單基地雷達通信一體化波形及系統設計

胡曉琦

(海軍裝備部駐沈陽地區第一軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

近年來，無線電頻譜資源越來越匱乏[1-2]，雷達通信一體化的需求日益增長[3-4]，將多個電子設備集成到單個平臺上已經成為未來發展的趨勢[5-6]。這樣的聯合雷達通信一體化系統，能夠使用相同的硬件和頻譜資源，同時完成目標探測與數據通信功能。

近年來，有多位學者對雷達通信一體化進行了研究，并提出多種一體化方式[7-9]，從不同的域進行一體化，即時間、頻率、空間和碼域。這些工作都假設對探測目標沒有先驗信息。文獻[10]提出將相位信息調制到已存在的連續波雷達波形(PMCW)上，使雷達波形能夠提供額外的通信信息傳輸功能。文獻[11]提出基于正交頻分多址(OFDMA)的車載雷達通信一體化波形，提出使用OFDMA部分子載波實現雷達探測功能，剩下的子載波用于嵌入通信數據。文獻[12]針對聯合雷達通信一體化場景的參數(探測范圍、角度、多普勒以及通信等)推導了Cramer-Rao下界(CRLB)。文獻[13]利用盲源分離算法實現雷達通信一體化。文獻[14]給出了車載場景下的一體化方案。文獻[15]給出了一種基于OFDM的一體化方案。

本文提出了單基地雷達通信一體化波形及系統設計方案。使用一體化波形的方式，將通信信息以相位調制的方式嵌入雷達波形。該一體化系統能夠對多個目標進行探測的同時實現通信功能，且雷達與通信性能沒有受到相互影響。

1 信號和系統模型

首先，對應用場景進行介紹。然后，提出單基地雷達通信一體化波形和系統設計方案。

1.1 戰場探測與通信場景

雷達通信一體化戰場探測與通信場景示意如圖1所示。雷達通信一體化基站能夠使用相同的波形，對未知非合作目標進行距離與速度的探測，與此同時對友方合作目標進行數據通信。本文重點關注雷達通信一體化波形設計，同步及相位噪聲問題不予考慮。

圖1 雷達通信一體化戰場探測與通信場景示意Fig.1 Schematic diagram of integrated radar-communication battlefield detection and communication scenario

系統模型采用平面波模型[1]，重點關注探測目標的距離和多普勒頻移，以及合作目標的通信符號。假設目標足夠遠，可以將其建模成點目標。

1.2 發射系統設計

本文提出的雷達通信一體化波形，采用Chirp脈沖體制雷達波形，在此基礎之上使用QPSK調制方式，嵌入通信信號。Chirp脈沖雷達波形可表示為：

srad(t)=cos(2πfct+πμt2)，

(1)

式中，fc為載波頻率；μ為調頻率。將通信信號以相位調制的方式嵌入，嵌入第n個碼元的雷達通信一體化波形為：

sn(t)=cos(2πfct+πμt2+φn)，

(2)

式中，φn包含通信信息。QPSK調制方式星座圖如圖2所示。雷達通信一體化波形產生框圖如圖3所示。

圖2 通信調制星座圖Fig.2 Communication modulation constellation

圖3 雷達通信一體化波形產生框圖Fig.3 Block diagram of radar-communication integrated waveform generation

發射機在相干處理間隔(CPI)中重復發射M次序列，包含發射信號的QPSK調制一體化信號可以表示為：

(3)

式中，tc為符號持續時間；tb=Ltc為發射長度為L的數據序列所需時間，該信號通過天線由雷達通信一體化基站發出。整個發射過程實現框圖如圖4所示。圖中通信比特首先經過交織操作，之后利用QPSK調制嵌入雷達Chirp脈沖信號，產生雷達通信一體化波形。同時也考慮了探測方向存在不希望的目標所產生的雜波影響。

圖4 雷達通信一體化基站整個發射過程Fig.4 Transmission process of radar-communication integrated base station

2 雷達通信一體化信號接收處理過程

2.1 接收信號

ej2π(fc-fDq)(t-τq)+z(t)+n(t)，

(4)

式中，n(t)為復高斯白噪聲；z(t)為依賴發射信號的干擾模型，定義為[17]：

(5)

2.2 接收處理

首先，提出雷達接收機對回波檢測的過程。然后，給出通信符號檢測流程。

2.2.1 雷達回波檢測

雷達接收處理框圖如圖5所示。在一個相干處理間隔(CPI)內，對式(3)給出的長度為L的雷達通信一體化數據序列的M個重復幀進行堆疊操作，得到矩陣Y∈CM×L，并對此矩陣進行操作從而得到雷達估計參數。對于距離估計，采用一個匹配濾波器，對M個脈沖序列中的每一個進行匹配濾波。rm(k)為對第m個脈沖序列的匹配結果，于是可以得到目標的延遲(即距離估計)為：

(6)

b=FV∈CM×L，

(7)

式中，b為一個包含M-Q個零元素和Q個非零元素的向量，且非零元素的位置代表了Q個多普勒頻移。

圖5 雷達接收處理框圖Fig.5 Block diagram of radar receiving and processing

2.2.2 通信符號檢測

雷達通信一體化基站的接收機，同樣能起到對傳輸數據信息提取的作用。這需要對QPSK調制嵌入的信號進行解調。值得注意的是，矩陣Y的行向量由于對相同的信號重復發射M次，因而包含了相同的通信信號，使得通信接收獲得分集增益進而使通信性能得到提升。然而，當存在少許環境雜波干擾時，如果通信鏈路的信噪比比較低，通信的誤碼率性能會下降。通信接收框圖如圖6所示。

圖6 通信接收框圖Fig.6 Block diagram of communication receiving

3 通信與雷達性能仿真

單基地雷達通信一體化節點在對多個非合作目標探測的同時，與一個合作目標進行通信。仿真參數設置如下：一體化波形載波頻率10 GHz，脈沖信號脈沖寬度20 ms，脈沖周期100 ms，Chirp調頻帶寬22 MHz，通信采用QPSK調制方式嵌入通信符號。

3.1 雷達探測性能

仿真中假設存在3個目標，距離分別為4，4.5，6 km，其相對速度分別為60，150，210 m/s。單基地雷達通信一體化基站的測距與測速結果分別如圖7和圖8所示。探測的距離-多普勒平面如圖9所示。從仿真結果可以看出，所提一體化波形和系統可以輕松地分辨出3個目標。

圖7 單基地雷達通信一體化基站測距結果Fig.7 Ranging results of monostatic radar-communicationintegrated base station

圖8 單基地雷達通信一體化基站測速結果Fig.8 Speed measurement results of monostatic radar-communication integrated base station

圖9 單基地雷達通信一體化距離-多普勒平面圖Fig.9 Monostatic radar-communication integrated base station range-Doppler plan

3.2 通信性能

QPSK通信誤碼率性能曲線圖、Chirp-QPSK雷達通信一體化波形的通信誤碼率曲線圖，如圖10所示。從仿真結果可以看出，雷達通信一體化波形并沒有影響到通信性能。為了更加直觀地說明通信過程，圖11～圖16給出了通信信號從發射到接收整個過程的示意。圖11為待發送數據碼元。圖12為經過Chirp-QPSK調制后的一體化波形時域圖。圖13為其頻域圖。圖14為經過相干解調后Q路輸出信號時域圖(未經過低通濾波)。經過低通濾波器后的時域圖如圖15所示。圖16為接收端解調得到的數據碼元，與圖11發送碼元完全相同。

圖10 QPSK通信與雷達通信一體化波形的BER性能仿真曲線Fig.10 BER performance simulation curve of QPSK communication and radar-communication integrated waveform

圖11 發送數據碼元Fig.11 Transmitted data symbols

圖12 調制后時域圖Fig.12 Time domain waveform after modulation

圖13 調制后頻域圖Fig.13 Frequency domain waveform after modulation

圖14 相干解調Q路輸出時域圖(相干解調前)Fig.14 Coherent demodulation Q-channel output time domain waveform (before coherent demoduation)

圖15 相干解調Q路輸出時域圖(相干解調后)Fig.15 Coherent demodulation Q-channel output time domain waveform (after coherent demoduation)

圖16 接收數據碼元Fig.16 Received data symbols

4 結束語

本文提出了一個單基地雷達通信一體化波形及系統設計方案，設計了一體化波形發射機，以及接收端雷達回波處理方案和通信解調方案。該系統能夠在對多個非合作目標的距離和速度進行探測的同時，與合作目標進行通信。在系統建模過程中，考慮了多目標探測場景與雜波存在的場景。仿真結果表明，該一體化信號能夠實現雷達探測功能，與此同時通信性能沒有受到影響。