单基地雷达通信一体化波形及系统设计

胡晓琦

(海军装备部驻沈阳地区第一军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

近年来，无线电频谱资源越来越匮乏[1-2]，雷达通信一体化的需求日益增长[3-4]，将多个电子设备集成到单个平台上已经成为未来发展的趋势[5-6]。这样的联合雷达通信一体化系统，能够使用相同的硬件和频谱资源，同时完成目标探测与数据通信功能。

近年来，有多位学者对雷达通信一体化进行了研究，并提出多种一体化方式[7-9]，从不同的域进行一体化，即时间、频率、空间和码域。这些工作都假设对探测目标没有先验信息。文献[10]提出将相位信息调制到已存在的连续波雷达波形(PMCW)上，使雷达波形能够提供额外的通信信息传输功能。文献[11]提出基于正交频分多址(OFDMA)的车载雷达通信一体化波形，提出使用OFDMA部分子载波实现雷达探测功能，剩下的子载波用于嵌入通信数据。文献[12]针对联合雷达通信一体化场景的参数(探测范围、角度、多普勒以及通信等)推导了Cramer-Rao下界(CRLB)。文献[13]利用盲源分离算法实现雷达通信一体化。文献[14]给出了车载场景下的一体化方案。文献[15]给出了一种基于OFDM的一体化方案。

本文提出了单基地雷达通信一体化波形及系统设计方案。使用一体化波形的方式，将通信信息以相位调制的方式嵌入雷达波形。该一体化系统能够对多个目标进行探测的同时实现通信功能，且雷达与通信性能没有受到相互影响。

1 信号和系统模型

首先，对应用场景进行介绍。然后，提出单基地雷达通信一体化波形和系统设计方案。

1.1 战场探测与通信场景

雷达通信一体化战场探测与通信场景示意如图1所示。雷达通信一体化基站能够使用相同的波形，对未知非合作目标进行距离与速度的探测，与此同时对友方合作目标进行数据通信。本文重点关注雷达通信一体化波形设计，同步及相位噪声问题不予考虑。

图1 雷达通信一体化战场探测与通信场景示意Fig.1 Schematic diagram of integrated radar-communication battlefield detection and communication scenario

系统模型采用平面波模型[1]，重点关注探测目标的距离和多普勒频移，以及合作目标的通信符号。假设目标足够远，可以将其建模成点目标。

1.2 发射系统设计

本文提出的雷达通信一体化波形，采用Chirp脉冲体制雷达波形，在此基础之上使用QPSK调制方式，嵌入通信信号。Chirp脉冲雷达波形可表示为：

srad(t)=cos(2πfct+πμt2)，

(1)

式中，fc为载波频率；μ为调频率。将通信信号以相位调制的方式嵌入，嵌入第n个码元的雷达通信一体化波形为：

sn(t)=cos(2πfct+πμt2+φn)，

(2)

式中，φn包含通信信息。QPSK调制方式星座图如图2所示。雷达通信一体化波形产生框图如图3所示。

图2 通信调制星座图Fig.2 Communication modulation constellation

图3 雷达通信一体化波形产生框图Fig.3 Block diagram of radar-communication integrated waveform generation

发射机在相干处理间隔(CPI)中重复发射M次序列，包含发射信号的QPSK调制一体化信号可以表示为：

(3)

式中，tc为符号持续时间；tb=Ltc为发射长度为L的数据序列所需时间，该信号通过天线由雷达通信一体化基站发出。整个发射过程实现框图如图4所示。图中通信比特首先经过交织操作，之后利用QPSK调制嵌入雷达Chirp脉冲信号，产生雷达通信一体化波形。同时也考虑了探测方向存在不希望的目标所产生的杂波影响。

图4 雷达通信一体化基站整个发射过程Fig.4 Transmission process of radar-communication integrated base station

2 雷达通信一体化信号接收处理过程

2.1 接收信号

ej2π(fc-fDq)(t-τq)+z(t)+n(t)，

(4)

式中，n(t)为复高斯白噪声；z(t)为依赖发射信号的干扰模型，定义为[17]：

(5)

2.2 接收处理

首先，提出雷达接收机对回波检测的过程。然后，给出通信符号检测流程。

2.2.1 雷达回波检测

雷达接收处理框图如图5所示。在一个相干处理间隔(CPI)内，对式(3)给出的长度为L的雷达通信一体化数据序列的M个重复帧进行堆叠操作，得到矩阵Y∈CM×L，并对此矩阵进行操作从而得到雷达估计参数。对于距离估计，采用一个匹配滤波器，对M个脉冲序列中的每一个进行匹配滤波。rm(k)为对第m个脉冲序列的匹配结果，于是可以得到目标的延迟(即距离估计)为：

(6)

b=FV∈CM×L，

(7)

式中，b为一个包含M-Q个零元素和Q个非零元素的向量，且非零元素的位置代表了Q个多普勒频移。

图5 雷达接收处理框图Fig.5 Block diagram of radar receiving and processing

2.2.2 通信符号检测

雷达通信一体化基站的接收机，同样能起到对传输数据信息提取的作用。这需要对QPSK调制嵌入的信号进行解调。值得注意的是，矩阵Y的行向量由于对相同的信号重复发射M次，因而包含了相同的通信信号，使得通信接收获得分集增益进而使通信性能得到提升。然而，当存在少许环境杂波干扰时，如果通信链路的信噪比比较低，通信的误码率性能会下降。通信接收框图如图6所示。

图6 通信接收框图Fig.6 Block diagram of communication receiving

3 通信与雷达性能仿真

单基地雷达通信一体化节点在对多个非合作目标探测的同时，与一个合作目标进行通信。仿真参数设置如下：一体化波形载波频率10 GHz，脉冲信号脉冲宽度20 ms，脉冲周期100 ms，Chirp调频带宽22 MHz，通信采用QPSK调制方式嵌入通信符号。

3.1 雷达探测性能

仿真中假设存在3个目标，距离分别为4，4.5，6 km，其相对速度分别为60，150，210 m/s。单基地雷达通信一体化基站的测距与测速结果分别如图7和图8所示。探测的距离-多普勒平面如图9所示。从仿真结果可以看出，所提一体化波形和系统可以轻松地分辨出3个目标。

图7 单基地雷达通信一体化基站测距结果Fig.7 Ranging results of monostatic radar-communicationintegrated base station

图8 单基地雷达通信一体化基站测速结果Fig.8 Speed measurement results of monostatic radar-communication integrated base station

图9 单基地雷达通信一体化距离-多普勒平面图Fig.9 Monostatic radar-communication integrated base station range-Doppler plan

3.2 通信性能

QPSK通信误码率性能曲线图、Chirp-QPSK雷达通信一体化波形的通信误码率曲线图，如图10所示。从仿真结果可以看出，雷达通信一体化波形并没有影响到通信性能。为了更加直观地说明通信过程，图11～图16给出了通信信号从发射到接收整个过程的示意。图11为待发送数据码元。图12为经过Chirp-QPSK调制后的一体化波形时域图。图13为其频域图。图14为经过相干解调后Q路输出信号时域图(未经过低通滤波)。经过低通滤波器后的时域图如图15所示。图16为接收端解调得到的数据码元，与图11发送码元完全相同。

图10 QPSK通信与雷达通信一体化波形的BER性能仿真曲线Fig.10 BER performance simulation curve of QPSK communication and radar-communication integrated waveform

图11 发送数据码元Fig.11 Transmitted data symbols

图12 调制后时域图Fig.12 Time domain waveform after modulation

图13 调制后频域图Fig.13 Frequency domain waveform after modulation

图14 相干解调Q路输出时域图(相干解调前)Fig.14 Coherent demodulation Q-channel output time domain waveform (before coherent demoduation)

图15 相干解调Q路输出时域图(相干解调后)Fig.15 Coherent demodulation Q-channel output time domain waveform (after coherent demoduation)

图16 接收数据码元Fig.16 Received data symbols

4 结束语

本文提出了一个单基地雷达通信一体化波形及系统设计方案，设计了一体化波形发射机，以及接收端雷达回波处理方案和通信解调方案。该系统能够在对多个非合作目标的距离和速度进行探测的同时，与合作目标进行通信。在系统建模过程中，考虑了多目标探测场景与杂波存在的场景。仿真结果表明，该一体化信号能够实现雷达探测功能，与此同时通信性能没有受到影响。