信干扰一体化信号进行次等时长延时，得到长度为/>的具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，其中，PRT表示截获的对方雷达探测信号的脉冲重复周期，T_p表示截获的对方雷达探测信号的每个脉冲的时间宽度，ΔT表示待产生的通信干扰一体化信号中的假目标时延间隔参数。

本发明对生成的通信干扰一体化信号进行处理的步骤包括如下：

步骤1，产生同步参考信号：

通信接收端接收通信干扰一体化信号和空间噪声共同组成的回波信号，将接收到的回波信号中频率变化率和被截获雷达探测信号的频率变化率相同的信号作为解调处理的同步参考信号，将同步参考信号时间起点以前接收到的信号幅值置0；

步骤2，对回波信号进行FRFT滤波器组滤波：

步骤2.1，将回波信号输入到FRFT滤波器组中，输出FRFT滤波器组进行滤波处理后的信号；

步骤2.2，将FRFT滤波器组进行滤波处理后的信号输入到比较器中，输出峰值脉冲信号；

步骤2.3，利用FRFT变换的最优变换阶次映射公式，计算峰值脉冲信号的频率变化率参数；

步骤2.4，将每个峰值脉冲信号按照采样时间进行排序，提取每个峰值脉冲信号中的频率变化率参数的序号，将每个频率变化率参数的序号按照十进制转二进制方法转换为一个长度为的二进制数据序列；

步骤3，获取通信干扰一体化信号所携带的通信信息：

将每个频率变化率参数所携带的通信信息首尾依次序拼接相连，得到通信干扰一体化信号所携带的通信信息。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

第一，由于本发明在设计通信干扰一体化信号时，通过分数阶傅里叶变换FRFT选择待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数，产生具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，克服了现有技术中人工噪声和对方雷达信号非相参，易被对方雷达噪声滤波器滤除的不足。使得本发明在保证FRFT变换阶次无混叠的条件下可以直接计算频率变化率参数，在截获雷达探测信号的频率变化率参数附近微调，更大程度保留了截获雷达探测信号的时域信号特性，提升了通信干扰一体化信号的干扰成功率。

第二，由于本发明在处理通信干扰一体化信号时，将接收的回波信号输入到分数阶傅里叶变换FRFT滤波器组中，通过比较器进行峰值判别得到峰值脉冲信号，利用FRFT变换的最优变换阶次映射公式计算峰值脉冲信号的频率变化率参数，克服了现有技术中通信解调方式容易受到多径效应的影响产生符号间干扰和信道间干扰的不足。FRFT滤波器组将回波信号的能量聚焦于局部特征，在两个差值很小的变换阶次下也能够无混叠区分不同频率变化率的通信干扰一体化信号，使得本发明处理通信干扰一体化信号的方法具有高稳定性和高准确性，具能够有很好的通信信息传输的效果，在非平稳信道环境中能够正常工作，避免期望传输的通信信息之间的码间串扰和频域混叠，降低了通信信息传输过程中的误码率。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明仿真实验1利用FRFT滤波器组解调回波信号的结果图；

图3是本发明仿真实验2对回波信号解调后不同信噪比条件下的误码率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的描述。

参照图1和实施例，对本发明的实现步骤做进一步的描述。

步骤1，设计待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数。

利用待产生的通信干扰一体化信号中的频率变化率参数与FRFT阶次之间的关系，选择每个满足约束条件的频率变化率参数。由于在不同FRFT变换阶次下对通信干扰一体化信号进行处理输出的脉冲幅值和频率特性不同，为了在不同变换阶次下能够保证每个频率变化率参数对应的通信干扰一体化信号能够无混叠的区分幅值和频率特性，因此设计频率变化率参数使序号相邻的频率变化率参数在最优变换阶次下分数阶傅里叶变换的峰值脉冲不混叠。

步骤1.1，按照下式，选择待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数：

其中，μ₀表示待产生的通信干扰一体化信号中第0个序号的频率变化率参数，μ表示截获的对方雷达探测信号的频率变化率，|·|表示绝对值操作，arccot表示反余切操作，μ_k与μ_k+1分别表示待产生的通信干扰一体化信号中第k个序号与第k+1个序号的频率变化率参数，A表示由高速信号发生器产生的二进制数据的总数，B表示截获的对方雷达探测信号的脉冲积累数，π表示圆周率。

步骤1.2，机载通信发送端通过高速信号发生器随机产生通信信息的二进制数据，将二进制数据依次以位二进制数据为一组输入到串并转换器中，输出共N个并行数组，A表示待生成通信干扰一体化信号中准备携带的通信信息的二进制数据的总数，B表示截获的雷达探测信号的脉冲积累数，N＝B。

本发明实施例中机载雷达发送端通过高速信号发生器随机产生通信信息的16个二进制数据[1,1,1,1,0,0,0,1,0,1,0,0,1,0,1,0]，将二进制数据依次以4位二进制数据为一组输入到串并转换器中，输出共4个并行数组[1111]、[0001]、[0100]、[1010]。

步骤1.3，将每个并行数组中的二进制数据映射为该二进制数据对应的十进制数，每个十进制数按序号与步骤,1.1中选取的频率变化率参数的序号对应相等，本发明实施例中每个并行数组中[1111]、[0001]、[0100]、[1010]映射为该二进制数据对应的十进制数15,1,4,10,每个十进制数按其序号与频率变化率参数的序号对应相等，具体为μ₁₅,μ₁,μ₄,μ₁₀。

步骤2，设计通信干扰一体化信号的发射功率和假目标时延间隔参数。

步骤2.1，在步骤1中设计了频率变化率参数μ_k，在频率变化率μ失配的状态下，频率变化率参数μ_k会造成待生成通信干扰一体化信号的能量衰减。因此，需要通过对待生成通信干扰一体化信号的发射功率进行能量补偿，以尽可能减小待生成通信干扰一体化信号在接收端处理时出现的包络起伏。

按照下式，设计待产生的通信干扰一体化信号的每个发射功率如下：

其中，A_k ²表示频率变化率为μ_k的待生成通信干扰一体化信号的发射功率，P_t表示第t个采样时刻的截获的对方雷达探测信号的参考发射功率。

步骤2.2，待生成的通信干扰一体化信号可以遮蔽真实信号，但不能保证完全遮蔽真实信号，需要对待生成的通信干扰一体化信号延时，得到待生成的具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，以确保可以完全遮蔽真实信号。因此，需要设计待生成通信干扰一体化信号的假目标时延间隔参数，为保证待生成的具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号的密集度，ΔT越小越好，可以选择频率变化率参数中对应待生成通信干扰一体化信号脉宽的最小值，本发明实施例中失配干扰信号中每个假目标时延间隔取值相等。设计待产生的通信干扰一体化信号中的假目标时延间隔。

按照下式，设计待产生通信干扰一体化信号的假目标时延间隔参数：

其中，max{·}表示集合中取最大值的操作。

步骤3，产生具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号。

步骤3.1，将频率变化率参数、中心频率、发射功率参数、假目标时延间隔参数和截获的对方雷达探测信号的波形输入到信号发生器中，输出产生的初始通信干扰一体化信号。

构造初始通信干扰一体化信号公式如下：

其中，s_k(t)表示采样时刻为t时，第k个频率变化率参数对应的待产生的通信干扰一体化信号该一体化信号幅值，t取值范围为[-T_p/2,T_p/2]，rect(·)表示单位矩形窗函数，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，f₀表示待产生的通信干扰一体化信号的中心频率，待产生的通信干扰一体化信号的中心频率值与截获的对方雷达探测信号的中心频率值相同。

步骤3.2，将产生的初始通信干扰一体化信号进行次等时长延时，得到长度为/>的具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，其中，PRT表示截获的对方雷达探测信号的脉冲重复周期，T_p表示截获的对方雷达探测信号的每个脉冲的时间宽度，ΔT表示待产生的通信干扰一体化信号中的假目标时延间隔参数。

步骤4，采用FRFT滤波器组对通信端接收到的回波信号进行滤波，获取通信干扰一体化信号所携带的通信信息。

步骤4.1，通信接收端接收通信干扰一体化信号和空间噪声共同组成的回波信号，将接收到的回波信号中频率变化率和被截获雷达探测信号的频率变化率相同的信号作为解调处理的同步参考信号，将同步参考信号时间起点以前接收到的信号幅值置0。

步骤4.2，将回波信号输入到FRFT滤波器组中，输出FRFT滤波器组进行滤波处理后的信号，FRFT滤波器组中子滤波器的FRFT阶次最低为0.1，最高为4。

步骤4.3，利用FRFT变换的最优变换阶次映射公式，计算峰值脉冲信号的频率变化率参数。

步骤4.4，将每个峰值脉冲信号按照采样时间进行排序，提取每个峰值脉冲信号中的频率变化率参数的序号，将每个频率变化率参数的序号按照十进制转二进制方法转换为一个长度为的二进制数据序列。

步骤4.5，将每个频率变化率参数所携带的通信信息首尾依次序拼接相连，得到通信干扰一体化信号所携带的通信信息。

下面结合仿真实验对本发明做进一步的描述。

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的硬件平台：CPU为Intel Core i7-7700，RAM为8GB。

本发明的仿真实验的软件平台：Windows 10操作系统和Matlab R2019a。

本次仿真实验设定截获的对方雷达探测信号的频率变化率μ＝3×10¹¹Hz/s，脉宽T_p＝5μs，B＝15MHz，采样率f_s＝30MHz，脉冲重复周期PRT＝1500μs，脉冲重复频率PRF＝667Hz，并行数组个数N＝4。根据上述参数设计原则，选择待产生通信干扰一体化信号中16个满足约束条件的频率变化率参数，计算待产生通信干扰一体化信号中的假目标时延间隔ΔT＝1.3333μs，设置对方雷达具有两个感兴趣的真实目标，目标1距离对方雷达70km、相对速度为21m/s；目标2距离对方雷达80km、相对速度为50m/s。

2.仿真实验内容与结果分析。

本发明的仿真实验是采用本发明提出的基于FRFT的通信干扰一体化信号设计及处理方法，通信发送端随机产生一个由二进制数据组成的序列，用二进制序列编码每个频率变化率参数，通过通信干扰一体化信号公式，产生通信干扰一体化信号，发射该信号后，通信接收端接收该发射信号的回波信号，对回波信号解调得到对每个频率变化率参数的解码结果。通过Matlab R2019a仿真该流程，通过Matlab R2019a仿真该流程，利用FRFT滤波器组解调回波信号的结果图如图2所示；不同信噪比条件下本发明通信干扰一体化信号的误比特率曲线图3所示。

本发明的仿真实验中使用本发明方法，机载通信接收端利用FRFT滤波器组对回波信号进行处理得到每个FRFT阶次的解调结果。图2是机载通信接收端接收具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号的回波信号进行0.9阶到1.2阶的分数阶傅里叶变换的结果图。图2的x轴表示分数阶傅里叶变换阶次，y轴表示通信干扰一体化信号中的中心频率，z轴表示回波信号的幅值。从图2可以看出，分数阶傅里叶变换的阶次从0.9阶到1.2阶，其中在1.053阶时形成了三个尖峰，每个尖峰的峰值对应三个不同的频率变化率参数，而在其他阶次没有形成尖峰，可以正确解出频率变化率参数所携带的通信信息。

本发明的仿真实验中使用本发明方法，机载通信接收端对回波信号在不同信噪比条件下进行信号处理，得到信噪比与误码率的曲线结果。图3是不同信噪比条件下对通信误码率大小的影响，图3的x轴表示信噪比，y轴表示通信误码率，从图中可以看出，当信噪比越大，即信号中所包含的噪声越小时，相应的误码率越低，并且当信噪比大于6dB时，误码率可以下降到10^-5以下，在解码通信信息时，具有良好的误码率性能。

Claims (3)

1.一种基于FRFT的通信干扰一体化信号设计方法，其特征在于，通过分数阶傅里叶变换FRFT选择待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数，产生具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，该信号设计方法的步骤包括如下：

步骤1，设计待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数：

步骤1.1，按照下式，选择待产生的通信干扰一体化信号中每个频率变化率参数：

其中，μ₀表示待产生的通信干扰一体化信号中第0个序号的频率变化率参数，μ表示截获的对方雷达探测信号的频率变化率，|·|表示绝对值操作，arccot表示反余切操作，μ_k与μ_k+1分别表示待产生的通信干扰一体化信号中第k个序号与第k+1个序号的频率变化率参数，A表示由高速信号发生器产生的二进制数据的总数，B表示截获的对方雷达探测信号的脉冲积累数，π表示圆周率；

步骤1.2，通信发送端将二进制数据依次以位二进制数据为一组输入到串并转换器中，输出共N个并行数组，N＝B；

步骤1.3，将每个并行数组中的位二进制数据映射为一个十进制数，每个十进制数按序号与频率变化率参数的序号对应相等；

步骤2，设计通信干扰一体化信号的发射功率和假目标时延间隔参数：

步骤2.1，利用下述脉冲压缩功率补偿公式，设计待产生的通信干扰一体化信号的发射功率参数：

其中，A_k ²表示频率变化率为μ_k的待生成通信干扰一体化信号的发射功率，P表示截获的对方雷达探测信号的发射功率；

步骤2.2，利用下述假目标时延计算公式，设计待产生的通信干扰一体化信号的假目标时延间隔参数：

其中，max{·}表示集合中取最大值的操作；

步骤3，产生具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号：

步骤3.1，将频率变化率参数、中心频率、发射功率参数、假目标时延间隔参数和截获的对方雷达探测信号的波形输入到信号发生器中，输出产生的初始通信干扰一体化信号如下：

其中，s_k(t)表示采样时刻为t时，第k个频率变化率参数对应的待产生的通信干扰一体化信号该一体化信号幅值，t取值范围为[-T_p/2,T_p/2]，rect(·)表示单位矩形窗函数，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，f₀表示待产生的通信干扰一体化信号的中心频率，待产生的通信干扰一体化信号的中心频率值与截获的对方雷达探测信号的中心频率值相同；

步骤3.2，将产生的初始通信干扰一体化信号进行次等时长延时，得到长度为的具有密集假目标特性的通信干扰一体化信号，其中，PRT表示截获的对方雷达探测信号的脉冲重复周期，T_p表示截获的对方雷达探测信号的每个脉冲的时间宽度，ΔT表示待产生的通信干扰一体化信号中的假目标时延间隔参数。

2.根据权利要求1所述产生的通信干扰一体化信号的一种基于FRFT的通信干扰一体化信号处理方法，其特征在于，采用FRFT滤波器组对通信端接收到的回波信号进行滤波，获取通信干扰一体化信号所携带的通信信息，该信号处理方法的步骤包括如下：

步骤1，产生同步参考信号：

通信接收端接收通信干扰一体化信号和空间噪声共同组成的回波信号，将接收到的回波信号中频率变化率和被截获雷达探测信号的频率变化率相同的信号作为解调处理的同步参考信号，将同步参考信号时间起点以前接收到的信号幅值置0；

步骤2，对回波信号进行FRFT滤波器组滤波：

步骤2.1，将回波信号输入到FRFT滤波器组中，输出FRFT滤波器组进行滤波处理后的信号；

步骤2.2，将FRFT滤波器组进行滤波处理后的信号输入到比较器中，输出峰值脉冲信号；

步骤2.3，利用FRFT变换的最优变换阶次映射公式，计算峰值脉冲信号的频率变化率参数；

步骤2.4，将每个峰值脉冲信号按照采样时间进行排序，提取每个峰值脉冲信号中的频率变化率参数的序号，将每个频率变化率参数的序号按照十进制转二进制方法转换为一个长度为的二进制数据序列；

步骤3，获取通信干扰一体化信号所携带的通信信息：

将每个频率变化率参数所携带的通信信息首尾依次序拼接相连，得到通信干扰一体化信号所携带的通信信息。

3.根据权利要求2所述的基于FRFT的通信干扰一体化信号处理方法，其特征在于，步骤2.1中所述FRFT变换的最优变换阶次映射公式如下：

μ_k＝-cot(p_b·π/2)

其中，cot表示余切操作，p_b表示峰值脉冲信号的FRFT变换阶次。