基于軟擴(kuò)頻的雷達(dá)通信一體化信號(hào)設(shè)計(jì)

冉 潔，司賓強(qiáng)，袁立敏，劉子雄，羅東琦，朱紀(jì)洪

（1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192；2.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，石家莊 050035；3.清華大學(xué)a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系；b.精密儀器系，北京 100084）

0 引言

雷達(dá)無論在軍事還是民用領(lǐng)域中都扮演著不可或缺的角色［1］。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，國外研究機(jī)構(gòu)提出了將探測、通信、指揮、控制等多功能集于一體以提高作戰(zhàn)性能的“寶石柱”［2］和“寶石臺(tái)”［3］計(jì)劃，由于多功能集成于一個(gè)平臺(tái)，造成了電磁兼容性問題，可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有子系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾，雷達(dá)通信一體化能有效解決平臺(tái)電磁干擾問題（見圖1）。

圖1 雷達(dá)通信一體化作戰(zhàn)示意圖

擴(kuò)頻技術(shù)由于其具有良好的保密、抗干擾能力被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)［4］。文獻(xiàn)［5］中基于直接擴(kuò)頻技術(shù)設(shè)計(jì)了探測通信一體化信號(hào)，使用兩個(gè)正交的擴(kuò)頻序列來區(qū)分雷達(dá)和通信信號(hào)，通過采用BPSK調(diào)制方法來降低兩個(gè)信號(hào)之間的干擾，以此來獲得較低的誤碼率，文獻(xiàn)［6］中提出一種基于直接序列超寬帶雷達(dá)與通信一體化系統(tǒng)。通過利用不同的偽隨機(jī)碼（Pseudo-Noise Code，PN）對(duì)雷達(dá)和通信數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻以避免相互干擾。仿真結(jié)果表明，在理想加性高斯白噪聲信道該系統(tǒng)可以很好地工作。該方法是通過信號(hào)處理的方法來降低兩個(gè)信號(hào)之間的干擾，并不符合現(xiàn)代一個(gè)信號(hào)兩個(gè)功能的概念。文獻(xiàn)［7］中采用m序列作為直接擴(kuò)頻序列（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS），二進(jìn)制差分相移鍵控（Binary Differential Phase Shift Keying，2DPSK）為調(diào)制方式設(shè)計(jì)了DSSS-2DPSK雷達(dá)通信一體化波形，該波形具有良好的探測和通信性能。文獻(xiàn)［8-9］中將直接擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于MSK-LFM一體化信號(hào)，實(shí)現(xiàn)能量更加集中和更加穩(wěn)定的波形包絡(luò)的一體化波形。基于直接序列技術(shù)的探測通信一體化波形具有較高的抗干擾性能，但是占用的頻譜資源過多。文獻(xiàn)［10-13］中均采用一種擴(kuò)頻技術(shù)與OFDM技術(shù)設(shè)計(jì)雷達(dá)通信一體化波形，將OFDM的子載波脈沖進(jìn)行擴(kuò)頻。采用OFDM 的方法解決采用直接擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行一體化信號(hào)設(shè)計(jì)，克服了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)頻譜資源占用過大的問題，但是OFDM存在峰均比和對(duì)多普勒頻移特別敏感的問題。

對(duì)于上述問題，本文將軟擴(kuò)頻（Tamed Spread Spectrum，TSS）技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，以雷達(dá)信號(hào)LFM 作為載波經(jīng)BPSK 調(diào)制后形成TSS 雷達(dá)通信一體化信號(hào)。本方案在實(shí)現(xiàn)同樣功能的基礎(chǔ)上減小頻譜資源的利用。并利用Matlab／Simulink 仿真軟擴(kuò)頻雷達(dá)通信一體化的可能性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

雷達(dá)一般工作在電磁干擾復(fù)雜的環(huán)境，通信在此環(huán)境中很難正常工作，如何在保障雷達(dá)正常工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信功能，香農(nóng)在1948 年提出了著名的香農(nóng)定理［14］，即

式中：B為帶寬；C為信道容量；SNR信噪比。可見，信道容量與帶寬成正比，通過大帶寬來換取可靠的信道容量是通信系統(tǒng)中的常見方法。軟擴(kuò)頻技術(shù)由直接擴(kuò)頻和編碼技術(shù)發(fā)展而來，對(duì)于傳統(tǒng)的直接擴(kuò)頻技術(shù)，軟擴(kuò)頻技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、頻譜資源占用更低等優(yōu)點(diǎn)［15］。

基于軟擴(kuò)頻技術(shù)設(shè)計(jì)了雷達(dá)通信一體化信號(hào)，圖2 展示了雷達(dá)通信一體化的原理。

圖2 雷達(dá)通信一體化原理圖

由于RS具有良好的自相關(guān)和抗干擾性能［16］，將RS序列對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行軟擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的信號(hào)采用LFM信號(hào)作為載波信號(hào)經(jīng)過BPSK調(diào)制后形成一體化信號(hào)發(fā)射，對(duì)于通信系統(tǒng)，一體化信號(hào)經(jīng)過加性高斯白噪聲信道后通過解調(diào)、解擴(kuò)后得到發(fā)送信息；對(duì)于雷達(dá)，一體化信號(hào)到達(dá)探測目標(biāo)后的回波信號(hào)經(jīng)匹配濾波后得到探測信息。

基于RS序列及軟擴(kuò)頻技術(shù)的雷達(dá)通信一體化信號(hào)產(chǎn)生步驟如下（見圖3）：

圖3 RS序列產(chǎn)生原理圖

步驟1將數(shù)字通信信號(hào)分為每kbit／組，每組信號(hào)的二進(jìn)制狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)長度為2k的RS序列，用對(duì)應(yīng)的RS序列代表相應(yīng)的kbit 通信信息，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻增益為2k／k的軟擴(kuò)頻信號(hào)。

設(shè)通信數(shù)據(jù)

式中：an為通信數(shù)據(jù)碼元；Tb為碼寬；

為門函數(shù)。對(duì)a（t）進(jìn)行kbit并行處理并對(duì)kbit信息碼求加權(quán)值可得RS序列相應(yīng)的標(biāo)號(hào)

根據(jù)此標(biāo)號(hào)完成編碼空間RS 序列選取，由于軟擴(kuò)頻系統(tǒng)中的擴(kuò)頻碼正交［17］，可得頻譜擴(kuò)展后的基帶信號(hào)

式中：cj（t）為kbit 信息對(duì)應(yīng)的RS 碼；T為RS 序列周期。

步驟2將軟擴(kuò)頻信號(hào)通過BPSK 調(diào)制方式調(diào)制LFM信號(hào)，形成攜帶通信信息的通信探測一體化信號(hào)（見圖4）。

圖4 TSS-BPSK-LFM信號(hào)原理圖

在步驟2 中的雷達(dá)信號(hào)采用線性調(diào)頻信號(hào)，將該LFM信號(hào)作為載波與通信擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行BPSK調(diào)制后形成一體化信號(hào)。設(shè)線性調(diào)頻信號(hào)

式中：

為矩形函數(shù)；Ts為脈沖持續(xù)時(shí)間；K為線性調(diào)頻率。

綜合式（4）、（5）得到TSS-BPSK-LFM一體化信號(hào)

2 仿真系統(tǒng)搭建

為驗(yàn)證TSS-BPSK-LFM 一體化信號(hào)的性能，利用Simulink搭建RS序列軟擴(kuò)頻通信探測一體化系統(tǒng)仿真模型，如圖5 所示。圖中信源部分采用伯努利二進(jìn)制發(fā)生器產(chǎn)生通信數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)經(jīng)過RS 編碼經(jīng)軟擴(kuò)頻處理后得到擴(kuò)頻信號(hào)。雷達(dá)信號(hào)采用LFM信號(hào)，同LFM信號(hào)掃頻周期保持一致。LFM信號(hào)由chirp模塊產(chǎn)生。通過BPSK 調(diào)制將通信信息調(diào)制到LFM 波形，形成攜帶通信信息的雷達(dá)波形，該波形經(jīng)過AWGN信道后到達(dá)目標(biāo)，對(duì)于通信，該波形被接收后經(jīng)過濾波、解調(diào)、解擴(kuò)等步驟得到通信信息；對(duì)于雷達(dá)，通過匹配濾波處理該波形在到達(dá)目標(biāo)后產(chǎn)生的回波可以得到探測目標(biāo)的距離信息。

圖5 TSS-BPSK-LFM一體化系統(tǒng)仿真模型

3 仿真結(jié)果及分析

本方法設(shè)計(jì)的TSS-BPSK-LFM一體化信號(hào)時(shí)域波形及發(fā)送的數(shù)據(jù)波形如圖6 所示。圖6（a）為TSSBPSK-LFM一體化波形，圖6（b）為發(fā)射的通信二進(jìn)制數(shù)。可見，TSS-BPSK-LFM 是LFM 信號(hào)被通信數(shù)據(jù)通過BPSK所調(diào)制而成。

圖6 TSS-BPSK-LFM波形及發(fā)送的數(shù)據(jù)圖

圖7 所示為仿真得出的TSS-BPSK-LFM一體化信號(hào)的模糊函數(shù)。由圖7 可見，該信號(hào)呈圖釘型，表明該信號(hào)的主瓣能量比較集中，具有較好的性能。

圖7 TSS-BPSK-LFM模糊函數(shù)圖

由圖8 可見，回波信號(hào)被噪聲所淹沒，肉眼無法辨別出有用的回波信號(hào)，為能準(zhǔn)確提取有用信號(hào)，采用匹配濾波對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。

圖8 回波信號(hào)圖

圖9 為回波信號(hào)經(jīng)匹配濾波后的結(jié)果圖，在4 km處出現(xiàn)最大峰值，說明在該時(shí)刻，TSS-BPSK-LFM 波形成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，探測目標(biāo)的距離為4 km。

圖9 匹配濾波結(jié)果

由圖10 可見，在同樣的信噪比環(huán)境、帶寬和擴(kuò)頻增益的情況下，TSS-BPSK-LFM 信號(hào)的通信誤碼率低于DSSS-BPSK-LFM 信號(hào)，在誤碼率為10-3條件下，TSS-BPSK-LFM 信號(hào)比DSSS-BPSK-LFM 信號(hào)的提高了約2 dB。

圖10 TSS-BPSK-LFM和DSSS-BPSK-LFM信號(hào)的誤碼率

4 結(jié)語

針對(duì)低信噪比環(huán)境下雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)的通信能力較差的問題設(shè)計(jì)了TSS-BPSK-LFM信號(hào)。將雷達(dá)信號(hào)作為載波信號(hào)，擴(kuò)頻后的通信信號(hào)通過BPSK 的方式調(diào)制載波信號(hào)，形成具有通信和探測功能的一體化信號(hào)。利用Matlab／Simulink 平臺(tái)對(duì)TSS-BPSK-LFM信號(hào)的性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，TSS-BPSKLFM信號(hào)在保證探測性能的同時(shí)，相比于DSSS-BPSKLFM信號(hào)而言具有更強(qiáng)的抗干擾能力。