雷達通信一體化信號調制技術綜述

黃高見，歐陽繕，廖可非

(1.河南理工大學 物理與電子信息學院，河南 焦作 454003； 2.桂林信息科技學院，廣西 桂林 541004； 3.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著通信技術與雷達技術的發展，雷達與通信在頻段上重疊的問題日趨嚴重。從頻譜資源的角度看，1 MHz～100 GHz的電磁頻譜是非常珍貴的頻譜資源[1]。其中某些特定頻段，例如5 GHz 以下的頻譜資源稀缺問題由來已久，由此引發的雷達與通信對頻譜資源的競爭一直存在。最早可以追溯至1950年，通信用戶與雷達用戶及業余無線電用戶已經開始對HF頻段(3～30 MHz)展開爭奪。而1970年后，通信界又對UHF頻段(300～1 000 MHz)產生了濃厚的興趣。在1979年，世界無線電行政大會(World Administrative Radio Conference，WARC)宣布對雷達在UHF頻段的首要地位降級，尤其是420～430 MHz與440～450 MHz波段的雷達使用被降級為次要地位，也就是說雷達只能在不干擾主要地位用戶通信的情況下才能使用該波段頻譜。進入2000年，通信界通過國際電信聯盟(International Telecommunication Union，ITU)再一次降級雷達在3.4～3.7 GHz 波段的使用地位并推進4G(Long-Term Evolution，LTE)的發展。雷達分配波段的壓縮使得某些雷達波段變得很狹窄，而部分雷達應用的波段與無線通信使用的波段非常接近就會造成頻譜的擁堵，同時帶外泄露產生的干擾將嚴重影響雷達的應用。例如，英國通信監管機構曾嘗試將2.62～2.69 GHz的頻譜分配到通信中擴展WiFi服務，但該波段與雷達的S波段2.7～3.1 GHz非常接近，而S波段主要用在空管和空中防御雷達系統中。研究表明，2.6 GHz頻段的帶外干擾會顯著影響該波段雷達的性能并降低雷達的最大檢測距離[2]。

發展至今，現有頻譜資源的緊缺直接導致可用頻譜資源價格升高。例如，在2015年英國政府決定調整向移動運營商收取使用電波空間的費用(頻譜費用)從每年6 440萬英鎊增加到每年1.996億英鎊[3]。同年在德國，移動網絡運營商拍賣了4個頻段，價格就超過50億歐元[4]。在2019年，美國聯邦通信委員會更以7.02億美元的價格完成對5G應用中28 GHz頻段頻譜許可證的拍賣[5]。同時，伴隨5G技術的成熟應用，預測基于物聯網技術的接入設備與服務設備在2025年將達到750億[6]，這將進一步加劇可分配頻譜資源的使用壓力。另一方面，現代雷達系統經過幾十年的發展已經應用在社會服務的各個方面，例如交通控制、天氣觀測、國防和安全監視等。一個重要的事實是，這些應用雷達所占頻段主要在10 GHz以下，而在新一代通信技術中，例如5G新型無線電(New Radio，NR)、LTE和WiFi，所分配頻段與雷達所占頻段相同[7]。隨著5G通信應用深度的不斷增加，民用雷達及用于國防安全的軍事雷達遭受的干擾日趨嚴重，這就促使雷達與通信應用、發展的矛盾更加激烈。

針對雷達與通信之間頻譜競爭與電磁干擾問題，目前最有前景的解決方案是雷達與通信一體化(Joint Radar-Communication，RadCom)，該技術利用發射同一頻段的調制信號，同時實現雷達與通信2種功能。早在2000年，P.K.Hughes[8]等首先公開介紹了先進多功能射頻系統(Advanced Multifunction RF System，AMRFS)概念及發展趨勢。AMRFS項目源于1996年美國海軍研究所，旨在解決美國海軍提出的傳統的艦載、機載射頻系統中，通信、電子戰以及雷達系統相互之間產生的電磁干擾問題，主要研究并實現雷達、通信以及其他電子戰裝備集成到單一系統中的構想。G.C.Tavik[9]等利用AMRFS測試臺對集成通信、雷達監控電子戰一體化系統的可行性進行了演示證明。2009年，美國海軍研究所資助對雷達通信功能融合系統的研究。2013年，美國高級研究計劃局資助研究項目“雷達通信頻譜共享”(Shared Spectrum Access for Radar and Communications，SSPARC)，該項目在2015年8月進入到第二階段。最近幾年，針對雷達通信一體化的研究更加深入與多樣化，涵蓋了調制方式的選擇[10-12]、波形優化設計[13-14]以及一體化平臺形式的搭建[15]等。尤其值得關注的是由南方科技大學Fan Liu等[16]發起的傳感通信一體化研究組織“IEEE Comsoc ISAC ETI”，號召世界通信傳感一體化研究人員共同推進一體化標準的定制、信號處理算法及系統實現等工作，極大地促進了雷達通信一體化的技術發展。

雷達通信一體化，除了可以解決雷達與通信之間的頻譜分配及電磁干擾問題，雷達通信一體化對現有雷達也有極為重要的意義。目前，體積大、電路集成度不高、功耗大且過于笨重的雷達已經不能滿足新一代雷達的要求；新一代雷達要求具有體積小、弱干擾、低功耗和集成度高的特點。雷達通信一體化將發射信號合二為一，降低系統復雜度，同時可以消除相互干擾，降低雷達通信雙發射系統功耗，提高系統集成度。從硬件角度分析，隨著數字集成電路技術的發展，雷達在發射、接收及信號處理模塊中與通信相類似，為從硬件層面實現雷達通信一體化提供了可能。

隨著雷達在民用系統中的應用越來越廣泛，其應用需求不僅僅局限于傳統的目標探測，信息交互效率成為雷達傳感網絡必須要考慮的問題。例如，在自動駕駛中，雷達不僅要探測周圍車輛、環境的信息，同時還要滿足與周圍的環境、車輛進行通信。從市場角度分析，融合通信功能的雷達傳感網絡設備可以降低實現信息交互產品成本，相對于功能單一的雷達傳感設備更具有優勢，更受市場歡迎。同時伴隨5G、6G的成熟應用，萬物互聯已經開始落地。在此背景下，雷達通信一體化成為發展的必然趨勢。而調制技術作為雷達通信一體化的關鍵技術也成為研究的熱點。本文將全面梳理關于雷達通信一體化信號調制技術的研究進展，介紹在不同場景下的一體化信號調制技術；針對雷達通信一體化信號設計的關鍵問題給出了相應的信號調制技術方案。

1 一體化信號調制技術研究現狀

1.1 基于Chirp信號的一體化信號設計

雷達通信一體化技術不僅可以實現雷達通信頻譜共享，而且在發射端僅利用一個發射平臺發射相同頻段的調制信號完成雷達與通信功能[17-18]。從雷達信號角度分析，傳統的雷達信號要求波形具有良好的相關特性，從而確保在接收端進行相關信號處理情況下可以取得高動態測量范圍。其中，線性調頻信號(也被稱作“Chirp”信號)在雷達中應用最為廣泛[19]。所以，基于Chirp信號的雷達與通信融合方法首先被研究。M.Roberton等[20]提出將正、負斜率的Chirp信號分別用于實現通信和雷達功能，并設計出基于Chirp信號的雷達與通信一體化發射端，其通信信號與雷達信號的表達式分別為：

(1)

(2)

式中，rect(·)表示矩形函數；Tp為Chirp信號的時間周期；fc為Chirp信號載波頻率；k為Chirp速率。為了避免雷達通信之間相互干擾，其信號在頻域應滿足正交特性，即：

(3)

式中，Si(f)與Sj(f)為Chirp信號i和j的傅里葉變換；(·)*表示Chirp信號的傅里葉變換的共軛運算。在文獻[20]的基礎上，G.N.Saddik等[21]提出了基于超寬帶Chirp信號的雷達與通信功能融合方法。李曉柏等[22-23]提出了正交多載波Chirp信號的雷達通信一體化，并研究了多載波重疊對雷達與通信性能的影響。此外，K.Konno等[24]提出了一種基于連續線性調頻信號(Frequency-Modulated Continuous-Wave，FMCW)的雙工雷達系統，該系統分為雷達與通信2種工作模式，在不同時刻可以進行雷達工作模式與通信工作模式的切換，很明顯，該系統雷達與通信功能不能同時使用。類似的，J.Moghaddasi等[25]提出了一種基于梯形FMCW信號的雷達與通信一體化雙工模式應用平臺。

總體分析，基于Chirp信號的雷達通信功能融合系統易于實現，但考慮通信性能，信息被調制到Chirp信號相位，進而通信速率只依賴于Chirp速率，在相同的帶寬條件下通常比專用通信設備系統低幾個數量級。所以從通信角度來分析不是一個最優的選擇方案。

1.2 基于擴頻調制技術的一體化信號設計

擴頻調制技術采用偽隨機碼，例如M-序列，調制發射信號可以獲得近似最優相關特性[26]。因此，基于單載波擴頻信號的無線通信與雷達測距很早就引起關注。例如K.Mizui等[27-30]將擴頻信號應用到車-車(Vehicle-to-Vehicle，V2V)通信與距離檢測中，以獲得高動態測量范圍。為解決V2V通信與測距中簡單偽隨機碼，例如PN-序列、相關性差引起的測距問題，K.Mizutani等[31]提出了一種EoE-序列并應用到V2V通信與測距中，取得了良好的測距性能。X.Shaojian等[32]提出利用正交信號結合擴頻技術作為雷達通信一體化發射信號，雷達與通信信號分別采用不同的偽隨機碼調制，以保證接收端能夠區分雷達信號與通信信號。

總結基于單載波擴頻調制技術的雷達通信一體化方法，從通信角度分析，應用碼分多址技術實現多用戶通信是可能的，但是擴頻因子會降低數據傳輸速率；從雷達角度分析，長序列的偽隨機碼，例如M-序列，可以獲得較好的性能，但是動態測量距離受限于偽隨機碼的正交性能，同時應用擴頻信號進行目標測速，巨大的計算量成為擴頻調制信號雷達應用的一個主要劣勢。

1.3 基于多載波調制技術的一體化信號設計

多載波調制技術，以正交頻分復用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)信號為代表對無線通信應用中的頻率選擇性衰落以及多徑效應具有很好的魯棒性，進而OFDM調制技術成為LTE技術標準之一，同時也被IEEE 802.11.a/g/n采用成為無線局域網物理層技術標準[33-34]，因此，多載波信號也作為雷達通信一體化信號有競爭力的候選者被廣泛研究。B.J.Donnet等[35]提出了將多子載波步進頻OFDM信號與多輸入多輸出(Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO)雷達技術結合構建雷達通信一體化發射信號，其中數據信息被調制到步進頻的不同子載波上，為了獲得良好的相關特性，每個子載波上的數據符號需要脈沖壓縮編碼處理。本質上，保持了與擴頻信號相同的應用操作原理。D.Garmatyuk等[36]提出并分析了基于超寬帶OFDM信號合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)通信一體化方法的可行性，其中信息符號被直接調制到OFDM子載波。結論表明，基于超寬帶OFDM信號的SAR在理想同步的條件下，可以滿足SAR成像要求，并且實現信息傳輸。值得注意的是，在該方案中通信符號并沒有經過壓縮編碼處理，所以在進行相關信號處理中，出現高峰值旁瓣(Peak Sidelobe Level，PSL)。根據文獻[36]中的方案，D.Garmatyuk等[37]進一步提出了基于軟件定義的超寬帶OFDM信號的SAR雷達通信一體化方法。J.Ellinger等[38-39]提出了將優化編碼的OFDM信號作為雷達通信一體化調制發射信號，OFDM信號經過多頻互補相位編碼(Multifrequency Complementary Phase-Coded，MCPC)，可以提供近似最優的自相關性能，從而提高雷達目標分辨率。總結以上研究，文獻[35-39]提出的基于OFDM信號的雷達通信一體化方案，雷達信號處理均是從時域展開進行時域信號相關處理，該特點要求一體化信號必須提供良好的相關性，從而減少雷達通信一體化信號設計的自由度，同時需要消耗很大的計算資源。為了克服這一問題，C.Sturm等[40-43]提出了一種基于OFDM雷達信號處理的新方法，即調制符號處理算法，其一體化系統框架如圖1所示。

圖1 基于OFDM信號的雷達通信一體系統框架Fig.1 Block diagram of RadCom system architecture based on OFDM signals

調制符號處理是指利用收發同置的OFDM雷達通信一體化平臺特點，接收端獲得的未均衡解碼的符號信息可以根據已知的OFDM調制符號消除，對剝除數據符號后的信號利用離散傅里葉逆變換(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)與離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)獲取雷達目標的距離-相對速度信息。在圖1中，x(t)表示發射的一體化基帶信號，y(t)表示目標反射回波的基帶信號，dTx(μ,η)表示發射端調制符號，dRx(μ,η)表示接收端經過快速傅里葉變換處理(Fast Fourier Transform，FFT)之后的調制符號，x(t)可以表示為：

(4)

式中，rect[(t-μT)/T]表示周期為T的時域矩形窗；μ表示OFDM符號索引號，OFDM符號總數為Nsym；η表示OFDM子載波索引號，取值范圍0～N-1；復數a(μ,η)表示調制在第η子載波上的第μOFDM符號；fη為子載波的基帶頻率，當fη=η/Td時，子載波在頻域正交，其中Td表示一個OFDM符號數據周期。假設目標車輛的距離為R，相對速度引起的多普勒頻偏為fD，信號傳播的衰減因子為A，電磁波在自由空間傳播速度為c0，則y(t)可以表示為：

(5)

考慮目標距離的時延與多普勒效應的影響，接收到的調制符號dRx(μ,η)可以表示為：

dRx(μN+η)=A(μ,η)dTx(μN+η)·

(6)

式中，fD=2vrelf0/c0。由式(6)可以看出，利用分數除法運算，可以移除dRx中包含的調制符號序列，進而可以利用傅里葉運算對得到目標相對速度與距離信息二維成像。M.Braun等[44-45]對文獻[40-43]提出的基于OFDM信號雷達通信一體化方案的應用參數進行了分析設計，并研究了基于IEEE 802.11a標準的OFDM信號的雷達通信一體化方法。2013年，C.Sturm等[46]將文獻[43]中基于OFDM信號的雷達通信一體化方法及雷達信號處理算法推廣到MIMO應用場景中。

總結基于多載波信號的雷達通信一體化方法，從雷達信號處理角度分析，時域相關處理方法對一體化信號相關性的要求限制了信號設計的自由度，而基于調制符號的處理方法從頻域角度出發，該算法完全獨立于傳輸的數據信息，處理過程只涉及到IDFT與DFT運算，在獲取雷達目標距離-相對速度信息的同時可以獲得高的動態測量范圍，因此具有更突出的優勢。

1.4 基于陣列技術的一體化信號設計

陣列技術廣泛使用在雷達與通信應用領域。從雷達角度分析，多天線陣列雷達可以提高空間分辨率、抗干擾能力和目標檢測能力。從通信角度分析，多天線陣列通信技術，例如MIMO，可以利用多徑傳播提高信道容量。所以基于陣列天線結構的雷達通信一體化信號方法也很有吸引力。劉永軍等[47]將MIMO技術與OFDM信號結合，通過每個陣元發射不同子波段OFDM信號構建雷達通信一體化信號。J.Mietzner等[48]將MIMO技術應用到FMCW信號波形發射中提高通信速率，同時引入空時編碼技術保證正、負斜率Chirp信號的正交性。F.Liu等[49]提出2種基于MIMO技術雷達通信一體化陣列設計及信號優化方法。一種是將陣元劃分兩部分，分別對應雷達目標檢測與通信應用，在該設計框架下，雷達信號設計在通信信道的零空間；另外一種則是所有陣元直接發射雷達與通信共用信號，在這種設計框架下雷達目標被當作虛擬的通信用戶，一體化信號設計問題轉化為優化不同用戶功率分配問題。文獻[50-51]研究了對MIMO雷達通信一體化信號波形中最小化通信用戶干擾的優化問題并提出設計準則。其中，文獻[49-51]均假定信道已知或者可以被完美估計。X.Wang等[52]提出利用射頻開關將信息符號嵌入到MIMO可配置的稀疏天線陣元中實現通信與雷達雙功能融合。S.Y.Nusenu等[53]提出基于時間調制的頻率分集MIMO陣列，將經過擴頻碼調制的通信符號嵌入雷達發射脈沖中實現雷達通信一體化功能。J.Euzière等[54]提出利用時間調制陣列(Time-Modulated Array，TMA)形成波束的主瓣實現雷達功能，而通信符號則通過旁瓣傳輸的方案。該方案得益于TMA技術[55]，通過把“時間”的概念引入到陣列設計參數中，從而增加了陣列設計的自由度，所以可以在保持主波束增益不變的情況下優化時間參數得到不同幅度水平的旁瓣，從而實現幅度調制。類似的，A.Hassanien等[56-57]利用MIMO技術結合優化算法實現主瓣雷達、旁瓣通信的一體化概念。V.F.Fusco等[58]提出利用基于均勻圓形陣列合成的方向調制(Directional Modulation，DM)信號實現雷達的追蹤定位。該方案采用收發同置的雷達裝置發射DM信號并接收回波信號計算其誤比特率(Bit Error Rate，BER)，并把BER當作目標方位角指示器，即BER主瓣方向對應目標方位角。同時，在目標端可以解調發射的DM信號。可以發現，DM信號在雷達通信一體化應用中呈現出固有的優勢，因為從通信角度分析，DM信號作為通信調制信號明顯地可以實現信息傳輸，而根據DM信號特點，目標回波信號的BER可以指示空間目標的存在與否，進而可以提供雷達目標追蹤及目標監視功能。該方案為雷達通信一體化信號設計研究提供了新思路。

1.5 其他一體化信號調制技術

應用波形分集技術也存在很多種雷達通信一體化信號調制方法[59-66]。例如，A.Hassanien等[59-60]將位序列映射到相位旋轉字典，通過在相位旋轉字典與正交波形的權重向量之間構建映射關系，進而合成一體化信號；C.Sahin等[61]應用連續相位調制技術將通信符號加載到多相編碼的調頻雷達波形中合成一體化信號；S.D.Blunt等[62-66]提出了一種新穎的雷達通信一體化方式，將通信符號信息嵌入雷達散射信號中，即雷達發射信號經過標簽或應答器“中轉”重新調制發送到空間中不同位置的接收端。該方法可以將信息符號隱藏在雷達雜波與回波中，從而使通信信息很難被截獲。

總體分析，雷達通信一體化設計的關鍵是選擇合適的調制技術設計一體化信號，使其同時可以滿足雷達與通信的應用需求。需要明確的是，雷達通信一體化信號融合方法很多，采用的調制技術也各不相同。由于雷達應用范圍廣泛，不同的潛在應用場景對雷達功能與通信要求可能完全不同。因此，面對不同的潛在應用需求，應選擇適合的雷達通信一體化信號的調制技術。

2 幾種應用場景中的一體化調制技術

2.1 V2V智能駕駛應用

在智能駕駛中，雷達作為確保先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance System，ADAS)可靠運行的關鍵傳感器之一，不僅需要檢測識別物體目標，還需要同其他車輛建立通信鏈路。應用雷達通信一體化傳感器系統探知周圍環境，同周圍車輛/基礎設施之間相互“交流”，可以提供更安全智慧的行車路線并提高交通效率。同時，雷達與通信2種功能也可以互相幫助，例如通信模塊可以利用雷達跟蹤合法用戶并進行身份驗證，同時更新通信鏈接預算；而雷達傳感器在通信功能的幫助下可以構建雷達協作分布式傳感器網絡。例如，英國將在主要道路上推出試用自動駕駛卡車，其中前后2輛卡車之間需要保持通信，同時又要使用雷達技術感知周圍環境[67],其信號傳播過程示例如圖2所示。

在V2V應用中，采用OFDM信號波形作為雷達通信一體化發射信號[41-43]，與其他一體化信號比較。在雷達方面，OFDM信號可以提高距離分辨率；在通信方面，OFDM信號可以提高數據傳輸速率。但OFDM信號具有高峰值平均功率比(PAPR)，造成功率放大器的非線性失真，從而降低了功率放大器及整個系統的效率。針對OFDM信號的高PAPR問題，G.Huang等[68]提出將基于索引調制的OFDM(Index Modulation for OFDM，OFDM-IM)信號作為一體化發射信號，其系統框圖如圖3所示。

圖2 V2V雷達通信一體信號傳播過程示例Fig.2 An example Vehicle-to-Vehicle(V2V) RadCom application scenario

圖3 基于OFDM-IM信號的雷達通信一體系統框架Fig.3 Block diagram of the OFDM-IM RadCom system architecture

與OFDM信號不同，在OFDM-IM信號中僅有一部分子載波被激活，信息不僅調制在激活的子載波，還映射在以符號傳輸速率更新激活的子載波索引號上[69-71]。利用該特點，使用較少的子載波可以降低OFDM信號PAPR，進而可以提高放大器效率；同時索引調制方式增加了信息傳輸維度，選擇合適的OFDM-IM一體化系統參數可以取得比OFDM更高的頻譜效率及更好的BER性能；而在雷達方面，提出采用壓縮傳感技術結合調制符號信號處理算法，解決OFDM-IM一體化信號中未激活子載波在傅里葉變換中造成的PSL惡化問題。其對于V2V應用場景中多個目標距離-相對速度二維雷達像的仿真結果如圖4所示。從圖4可以看出，采用OFDM-IM一體化系統可以對目標距離-相對速度二維成像，并且可以取得與OFDM一體化系統類似的距離分辨率，多普勒分辨率及PSLR水平，如圖5所示。從系統整體分析，文獻[68]提出的基于OFDM-IM信號的雷達通信一體化方法可以有效降低信號PAPR，并在低階調制方式時取得比OFDM信號更高的數據傳輸速率，同時保持了與OFDM雷達通信一體化方法類似的雷達性能。

(a)OFDM-IM

(b)OFDM

(a)距離剖面圖

(b)相對速度剖面圖

2.2 雷達追蹤定位與安全通信應用

在某些軍事活動中，往往需要確保通信信息的安全性。所以，從安全通信角度探索雷達通信一體化信號可能的調制方式就成為非常有實際意義的研究方向。方向調制(DM)技術[72]可以提供物理層的安全通信，在文獻[58]中,Vince等將DM技術應用到雷達追蹤定位中，為雷達通信一體化調制信號設計提供了新思路。DM調制技術的概念示例如圖6所示。

圖6 QPSK DM系統概念示例Fig.6 An example of QPSK DM system concept

從圖6可以看出，在DM信號中，標準QPSK格式的星座點只在預先定義好的空間方向θ0完整地保存下來，而在其他方向星座點格式都被破壞。因此，對于DM信號只能在其預定的空間方向θ0上解調出信息，而在其他方向上雜亂的調制符號格式讓潛在竊聽者很難解讀信息。設置雷達裝置為收發同置，將DM信號作為雷達發射信號應用到目標追蹤定位，其核心思想是將“BER”作為目標存在與否的指示器，這里的BER是指在雷達接收端解調目標反射信號得到的BER[58]，所以DM信號傳播路程是雙向的，如圖7所示。

圖7 DM信號雷達追蹤示意Fig.7 Schematic diagram of radar tracking of DM signals

因為雷達配置方式是收發同置，所以，在接收端發射的DM信號信息是已知的，通過解調雷達目標反射信號并對比已知發射信號信息很容易計算得到BER。

文獻[73]提出利用TMA合成多載波DM信號，利用該DM信號可以進行雷達目標追蹤，雷達目標回波信號BER性能表現如圖8所示。

圖8 雷達目標回波信號BER， θ0 = 45°，SNR = 30 dB， QPSK 調制Fig.8 BER of backscattered radar signal with θ0=45°，SNR= 30 dB，and QPSK modulation is assumed

在雷達發射端發射DM信號。當目標位于DM信號預選方向θ0時，雷達接收端計算得到的BER將會在空間方向θ0附近呈現非常低的BER數值形成BER主瓣，進而目標的方位角可以被確認。當目標位于不同于DM信號預選方位角方向時，此時目標相當于“竊聽者”，其反射回波在雷達接收端解調并計算得到的BER將在所有空間方向保持一個常量，不會出現BER主瓣。相反，對于一般的均勻線陣(Uniform Linear Array，ULA)，由于高旁瓣則無法確認目標。而改變DM信號的預選方向θ0使其在空間掃描，即可進行目標追蹤。目標距離的測量可以通過發射一段合適的符號序列，根據到達時間(Time of Arrival，TOA)測量方法進行估計[58]。

可以發現，DM信號在雷達追蹤與安全通信應用中呈現出固有的優勢，因為DM信號作為通信調制信號明顯可以實現信息傳輸，而根據DM信號特點，目標回波信號的BER可以指示空間目標的存在與否，進而可以提供雷達目標追蹤及目標監視功能，該雷達功能并不需要犧牲通信性能，因此，DM信號在雷達通信一體化信號設計中占有重要地位。

2.3 雷達距離域抗干擾與通信應用

頻率分集陣列(Frequency Diverse Array，FDA)雷達[74]是一種新興的雷達體制，不同于傳統的相控陣僅可以提供方位角相關的輻射圖，FDA通過在每個陣元引入一個數值很小、線性增長的頻偏Δf，從而提供具有距離-角度-時間依賴性的輻射圖[75-78]。其中輻射圖的距離依賴性特點可以壓制距離域的干擾與/或雜波，提供了很多潛在的雷達應用優勢，例如機載FDA雷達抑制距離模糊區域雜波[79]，前視FDA雷達在較強雜波環境中提高信干噪比(Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio，SINR)[80]，認知FDA雷達避免強干擾點[81]及射頻隱身[82]等。此外，FDA還被廣泛應用在合成孔徑雷達(SAR)成像[83-84]。可以發現,FDA在雷達應用中展現出廣闊的前景，但是由于一般FDA輻射圖固有的距離-角度耦合問題導致目標的距離信息并不能直接從目標的回波中獲得。針對FDA輻射圖距離-角度耦合而不能進行雷達目標定位的問題以及FDA雷達與目標通信問題，G.Huang等[85-86]提出將索引調制技術引入到FDA中，同時進行雷達目標定位與目標通信，實現FDA雷達通信一體化。文獻[85]介紹了天線陣元索引調制FDA概念及操作原理，利用索引調制技術，將信息映射到選中的天線陣元索引號并關閉相應陣元的頻偏選擇開關。在傳輸相同位序列的條件下，該方案可以應用不同的頻偏組合形成不同的陣列輻射圖，實現解耦FDA雷達距離-角度信息，同時位序列信息通過選擇的陣元天線索引號傳輸實現通信功能。圖9(a)和(b)描述了傳輸位序列D(選擇不同天線陣元數K值)對應的陣元輻射圖。圖10(a)和(b)展示了利用天線陣元索引調制FDA對不同目標距離-方位角估計仿真結果。

(a)K=1，D=“1101”

(b) K=15，D=“0010”

(a)K=1，K=15

(b)K=2，K=14

不同于文獻[85]，文獻[86]提出將索引調制技術與FDA頻偏索引號結合，在輸入二進制位序列與頻偏索引號之間建立映射關系，并通過射頻開關將選中的頻偏隨機加載到每個陣元。因此，頻偏的選擇被賦予了隨機性。應用選擇的頻偏，FDA可以提供圖釘狀的波束方向圖并解決了傳統FDA中距離-角度耦合問題，同時信息通過選擇的頻偏索引號傳輸實現通信功能。傳輸位序列對應的陣元輻射圖如圖11所示，圖12仿真了頻偏索引調制FDA對目標距離-速度估計。

比較天線陣元索引調制FDA與頻偏FDA兩種FDA一體化方法，可以發現不同的頻偏添加方式直接影響陣列的波束方向圖特性，在一個發射脈沖周期，例如頻偏索引調制FDA，頻偏的隨機性可以為FDA提供圖釘狀波束方向圖，因此，該波束方向圖中不存在距離-角度耦合問題，如圖11所示；在目標定位中可以通過目標回波直接估計出目標的距離-方位角信息。而天線陣元索引調制FDA，在一個脈沖周期，僅可以提供準相控陣或者準FDA的波束方向圖，如圖9(a)和(b)所示；在目標定位中需要使用準相控陣與FDA波束相互配合才能估計目標的距離-角度信息。所以，天線陣元索引調制FDA系統需要發射多次脈沖才能完成雷達目標定位任務。在通信性能表現方面，相比于天線陣元索引調制FDA系統，在相同符號周期條件下，頻偏索引調制FDA系統具有更高的通信速率但伴隨著折中的BER性能。

圖11 歸一化波束方向圖(距離-角度)，傳輸的二進制 序列為“0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0”Fig.11 Normalized beam radiation patterns in range-angle domain with transmitting binary bits“0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0”

圖12 MUSIC功率譜Fig.12 MUSIC power spectrum

3 一體化信號設計主要問題及方法討論

雷達通信一體化信號設計問題，通常要根據一體化應用場景的需求進行考慮。例如，在V2V智能駕駛應用中，直接應用OFDM或OFDM-IM信號作為一體化發射信號，在雷達信號處理方面采用調制符號處理算法獲取目標距離-相對速度二維雷達像，該一體化系統的發射信號設計問題在于如何權衡雷達與通信性能的折中關系。從通信方面分析，為了保證OFDM或OFDM-IM信號的正交性，Δf應當滿足 Δf> 10fD,max[43]，其中，fD,max表示可能的最大多普勒頻偏。考慮通信多徑傳播，由于路徑不同引起的時延差會造成符號間干擾，這要求在設計信號時，要在符號間添加保護間隔，而保護間隔的周期要滿足大于最大時延差τe。設計OFDM或OFDM-IM符號間的循環前綴Tcp，從通信方面考慮，Tcp應滿足Tcp>τe；而從雷達方面考慮是雙路徑傳播，Tcp應該滿足Tcp>2τe，綜合考慮取Tcp>2τe。需要注意的是，設置最大時延差τe小于Tcp/2可以降低通信符號間干擾，但同時限制了雷達的最大檢測距離Rmax。因為，Rmax=τe·c0=Tcp·c0/2，可以看出，雷達最大檢測距離與循環前綴時間周期成正比。另一方面，循環前綴周期太長會降低頻譜效率。所以，雷達的最大檢測距離與頻譜效率之間存在折中問題。在進行雷達信號處理中，通常要求輸入信號有良好的SNR，從這方面考慮，OFDM或OFDM-IM符號周期在設計中應盡可能地長，但這會限制雷達目標不模糊的最大速度vrel,max，因為vrel,max= ±c0/(4Tf0)。

面向不同的應用場景實現雷達通信一體化，其信號設計需要面對的問題可以歸納如下：

(1) 雷達與通信性能最優化。在一體化信號設計中，通信信號和雷達信號均可以直接作為雷達通信一體化發射信號，但在保證通信性能或雷達探測要求的條件下優化提高雷達或通信性能是一個需要研究的問題。

(2) 工作體制。從雷達方面考慮，雷達可以分為連續波雷達和脈沖式雷達，其中連續波雷達常用在目標多普勒測量中，相比之下，脈沖式雷達應用更加普遍。而通信一般采用頻分或時分雙工，其信號波形一般是連續的，很明顯，脈沖式發射方式會降低通信速率。目前，雷達通信一體化工作體制需要根據一體化具體應用要求進行最優化選擇，但從一體化技術的長遠發展來看，需要建立雷達通信一體化新的工作體制標準。

(3) 雷達通信一體化信道模型。雷達信號一般考慮其在自由空間中傳播，而對于通信，不同的場景對應不同的信道模型，例如瑞利衰落信道、萊斯衰落信道等。為促進雷達與通信信道模型進一步融合，對于非統一的應用場景，需要建立一體化系統的標準傳播信道模型。

(4) 多天線一體化信號設計。考慮天線陣列的一體化信號設計問題，針對雷達與通信功能一般需要合成不同的波束。其中，設計在時域或頻域容易分離且不存在相互干擾的雷達與通信信號波束成為需要研究的關鍵問題。

(5) 多址通信。目前現有的雷達通信一體化研究主要集中在實現雷達與通信功能的信號設計，但是，從通信方面考慮，多用戶通信是一體化技術面臨的實際問題，所以需要研究設計在多址通信情況下的雷達通信一體化信號。

(6) 雷達通信一體化接收信號處理。一體化接收信號處理算法的選擇可以決定雷達性能，例如，在V2V智能駕駛應用中采用調制符號處理算法，一定條件下在距離空間可以取得約40 dB的峰值旁瓣比(Peak-Sidelobe-Ratio，PSLR)性能，而采用相關處理方法僅可以取得約13 dB的PSLR。所以，需要利用雷達通信一體化信號特點，研究低復雜度、高性能的一體化信號處理算法。

考慮多波束一體化信號的設計問題，其場景示例如圖13所示，目前有幾種不同的設計方案，例如，通過設計陣列波束輻射圖賦予波束主瓣雷達功能，而旁瓣則用于通信功能的方案[54,56，87]；在通信信道信息矩陣的零空間設計雷達波束信號的方案[88-89]以及直接優化多用戶MIMO(Multi-user MIMO，MU-MIMO)信號的方案[49]等。其中，利用波束主瓣與旁瓣分別實現雷達與通信的方案有3種不同的技術路線;第1種是利用TMA技術在保持主波束增益不變的情況下，控制旁瓣水平實現幅度調制[54];第2種是利用2個加權向量對多天線發送正交波形加權，合成具有相同的主瓣不同旁瓣的輻射圖，利用高低變化的旁瓣實現通信[56];第3種方法是通過優化設計激活部分陣元，進而控制波束主瓣與旁瓣分別實現雷達與通信功能[87]。可以發現，主瓣用作雷達、旁瓣用作通信的波束信號是以雷達為主的一體化設計。不同于以上方法，在通信信道信息矩陣的零空間設計雷達信號則是另外一種思路，其主要目的是消除雷達信號與通信信號之間干擾。而直接優化MU-MIMO信號即是直接將MU-MIMO通信信號用作雷達探測，通過優化一體化波束成形矩陣，在滿足下行通信用戶的SINR約束條件下合成滿足雷達探測要求的波束圖。以上2種多波束一體化信號方案均需要精確地預估通信信道信息。在雷達通信一體化某些特殊敏感的應用場景中，需要考慮通信安全問題，在此條件下，基于DM信號的雷達通信一體化技術將發揮重要作用，但是目前針對DM多波束信號的合成方法還需要進一步地研究，幸運的是，有學者提出基于TMA技術的多載波DM信號合成方法以及利用正交向量方法合成多波束DM信號[73,90]，這里的正交向量法是指通過在合法用戶與竊聽者信道向量的零空間產生正交向量或者干擾從而構建DM信號發射端[72]。這些方案為多波束DM信號的合成提供了研究基礎。

圖13 雷達通信一體化多波束應用示例Fig.13 An example of multi-beam RadCom application scenario

4 結束語

伴隨著通信技術從5G應用到6G的跨越，雷達與通信之間的電磁干擾問題與頻譜競爭問題越來越突出，電磁設備也迫切需要實現高集成、低干擾和小型化的特點。雷達與通信信號和平臺的融合即一體化設計是最具前景的解決方案。在雷達通信一體化的研究中，一體化信號的調制設計成為關鍵問題。考慮復雜的應用情況，對雷達通信一體化信號不同的調制技術進行了梳理分析，面對不同的應用場景，介紹了一體化信號不同的設計方法，同時，指出了一體化信號設計需要面對的問題并討論了多波束一體化信號設計的不同方案，為雷達通信一體化信號面向不同應用場景的設計提供了思路。