雷达通信一体化波形应用研究

袁 刚

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

随着电子信息技术的不断发展，雷达的内涵和功能将更加丰富，雷达不再是单一的功能设备，而是一种综合化、系统化、智能化的设备，雷达将朝着网络化、体系化方向发展，以满足一体化、层次化、全空域的协同探测需求。利用通信技术实现信息交互，是保证雷达多功能协同探测的基础手段，雷达通信一体化应用研究也开展得越来越广泛。特别是随着有源相控阵体制雷达的广泛应用，其灵活的波束调度以及多波束性能，进一步催生了雷达通信一体化应用研究［1-2］。美国在APG-77有源相控阵雷达上开展了宽频带通信能力验证，在 AMRFC［3］、MIFRS、SMRF 等多功能射频系统中也开展了雷达通信综合一体化的研究。

1 雷达通信一体化面临的主要问题

雷达主要完成非合作目标的检测，而通信则主要是实现合作目标的信息传递，二者的应用背景差异较大，对调制波形的需求也不尽相同。虽然各种低截获波形，包括多输入多输出(MIMO)雷达的研究日益广泛，但单一信道的线性调频、非线性调频、相位编码等仍是常规雷达的主要应用波形，其中，相位编码信号由于对多普勒较敏感，应用受到了一定限制。

雷达通信一体化面临的首要问题是时间资源限制，二者分时工作将极大限制雷达和通信的效能;其次是非线性功放限制，频分多载波、正交频分复用(OFDM)等非恒包络形式的信号均无法使用;第三是时序同步问题，分布式雷达和通信传输均存在节点间时间同步的问题。其他还有短脉冲猝发、时变信道等也对通信信息处理提出了更高要求。

针对雷达通信一体化应用，相关学者也提出了多种调制波形［4-5］，特别是恒包络 OFDM(CE-OFDM)调制波形具有很好的频谱效率，可以实现非线性功放条件下雷达与通信一体化信息处理，但其对多普勒较敏感，且对正交性有较高要求，处理方式较为复杂。本文利用较常用的通信调制方式，结合常规雷达实际采用的波形，提出了两种较为简便的雷达通信一体化应用波形，分别为副载波调制和非均衡四相键控(UQPSK)调制波形。

2 副载波波形应用

副载波波形是卫星遥测遥控领域一种比较常用的调制波形，其副载波调制通常为相位编码调制(PSK)，用来实现多路信息的复用，载波调制为调相/调频。实际上，无源雷达所使用的调频立体声广播信号也存在副载波调制［6］。

副载波信号通常可以表示为

显然，该信号为恒包络信号，事实上CE-OFDM也是将OFDM信号进行调相后得到恒包络信号［7］，可以满足雷达信号非线性饱和放大的需要以及通过副载波信号在频率维的区分实现雷达信号与通信信号的同时传递。

需要注意的是调制指数β和副载波中心频率ωi的选择。副载波中心频率主要与副载波带宽相关，要尽量避免副载波信号频谱之间的干扰。调制指数则直接影响载波、副载波信号的功率分配以及信号带宽，当只有一路副载波且为单频信号时，主载波与副载波功率比由调制指数为因变量的贝塞尔函数Jn(β)决定，且频谱分量也会随着调制指数的增加而变得更加丰富。

当雷达与通信共用时，由于雷达辐射信号比常规通信信号强得多，如:SPY雷达，其峰值功率孔径积超过80 dBW，再考虑雷达是双程路径衰减，而通信为单程路径衰减。因此，将副载波信号进行适当变化，主载波采用线性调频信号，副载波采用相位编码调制，其表达式如下

由于通信信息事先无法预知，按最极限情况考虑，发射脉宽内码片信息完全相同，即与时间无关，且gn(t)为非归零方波，则x(t)可以简化为

从式(8)中可以看出，在时间延迟轴切面将可能出现多峰现象，周期与副载波频率相关，影响程度直接与调制指数相关。在多普勒轴切面虽没有多峰现象，但受2βsin(πf1τ)的影响而产生畸变，调制指数越小，影响越小，如图1所示。

图1 恒值码元模糊函数仿真图

多值和波形的畸变将导致近距离目标的分辨能力下降，但通常情况下副载波通信信号码元为0、1等概率出现，其对模糊函数的影响将进一步减小，从图2可以看出，当码元等概率出现，调制指数为0.2时，影响基本可以忽略。

副载波调制指数可以根据雷达探测及通信传输的要求进行优化选择。以海面舰艇C波段雷达视距内数据传输为例，若传输信息速率为40 Mb/s，QPSK调制，雷达主瓣辐射功率80 dBW，旁瓣增益比主瓣小40 dB，则40 km的传输路径，接收方收到的信号功率约为-60 dBW，即使接收方品质因数(G/T)仅为30 dB，接收机收到的旁瓣载波与噪声功率密度之比(C/n0)约为158 dBHz，而考虑解调等损失，数据传输其所需C/n0大约为90 dBHz，还有近70 dB的余量，因此，副载波调制指数可以相当低。

图2 随机码元模糊函数仿真图

当副载波调制指数为0.2，即副载波功率比主载波功率低约20 dB，线性调频带宽5 MHz，副载波带宽16 MHz时，信号频谱如图3所示。

图3 副载波调制频谱

该信号经过非线性功放，功放模型采用经典的Salehs模型，并加入噪声，通过图4可以看出，除了因为副载波调制导致峰值下降约0.2 dB及副瓣略有变化外，脉压波形与理想脉压相比几乎没有失真。

图4 副载波调制脉压信号波形

调制指数较低的副载波信号可以满足雷达通信一体化应用，对雷达信号处理影响很小。而对于通信信号的处理，可以利用主载波信号脉内或脉间信息实现载波同步，也可以通过滤波等处理提取副载波信号，再利用传统的数字解调实现通信信号处理。但是副载波调制信号频谱效率较低，若要实现高速率信号远距离传输，则需提高信号带宽，增加调制指数，不仅会对雷达探测能力带来影响，且较低的频谱效率也将对波束合成、信号处理等带来影响。

在某些场合下可以通过构建彼此正交的雷达和通信信号实现复用波形，提高频谱利用率，UQPSK正是一种正交的调制信号。

3 UQPSK波形应用

UQPSK是在QPSK基础上发展而来，在跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)、全球定位系统(GPS)中得到广泛应用。其两正交支路是由两支不同的、独立的数据流以不同的速率、不同的功率，甚至不同的码型与两路相正交的载波分别进行调制的结果，表示为

显然，该信号为恒包络信号。对于雷达通信一体化波形而言，一个支路采用自相关性能较好的巴克码等二元伪随机序列构建相位编码的雷达信号，另一个支路则为二相键控的通信信号。根据实际应用，合理选择两个支路的不平衡度，实现雷达通信同时工作。此时，整个信号带宽则由带宽较宽的那个支路决定。如图5所示，Q支路是I支路带宽的8倍，合成后信号带宽由Q支路带宽决定。

图5 UQPSK支路及合成信号频谱

与副载波信号分析相似，对UQPSK模糊函数和脉压波形进行了仿真分析，具体结果如图6、图7所示。其中，雷达支路采用31位的L序列，通信支路码元脉宽是雷达支路的1/4，雷达信号支路的功率比与其正交的通信支路约大14 dB。

图6 UQPSK模糊函数仿真图

图7 UQPSK脉压信号波形

模糊函数结果和脉压处理结果除了因通信支路分配了一定能量导致峰值下降外，其余特性基本没有影响，脉压仿真中加入了高斯噪声。

通过对UQPSK信号进行载波提取［8-9］，从而完成通信信息的处理，即使不平衡度达到10 dB，也可以较好地实现载波的同步。

而雷达回波信号信噪比较低，通常无法同通信信号那样进行载波提取，经过传输信道的恶化，正交鉴相后I通道、Q通道支路会出现码间干扰，可以简化为

式中:φt为相位误差;ak为二元伪随机序列;bl为通信信息码元。

脉压处理时，显而易见，通信信息会对结果产生影响，但是由于通信支路功率远小于雷达支路，且雷达支路存在脉压得益，因此对结果影响不大。为了进一步减少通信信息的影响，可以构建正交的波形，即对通信信息进行扩频处理［10］，扩频码与雷达的二元伪随机序列正交，雷达脉压处理时，就基本可以消除正交支路的影响，但同时也降低了通信信息传输的能力。

4 结束语

本文所涉及的两种波形可以满足非线性功放的传输需要，并可以根据其波形特点应用于不同的环境。副载波波形主信号采用线性/非线性调频，对多普勒不敏感，雷达处理相对比较简单，但频谱的效率却比较低。UQPSK信号虽然提高了频谱效率，但存在码间串扰，并且由于使用二元伪随机序列，波形对多普勒较敏感。

雷达通信一体化波形在实际应用中，还会存在许多使用问题，本文并未过多分析通信信号的处理，实际上由于雷达短时猝发以及传输环境的非线性，都会对通信信号的速率、编码、帧格式、波形等带来影响，这也是未来共用波形需重点考虑的问题。

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