基于OFDM的雷达通信一体化信号处理技术研究

张 驰，高跃清

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

基于OFDM的雷达通信一体化信号处理技术研究

张 驰，高跃清

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

在空间和功耗严格受限的平台下，采用基于OFDM的一体化技术来实现功率共享、通信速率高、探测和通信可同时进行的雷达通信系统。对比分析了2种基于OFDM的一体化信号的雷达信号处理方式。对基于OFDM的一体化信号的探测性能进行了仿真论证，重点分析了调制符号对于OFDM信号探测性能的影响。在实现探测功能的前提下，分析了信号的一体化对通信性能的影响。改进的OFDM信号能够实现高速通信和雷达探测功能。

雷达通信一体化；OFDM；雷达信号处理；多普勒敏感性

0 引言

国外针对雷达通信一体化方面的研究起步较早，20世纪末美国海军就对这一方面开展了大量的基础性研究。在众多的研究中，较为突出的是雷声和诺斯罗普格鲁曼两家公司合力展开的有关雷达通信一体化系统的研究，他们试图利用有源相控阵雷达来实现宽带通信链路系统，极大地提高了战机在信息共享和信息传输方面的性能[1-2]。文献[3-4]中美国发布了关于先进多功能射频试验平台的初步技术报告，这标志着多功能电子装备一体化概念转入实施阶段。根据文献[5]中对多功能射频系统的介绍，该系统采用的是分块有源相控阵雷达，仅仅实现了射频前端的一体化集成，进而一体化集成度较低。

为了更好地提升武器装备系统硬件一体化的程度，文献[6-7]中提出了能量共享信号这一概念。所谓能量共享信号是指具备多种信号能力的信号，也就是说通过发射该信号能够同时完成多种电子装备系统的功能。最初这一概念被应用于雷达与干扰一体化的实现，后来被引入到雷达通信一体化领域中来。对于基于信号共享的雷达通信一体化系统，在实现雷达目标探测定位的同时，也要实现数据的有效传输。

基于共享信号的概念，国内外学者就雷达通信共享信号的设计开展了大量的研究。根据设计体制的不同，共享信号可分为如下几类：基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、基于LFM、基于信号分离和基于伪随机序列。文献[8-9]通过利用通信信息对LFM信号进行调制来获得一体化共享信号，虽然不存在通信信号占用雷达发射功率的问题，却存在着传输速率低的缺陷。

OFDM技术最初应用在无线通信领域，Levanon和他的学生率先将OFDM编码结构引入到雷达领域[10]，提出了多载波相位编码的概念。文献[11-12]论述了超宽带OFDM信号的成像能力、通信性能和抗干扰能力，并基于软件无线电原理搭建了样机进行验证，未考虑OFDM信号的多普勒敏感性。R F Tigrek等人对OFDM信号处理进行了研究，对回波信号进行多普勒补偿后采用频域匹配滤波得到距离像，分析了OFDM信号的多普勒模糊问题[13]。文献[14-15]提出了基于调制符号的OFDM信号处理方法，在不存在多普勒频移的情况下，可以解决调制符号的随机性对处理结果产生的影响。

本文比较了频域匹配滤波和基于调制符号处理的关联与区别，分析了调制符号对信号多普勒敏感性的影响，明确了通信信号的随机性对雷达脉冲压缩和多普勒滤波的影响，并对一体化波形所造成的通信性能损失进行了分析。

1 基于OFDM的一体化信号的雷达信号处理

为了增大探测距离，本文采用波形的循环前缀长度远大于通信系统，最长可与符号长度相等。基于OFDM的雷达通信一体化信号形式如图1所示。可以看出，当时间延迟小于循环前缀时长，接收信号为发射信号的循环位移，对其进行FFT、频域匹配滤波后，得到结果仅会产生包含距离信息的相位旋转，不存在ISI。

图1 基于OFDM的雷达通信一体化信号

对于接收到的一体化信号回波，与射频载波进行混频，得到基带信号，对基带信号进行A/D采样、FFT变换，与发射数据进行频域相乘(匹配滤波)或相除(基于调制符号的信号处理)，进行IFFT得到距离像，多普勒滤波得到距离-速度二维像。下面讨论频域相乘(匹配滤波)或相除(基于调制符号的信号处理)的关联与区别。

1.1 匹配滤波处理

由于OFDM信号属于频域调制信号，在频域进行匹配滤波较为方便，只需与发射的数据进行频域相乘，因此从频域分析基于OFDM的一体化波形的雷达处理。其发射信号频谱为：

(1)

(2)

将式中

项变为矩阵形式，向量a为OFDM的调制符号：

DbBa=K。

(3)

式中，B=

Db=diag[b]。

1.2 基于调制符号的处理

基于调制符号的信号处理与匹配滤波类似，区别在于频域乘发射数据的共轭变为与发射数据相除：

(4)

可以用矩阵表示：

DcBa=K。

(5)

1.3 仿真结果

由上述可知，雷达的探测距离为循环前缀的长度，当最大不模糊距离为15 km时，选取C波段，射频载频fc为4GHz，1 024个子载波，可得OFDM符号和循环前缀长度T=Tcp=2R/c=100 μs。速度范围vmax=c/(2fcTofdm)≈187.5 m/s，但由于OFDM信号存在多普勒敏感性，测量范围无法达到vmax，为保证性能，取最大速度为37.5m/s。距离分辨率ΔR=cT/(2Nc)≈15 m。

当发射数据调制方式为64QAM时，目标距离为7 000m，速度20m/s，使用2种处理方式进行脉冲压缩的仿真处理结果如图2所示，可以看出基于符号处理的方法副瓣较低。

(a) 匹配滤波

(b) 基于调制符号处理

2 调制符号对于探测性能的影响

下面以BPSK调制的OFDM信号为例，由于数据仅存在相位调制时，2种处理方式结果相同，因此只分析匹配滤波方法。调制符号对于OFDM信号探测性能的影响主要存在于多普勒敏感性和多普勒滤波两方面。

2.1 调制符号对于多普勒敏感性的影响

一体化信号对于多普勒敏感性的影响主要由两方面引起：① 为实现远距离探测而采用较长的OFDM符号导致子载波间隔减小，即Δf变小，造成系统对多普勒偏移更敏感；② 经过随机通信信号调制后，不同的调制符号所产生的多普勒敏感性有好有坏。

(a) fd=0

(b) fd≠0随机通信信号

(c) fd≠0全1序列

(d) fd≠0 Zadoff-Chu序列

通过仿真结果可以看出，对通信信号的编码可以有效降低匹配滤波的旁瓣，而匹配滤波的旁瓣特性仅与向量K的IFFT结果有关，因此将IFFT结果旁瓣特性较好的向量K所对应的调制符号，作为可应用的通信编码集合，将发射数据映射到此集合，可以有效降低OFDM信号的多普勒敏感性，但会以损失通信速率为代价。

2.2 调制符号随机性对于多普勒滤波结果的影响

多普勒滤波是对符号间进行FFT，既是提取目标速度信息的方法，又能对符号间能量进行积累。由于不同OFDM符号所调制的通信数据不同，因此当fd≠0时，不同OFDM符号匹配滤波结果各不相同，进行符号间FFT所得积累效果较差。然而当fd=0时，如果采用相位调制，则2种处理方式的结果均不会受调制符号的影响，但若采用正交振幅调制，只有基于调制符号的处理方式不受影响。发射随机BPSK通信信号fd=0和fd≠0时，多普勒滤波结果如图4所示，可以看出多普勒维旁瓣升高，积累效果变差。

(a) fd=0

(b) fd≠0图4 信号处理结果

3 基于OFDM的一体化信号的通信性能

由于一体化信号的最大不模糊探测距离与OFDM符号长度直接相关，即Rmax=Tofdm*c。因此，若要实现远距离的探测，符号长度也必然增大。另一方面，对于一般的OFDM通信系统，循环前缀的长度通常不超过整个OFDM符号的1/5，但本文所采用的一体化波形为保证探测距离，循环前缀占整个OFDM符号的一半。以15km的探测距离为例，当调制方式为BPSK时，雷达通信一体化系统的信息传输速率Rb=Nc/100μs。为提高通信速率，需增大子载波数量Nc，系统所占带宽会随Nc的增大而增大，同时系统的峰均功率比也会增加，对发射机的能力提出更高的要求。

此外，由上述内容可知，脉冲压缩得到的时域波形由向量K决定，如果对OFDM信号的多普勒敏感性有要求，可以选择多普勒敏感性较好的编码集作为通信码集，由于摒弃了一部分编码，也会对通信速率有所影响。

虽然较单纯的OFDM通信信号，通信速率有所降低，但相较其他单载波方式的一体化信号，通信速率方面的优势明显[16]。当子载波数量为1 024时，Rb≈5Mbps，而且OFDM信号可以采用64QAM等调制方式进一步提高通信速率。

4 结束语

通过理论分析和仿真验证，证明OFDM信号可以通过增加符号长度和循环前缀长度增大探测距离，但会造成通信速率的损失。当发射信号为相位调制时，频域的匹配滤波与基于调制符号的信号处理结果相同；当发射信号为正交振幅调制时，基于调制符号的信号处理所得结果旁瓣较低。在多普勒滤波结果中，由于发射信号随机性造成的严重积累损失，是通信与雷达信号的固有矛盾，OFDM信号在fd=0时，处理结果不受发射信号随机性影响。进行适当的通信编码和多普勒补偿，是解决OFDM信号多普勒敏感性和积累损失的有效途径。本文讨论的OFDM信号和相应的处理方式有望实现发射功率共享、通信速率高、探测和通信可同时进行的雷达通信一体化，在未来各种以雷达和通信为核心的综合电子系统中取得更高的系统性价比和综合集成效益。

[1] 李朝伟，周希元.雷达通信信号侦察一体化技术[J].舰船电子对抗，2008，32(2)：5-11.

[2] 陈 杨，陈新年，颜振亚，等.一种综合雷达信号侦察预处理方法[J].现代雷达，2016,38(4)：78-81.

[3]TAVIKGC,HILTERBRICKCL,EVINSJB,etal.TheAdvancedMultifunctionRFConcept[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,53(3):1 009-1 020.

[4]MAZUMDERS,DURANDJP,MEYERSL,etal.High-bandDigitalPreprocessor(HBDP)fortheAMRFCTest-bed[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,53(3):1 065-1 071.

[5] 张明友.雷达-电子战-通信一体化概论[M].北京：国防工业出版社，2010.

[6] 徐崔春.雷达与干扰机一体化中信号共享的概念与波形设计[D].成都：电子科技大学，2002.

[7]XUC,CHENT.ConceptionofSignalSharinginIntegratedRadarandJammerSystemandtheIntegratedSignalDesign[C]∥IEEE2002InternationalConferenceonCommunication,CircuitsandSystems,2002:502-505.

[8]XIEYa-nan,TAORan,WANGTeng.MethodofWaveformDesignforRadarandCommunicationIntegratedSystemBasedonCSS[C]∥2011FirstInternationalConferenceonInstrumentation,Measurement,Computer,CommunicationandControl,Beijing,2011:737-739.

[9] CHEN Xing-bo,WANG Xiao-mo,XU Shan-feng,et al.An Noval Radar Waveform Compatible with Communication[C]∥2011 International Conference on Computational Problem-Solving,Chengdu,2011:177-181.

[10] LEVANON N.Multi-frequency Complementary Phase-coded Radar Signal[J].IEE Proceedings Radar Sonar and Navigation,2000,147(6):276-284.

[11] GARMATYUK Dmitriy,SCHUERGER Jonathan.Conceptual Design of a Dual-use Radar Communication System Based on OFDM[C]∥MILCOM 2008,San Diego,CA,2008:1-7.[12] GARMATYUK Dmitriy,SCHUERGER Jonathan,MORTON Y T,et al.Feasibility Study of a Multi-Carrier Dual-Use Imaging Radar and Communication System[C]∥The 4th European Radar Conf.,2007:194-197.

[13] TIGREKR F,DE HEIJ W J A,GENDEREN Van P.Multi-Carrier Radar Waveform Schemes for Range and Doppler Processing[C]∥International Radar Conf.,2009:1-5.

[14] STURM C,PANCERA E,ZWICK T,et al.A Novel Approach to OFDM Radar Processing[C]∥IEEE National Radar Conference-Proceedings,Pasadena,CA,United States,2009:16-19.

[15] STURM C,WIESBECK W.Waveform Design and Signal Processing Aspects for Fusion of Wireless Communications And Radar Sensing[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(7):1 236-1 259.

[16] 易伟明，王 佐，王 晶.基于CP分解的UIMO-OFDM系统接收信号盲检测[J].电讯技术，2015，55(2)：119-123.

张 驰 男，(1992—)，硕士研究生。主要研究方向：雷达通信一体化。

高跃清 男，(1974—)，研究员。主要研究方向：信号与信息处理。

Research on Signal Processing Technique in Radar and Communication Integrated System Based on OFDM

ZHANG Chi,GAO Yue-qing

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

At the platform with limited space and power,the radar communication system can be realized by using the integrated technology based on OFDM,and the system has such characteristics as power sharing,high communication rate as well as synchronized detection and communication.This paper compares and analyzes two radar signal processing modes of integrated signal based OFDM.The detection performance of integrated signal based on OFDM is simulated,and the influence of modulation symbols on radar detection performance is analyzed in depth.Based on implementation of detection function,this paper analyzes the influence of signal integration on communication performance.An improved OFDM signal can implement such functions as high-speed communication and radar detection.

radar and communication integrated system;OFDM;radar signal processing;Doppler sensitivity

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.05

张 驰,高跃清.基于OFDM的雷达通信一体化信号处理技术研究[J].无线电工程,2017,47(3):19-22,57.

2016-12-01

海洋公益性科研专项基金资助项目(201505002)。

TP391.4

A

1003-3106(2017)03-0019-04