基于擴(kuò)頻的雷達(dá)
--通信一體化信號(hào)的設(shè)計(jì)?

劉少華,黃志星

(電子科技大學(xué)電子科學(xué)技術(shù)研究院,四川成都611731)

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)提出了小型化、多功能化的要求,而雷達(dá)與通信作為作戰(zhàn)平臺(tái)的兩個(gè)主要組成部分,二者一體化的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。文獻(xiàn)[1]和[2]對(duì)雷達(dá)通信一體化的必要性、可行性、關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了初步的分析。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)雷達(dá)-通信一體化的方式有共享射頻前端、共享孔徑等[3],但這僅限于部分資源的共享,并非實(shí)際意義上的一體化實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]提出了信號(hào)共享的概念,即通過發(fā)射一種信號(hào)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種電子設(shè)備的功能,可最大限度地實(shí)現(xiàn)資源共享。

基于信號(hào)共享的思想,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了眾多雷達(dá)-通信一體化的實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)[5]通過將通信信號(hào)調(diào)制到雷達(dá)信號(hào)上形成發(fā)射信號(hào),在接收端再將雷達(dá)信號(hào)與通信信號(hào)進(jìn)行分離的方法對(duì)雷達(dá)-通信一體化信號(hào)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該方法容易因雷達(dá)信號(hào)與通信信號(hào)分離不徹底而造成二者間的干擾,并且通信信號(hào)占用大量雷達(dá)發(fā)射功率,大大降低了雷達(dá)的作用距離。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于Chirp信號(hào)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng),采用不同的初始頻率對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。但這一系統(tǒng)存在通信速率取決于Chirp率,以至于通信頻譜效率較低的缺點(diǎn)。

出于擴(kuò)頻技術(shù)在數(shù)字通信中的廣泛應(yīng)用,部分學(xué)者開始以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)雷達(dá)-通信一體化信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[7]和[8]提出了一種基于直接序列擴(kuò)頻的雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng),利用PN碼良好的互相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)的正交,以在接收端將二者很好的分離。同樣,該方法依舊存在通信信號(hào)占用雷達(dá)發(fā)射功率的問題,并且系統(tǒng)頻譜利用率低,難以滿足實(shí)際要求。

由此,本文設(shè)計(jì)了一種基于MSK直接序列擴(kuò)頻的雷達(dá)-通信一體化信號(hào)。通過對(duì)通信中的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻,使其具有良好的自相關(guān)性,從而滿足雷達(dá)探測(cè)的要求。同時(shí),利用MSK技術(shù),大大提升了系統(tǒng)的頻譜利用率。

1 雷達(dá)-通信一體化信號(hào)的設(shè)計(jì)

1.1 直接序列擴(kuò)頻

由于具有抗干擾抗衰落能力強(qiáng)、功率譜密度低、可用于實(shí)現(xiàn)多址通信等眾多優(yōu)點(diǎn),擴(kuò)頻技術(shù)已在現(xiàn)代通信中得到了廣泛的應(yīng)用,尤其以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的碼分多址更是顯示出強(qiáng)大的生命力。

所謂擴(kuò)頻,即利用擴(kuò)頻序列將所傳送的數(shù)據(jù)信息擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上,在接收端再通過相關(guān)檢測(cè)以恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息[9]。通常,以偽隨機(jī)(Pseudo-Noise,PN)序列來作為擴(kuò)頻序列。直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)則是擴(kuò)頻通信方式中較為常用的一種,其直接將偽隨機(jī)序列與數(shù)據(jù)序列相乘來實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的擴(kuò)展。

基帶數(shù)據(jù)序列可表示為

式中,Nsym為數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度;Ts為碼元周期;a n為所傳送的第n個(gè)碼元,取值為±1;則表示矩形脈沖,

假設(shè)PN碼產(chǎn)生器所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列為

式中,L為偽隨機(jī)序列長(zhǎng)度(亦即擴(kuò)頻因子);Tc為PN碼碼元周期;c n為第n個(gè)PN碼碼元,取值為±1。通常情況下,偽隨機(jī)序列碼元寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)序列的碼元時(shí)間間隔,即Tc=Ts。則經(jīng)過擴(kuò)展后的序列為

式中,d n為經(jīng)過擴(kuò)展后的第n個(gè)碼元。這種擴(kuò)展方式也稱為二進(jìn)制相移鍵控直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。

然而,由于BPSK調(diào)制的固有缺陷,二進(jìn)制相移鍵控下的DSSS系統(tǒng)頻譜利用率將會(huì)很低,大大限制了它的實(shí)際應(yīng)用。MSK(最小頻移鍵控)作為連續(xù)相位頻率調(diào)制體制中的一種,則具有較高的頻譜效率。故接下來,本文將利用MSK技術(shù)來對(duì)雷達(dá)-通信一體化信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 .2 MSK直接序列擴(kuò)頻

MSK是連續(xù)相位頻率調(diào)制體制中的一種特殊類型,其具有線性、連續(xù)的相位路徑。由于其消除了碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位突變,從而從根本上解決了已調(diào)信號(hào)包絡(luò)起伏問題,其頻譜滾降也得到了顯著的改善。假設(shè)MSK與QPSK信號(hào)碼元周期相同,二者歸一化功率譜如圖1所示。

圖1 MSK與QPSK信號(hào)歸一化功率譜

可見,MSK信號(hào)的功率譜比QPSK具有更窄的主瓣,并且其功率譜衰減速率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于QPSK的衰減速率,從而具有更高的頻譜效率。

根據(jù)MSK信號(hào)形式[9],MSK直接序列擴(kuò)頻(MSK-DSSS)發(fā)射端在第n個(gè)碼元周期內(nèi)的輸出信號(hào)可以表示為

式中,A為信號(hào)幅度,簡(jiǎn)單起見取值為1;ω0為載波頻率;d n為經(jīng)過擴(kuò)展后的第n個(gè)碼元;φn為第n個(gè)碼元的相位常數(shù)。為保證MSK-DSSS信號(hào)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻是連續(xù)的,φn應(yīng)滿足以下約束條件:

由此,可以構(gòu)建出MSK直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的產(chǎn)生框圖,如圖2所示。

圖2 MSK-DSSS信號(hào)的產(chǎn)生

根據(jù)式(5),MSK-DSSS基帶復(fù)包絡(luò)信號(hào)則可表示為

可見,該信號(hào)具有恒定的包絡(luò),這將使其免受系統(tǒng)中諸多非線性器件的影響。

下面,將分別對(duì)MSK-DSSS基帶復(fù)包絡(luò)信號(hào)的頻譜及其模糊函數(shù)性能進(jìn)行分析,以分析各參數(shù)對(duì)該雷達(dá)-通信一體化信號(hào)的影響。

2 頻譜與模糊函數(shù)分析

2.1 頻譜分析

取Nsym為50,L為63,Tc為0.1μs,并令MSK-DSSS與QPSK-DSSS基帶復(fù)包絡(luò)信號(hào)碼元周期相同,二者頻譜對(duì)比如圖3所示。

圖3 MSK-DSSS與QPSK-DSSS信號(hào)頻譜對(duì)比

由圖3可見,MSK-DSSS基帶復(fù)包絡(luò)信號(hào)頻譜寬度直接取決于PN碼的碼元周期,而與其他因素?zé)o關(guān),并且其主瓣更窄,頻譜衰減速率更快,進(jìn)一步驗(yàn)證了MSK-DSSS系統(tǒng)具有更高的頻譜效率。

2.2 模糊函數(shù)分析

(1)模糊函數(shù)

雷達(dá)模糊函數(shù)作為研究不同雷達(dá)波形的主要工具,其直接反映了特定波形的距離和多普勒分辨率。信號(hào)s(t)的雷達(dá)模糊函數(shù)定義為

式中,τ為延時(shí)時(shí)間;fd為多普勒頻移。

將式(7)代入式(9),可得MSK-DSSS信號(hào)模糊函數(shù)為

式中,χg(τ,fd)為矩形脈沖的模糊函數(shù)。通過計(jì)算,可得

(2)距離模糊函數(shù)

在模糊函數(shù)中,令多普勒頻移fd為0,可得其在時(shí)延軸τ上的切面,即距離模糊函數(shù),

式中,χg(τ,fd)為矩形脈沖的模糊函數(shù),如式(11)所示。

(3)速度模糊函數(shù)

與距離模糊函數(shù)的獲得相似,在模糊函數(shù)中,令時(shí)延τ為0,則可得其在多普勒頻率軸fd上的切面,亦即速度模糊函數(shù),

觀察上式可得,MSK-DSSS信號(hào)的速度模糊函數(shù)主要取決于數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度Nsym、擴(kuò)頻因子L以及PN碼碼元周期Tc。

3 仿真分析

3.1 傳送數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)模糊函數(shù)的影響

由式(13)可知,所傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容不會(huì)對(duì)MSK-DSSS信號(hào)的速度模糊函數(shù)產(chǎn)生任何的影響,故在此僅對(duì)該信號(hào)在不同數(shù)據(jù)內(nèi)容下的距離模糊函數(shù)進(jìn)行仿真分析。令Nsym為10,L為127,Tc為0.1μs,圖4給出了不同數(shù)據(jù)內(nèi)容下MSK-DSSS信號(hào)的零多普勒切面。

圖4 不同數(shù)據(jù)內(nèi)容下的零多普勒切面

由圖4可以看出,所傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容幾乎不會(huì)對(duì)MSK-DSSS信號(hào)的模糊函數(shù)產(chǎn)生任何的影響。

3.2 數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度對(duì)模糊函數(shù)的影響

令L為127,Tc為0.1μs,分別對(duì)數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度Nsym為10和50 MSK-DSSS信號(hào)的模糊函數(shù)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

對(duì)圖5和圖6進(jìn)行分析可知,隨著數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度的增加,MSK-DSSS信號(hào)的距離模糊函數(shù)幾乎不受影響,而其速度模糊函數(shù)主瓣變窄,速度分辨率得到進(jìn)一步提升。

3.3 擴(kuò)頻因子對(duì)模糊函數(shù)的影響

令Nsym為10,Tc為0.1μs,分別對(duì)擴(kuò)頻因子L為31和255 MSK-DSSS信號(hào)的模糊函數(shù)進(jìn)行仿真,如圖7和圖8所示。

圖5 數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度Nsym為10的模糊函數(shù)

圖6 數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度Nsym為50的模糊函數(shù)

圖7 擴(kuò)頻因子L為31的模糊函數(shù)

圖8 擴(kuò)頻因子L為255的模糊函數(shù)

可見,隨著擴(kuò)頻因子的增大,MSK-DSSS信號(hào)的距離模糊函數(shù)旁瓣降低,距離分辨率得以提升。同時(shí),其速度模糊函數(shù)的主瓣也變得更窄,速度分辨率也得到進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語

本文基于MSK直接序列擴(kuò)頻技術(shù),對(duì)雷達(dá)-通信一體化信號(hào)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并分別從頻譜以及模糊函數(shù)的角度對(duì)其作了詳細(xì)的分析。該信號(hào)具有恒定的包絡(luò)、較高的頻譜效率、較強(qiáng)的抗干擾和抗衰落能力以及可用于實(shí)現(xiàn)多址通信等優(yōu)點(diǎn)。

由于雷達(dá)-通信一體化工程在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段,故仍有眾多關(guān)鍵問題還需作進(jìn)一步研究,如一體化系統(tǒng)工作方式的設(shè)定,一體通信協(xié)議的制定等。

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