雷达通信一体化信号调制技术综述

黄高见，欧阳缮，廖可非

(1.河南理工大学 物理与电子信息学院，河南 焦作 454003； 2.桂林信息科技学院，广西 桂林 541004； 3.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

0 引言

随着通信技术与雷达技术的发展，雷达与通信在频段上重叠的问题日趋严重。从频谱资源的角度看，1 MHz～100 GHz的电磁频谱是非常珍贵的频谱资源[1]。其中某些特定频段，例如5 GHz 以下的频谱资源稀缺问题由来已久，由此引发的雷达与通信对频谱资源的竞争一直存在。最早可以追溯至1950年，通信用户与雷达用户及业余无线电用户已经开始对HF频段(3～30 MHz)展开争夺。而1970年后，通信界又对UHF频段(300～1 000 MHz)产生了浓厚的兴趣。在1979年，世界无线电行政大会(World Administrative Radio Conference，WARC)宣布对雷达在UHF频段的首要地位降级，尤其是420～430 MHz与440～450 MHz波段的雷达使用被降级为次要地位，也就是说雷达只能在不干扰主要地位用户通信的情况下才能使用该波段频谱。进入2000年，通信界通过国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)再一次降级雷达在3.4～3.7 GHz 波段的使用地位并推进4G(Long-Term Evolution，LTE)的发展。雷达分配波段的压缩使得某些雷达波段变得很狭窄，而部分雷达应用的波段与无线通信使用的波段非常接近就会造成频谱的拥堵，同时带外泄露产生的干扰将严重影响雷达的应用。例如，英国通信监管机构曾尝试将2.62～2.69 GHz的频谱分配到通信中扩展WiFi服务，但该波段与雷达的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达系统中。研究表明，2.6 GHz频段的带外干扰会显著影响该波段雷达的性能并降低雷达的最大检测距离[2]。

发展至今，现有频谱资源的紧缺直接导致可用频谱资源价格升高。例如，在2015年英国政府决定调整向移动运营商收取使用电波空间的费用(频谱费用)从每年6 440万英镑增加到每年1.996亿英镑[3]。同年在德国，移动网络运营商拍卖了4个频段，价格就超过50亿欧元[4]。在2019年，美国联邦通信委员会更以7.02亿美元的价格完成对5G应用中28 GHz频段频谱许可证的拍卖[5]。同时，伴随5G技术的成熟应用，预测基于物联网技术的接入设备与服务设备在2025年将达到750亿[6]，这将进一步加剧可分配频谱资源的使用压力。另一方面，现代雷达系统经过几十年的发展已经应用在社会服务的各个方面，例如交通控制、天气观测、国防和安全监视等。一个重要的事实是，这些应用雷达所占频段主要在10 GHz以下，而在新一代通信技术中，例如5G新型无线电(New Radio，NR)、LTE和WiFi，所分配频段与雷达所占频段相同[7]。随着5G通信应用深度的不断增加，民用雷达及用于国防安全的军事雷达遭受的干扰日趋严重，这就促使雷达与通信应用、发展的矛盾更加激烈。

针对雷达与通信之间频谱竞争与电磁干扰问题，目前最有前景的解决方案是雷达与通信一体化(Joint Radar-Communication，RadCom)，该技术利用发射同一频段的调制信号，同时实现雷达与通信2种功能。早在2000年，P.K.Hughes[8]等首先公开介绍了先进多功能射频系统(Advanced Multifunction RF System，AMRFS)概念及发展趋势。AMRFS项目源于1996年美国海军研究所，旨在解决美国海军提出的传统的舰载、机载射频系统中，通信、电子战以及雷达系统相互之间产生的电磁干扰问题，主要研究并实现雷达、通信以及其他电子战装备集成到单一系统中的构想。G.C.Tavik[9]等利用AMRFS测试台对集成通信、雷达监控电子战一体化系统的可行性进行了演示证明。2009年，美国海军研究所资助对雷达通信功能融合系统的研究。2013年，美国高级研究计划局资助研究项目“雷达通信频谱共享”(Shared Spectrum Access for Radar and Communications，SSPARC)，该项目在2015年8月进入到第二阶段。最近几年，针对雷达通信一体化的研究更加深入与多样化，涵盖了调制方式的选择[10-12]、波形优化设计[13-14]以及一体化平台形式的搭建[15]等。尤其值得关注的是由南方科技大学Fan Liu等[16]发起的传感通信一体化研究组织“IEEE Comsoc ISAC ETI”，号召世界通信传感一体化研究人员共同推进一体化标准的定制、信号处理算法及系统实现等工作，极大地促进了雷达通信一体化的技术发展。

雷达通信一体化，除了可以解决雷达与通信之间的频谱分配及电磁干扰问题，雷达通信一体化对现有雷达也有极为重要的意义。目前，体积大、电路集成度不高、功耗大且过于笨重的雷达已经不能满足新一代雷达的要求；新一代雷达要求具有体积小、弱干扰、低功耗和集成度高的特点。雷达通信一体化将发射信号合二为一，降低系统复杂度，同时可以消除相互干扰，降低雷达通信双发射系统功耗，提高系统集成度。从硬件角度分析，随着数字集成电路技术的发展，雷达在发射、接收及信号处理模块中与通信相类似，为从硬件层面实现雷达通信一体化提供了可能。

随着雷达在民用系统中的应用越来越广泛，其应用需求不仅仅局限于传统的目标探测，信息交互效率成为雷达传感网络必须要考虑的问题。例如，在自动驾驶中，雷达不仅要探测周围车辆、环境的信息，同时还要满足与周围的环境、车辆进行通信。从市场角度分析，融合通信功能的雷达传感网络设备可以降低实现信息交互产品成本，相对于功能单一的雷达传感设备更具有优势，更受市场欢迎。同时伴随5G、6G的成熟应用，万物互联已经开始落地。在此背景下，雷达通信一体化成为发展的必然趋势。而调制技术作为雷达通信一体化的关键技术也成为研究的热点。本文将全面梳理关于雷达通信一体化信号调制技术的研究进展，介绍在不同场景下的一体化信号调制技术；针对雷达通信一体化信号设计的关键问题给出了相应的信号调制技术方案。

1 一体化信号调制技术研究现状

1.1 基于Chirp信号的一体化信号设计

雷达通信一体化技术不仅可以实现雷达通信频谱共享，而且在发射端仅利用一个发射平台发射相同频段的调制信号完成雷达与通信功能[17-18]。从雷达信号角度分析，传统的雷达信号要求波形具有良好的相关特性，从而确保在接收端进行相关信号处理情况下可以取得高动态测量范围。其中，线性调频信号(也被称作“Chirp”信号)在雷达中应用最为广泛[19]。所以，基于Chirp信号的雷达与通信融合方法首先被研究。M.Roberton等[20]提出将正、负斜率的Chirp信号分别用于实现通信和雷达功能，并设计出基于Chirp信号的雷达与通信一体化发射端，其通信信号与雷达信号的表达式分别为：

(1)

(2)

式中，rect(·)表示矩形函数；Tp为Chirp信号的时间周期；fc为Chirp信号载波频率；k为Chirp速率。为了避免雷达通信之间相互干扰，其信号在频域应满足正交特性，即：

(3)

式中，Si(f)与Sj(f)为Chirp信号i和j的傅里叶变换；(·)*表示Chirp信号的傅里叶变换的共轭运算。在文献[20]的基础上，G.N.Saddik等[21]提出了基于超宽带Chirp信号的雷达与通信功能融合方法。李晓柏等[22-23]提出了正交多载波Chirp信号的雷达通信一体化，并研究了多载波重叠对雷达与通信性能的影响。此外，K.Konno等[24]提出了一种基于连续线性调频信号(Frequency-Modulated Continuous-Wave，FMCW)的双工雷达系统，该系统分为雷达与通信2种工作模式，在不同时刻可以进行雷达工作模式与通信工作模式的切换，很明显，该系统雷达与通信功能不能同时使用。类似的，J.Moghaddasi等[25]提出了一种基于梯形FMCW信号的雷达与通信一体化双工模式应用平台。

总体分析，基于Chirp信号的雷达通信功能融合系统易于实现，但考虑通信性能，信息被调制到Chirp信号相位，进而通信速率只依赖于Chirp速率，在相同的带宽条件下通常比专用通信设备系统低几个数量级。所以从通信角度来分析不是一个最优的选择方案。

1.2 基于扩频调制技术的一体化信号设计

扩频调制技术采用伪随机码，例如M-序列，调制发射信号可以获得近似最优相关特性[26]。因此，基于单载波扩频信号的无线通信与雷达测距很早就引起关注。例如K.Mizui等[27-30]将扩频信号应用到车-车(Vehicle-to-Vehicle，V2V)通信与距离检测中，以获得高动态测量范围。为解决V2V通信与测距中简单伪随机码，例如PN-序列、相关性差引起的测距问题，K.Mizutani等[31]提出了一种EoE-序列并应用到V2V通信与测距中，取得了良好的测距性能。X.Shaojian等[32]提出利用正交信号结合扩频技术作为雷达通信一体化发射信号，雷达与通信信号分别采用不同的伪随机码调制，以保证接收端能够区分雷达信号与通信信号。

总结基于单载波扩频调制技术的雷达通信一体化方法，从通信角度分析，应用码分多址技术实现多用户通信是可能的，但是扩频因子会降低数据传输速率；从雷达角度分析，长序列的伪随机码，例如M-序列，可以获得较好的性能，但是动态测量距离受限于伪随机码的正交性能，同时应用扩频信号进行目标测速，巨大的计算量成为扩频调制信号雷达应用的一个主要劣势。

1.3 基于多载波调制技术的一体化信号设计

多载波调制技术，以正交频分复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)信号为代表对无线通信应用中的频率选择性衰落以及多径效应具有很好的鲁棒性，进而OFDM调制技术成为LTE技术标准之一，同时也被IEEE 802.11.a/g/n采用成为无线局域网物理层技术标准[33-34]，因此，多载波信号也作为雷达通信一体化信号有竞争力的候选者被广泛研究。B.J.Donnet等[35]提出了将多子载波步进频OFDM信号与多输入多输出(Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO)雷达技术结合构建雷达通信一体化发射信号，其中数据信息被调制到步进频的不同子载波上，为了获得良好的相关特性，每个子载波上的数据符号需要脉冲压缩编码处理。本质上，保持了与扩频信号相同的应用操作原理。D.Garmatyuk等[36]提出并分析了基于超宽带OFDM信号合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)通信一体化方法的可行性，其中信息符号被直接调制到OFDM子载波。结论表明，基于超宽带OFDM信号的SAR在理想同步的条件下，可以满足SAR成像要求，并且实现信息传输。值得注意的是，在该方案中通信符号并没有经过压缩编码处理，所以在进行相关信号处理中，出现高峰值旁瓣(Peak Sidelobe Level，PSL)。根据文献[36]中的方案，D.Garmatyuk等[37]进一步提出了基于软件定义的超宽带OFDM信号的SAR雷达通信一体化方法。J.Ellinger等[38-39]提出了将优化编码的OFDM信号作为雷达通信一体化调制发射信号，OFDM信号经过多频互补相位编码(Multifrequency Complementary Phase-Coded，MCPC)，可以提供近似最优的自相关性能，从而提高雷达目标分辨率。总结以上研究，文献[35-39]提出的基于OFDM信号的雷达通信一体化方案，雷达信号处理均是从时域展开进行时域信号相关处理，该特点要求一体化信号必须提供良好的相关性，从而减少雷达通信一体化信号设计的自由度，同时需要消耗很大的计算资源。为了克服这一问题，C.Sturm等[40-43]提出了一种基于OFDM雷达信号处理的新方法，即调制符号处理算法，其一体化系统框架如图1所示。

图1 基于OFDM信号的雷达通信一体系统框架Fig.1 Block diagram of RadCom system architecture based on OFDM signals

调制符号处理是指利用收发同置的OFDM雷达通信一体化平台特点，接收端获得的未均衡解码的符号信息可以根据已知的OFDM调制符号消除，对剥除数据符号后的信号利用离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)与离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)获取雷达目标的距离-相对速度信息。在图1中，x(t)表示发射的一体化基带信号，y(t)表示目标反射回波的基带信号，dTx(μ,η)表示发射端调制符号，dRx(μ,η)表示接收端经过快速傅里叶变换处理(Fast Fourier Transform，FFT)之后的调制符号，x(t)可以表示为：

(4)

式中，rect[(t-μT)/T]表示周期为T的时域矩形窗；μ表示OFDM符号索引号，OFDM符号总数为Nsym；η表示OFDM子载波索引号，取值范围0～N-1；复数a(μ,η)表示调制在第η子载波上的第μOFDM符号；fη为子载波的基带频率，当fη=η/Td时，子载波在频域正交，其中Td表示一个OFDM符号数据周期。假设目标车辆的距离为R，相对速度引起的多普勒频偏为fD，信号传播的衰减因子为A，电磁波在自由空间传播速度为c0，则y(t)可以表示为：

(5)

考虑目标距离的时延与多普勒效应的影响，接收到的调制符号dRx(μ,η)可以表示为：

dRx(μN+η)=A(μ,η)dTx(μN+η)·

(6)

式中，fD=2vrelf0/c0。由式(6)可以看出，利用分数除法运算，可以移除dRx中包含的调制符号序列，进而可以利用傅里叶运算对得到目标相对速度与距离信息二维成像。M.Braun等[44-45]对文献[40-43]提出的基于OFDM信号雷达通信一体化方案的应用参数进行了分析设计，并研究了基于IEEE 802.11a标准的OFDM信号的雷达通信一体化方法。2013年，C.Sturm等[46]将文献[43]中基于OFDM信号的雷达通信一体化方法及雷达信号处理算法推广到MIMO应用场景中。

总结基于多载波信号的雷达通信一体化方法，从雷达信号处理角度分析，时域相关处理方法对一体化信号相关性的要求限制了信号设计的自由度，而基于调制符号的处理方法从频域角度出发，该算法完全独立于传输的数据信息，处理过程只涉及到IDFT与DFT运算，在获取雷达目标距离-相对速度信息的同时可以获得高的动态测量范围，因此具有更突出的优势。

1.4 基于阵列技术的一体化信号设计

阵列技术广泛使用在雷达与通信应用领域。从雷达角度分析，多天线阵列雷达可以提高空间分辨率、抗干扰能力和目标检测能力。从通信角度分析，多天线阵列通信技术，例如MIMO，可以利用多径传播提高信道容量。所以基于阵列天线结构的雷达通信一体化信号方法也很有吸引力。刘永军等[47]将MIMO技术与OFDM信号结合，通过每个阵元发射不同子波段OFDM信号构建雷达通信一体化信号。J.Mietzner等[48]将MIMO技术应用到FMCW信号波形发射中提高通信速率，同时引入空时编码技术保证正、负斜率Chirp信号的正交性。F.Liu等[49]提出2种基于MIMO技术雷达通信一体化阵列设计及信号优化方法。一种是将阵元划分两部分，分别对应雷达目标检测与通信应用，在该设计框架下，雷达信号设计在通信信道的零空间；另外一种则是所有阵元直接发射雷达与通信共用信号，在这种设计框架下雷达目标被当作虚拟的通信用户，一体化信号设计问题转化为优化不同用户功率分配问题。文献[50-51]研究了对MIMO雷达通信一体化信号波形中最小化通信用户干扰的优化问题并提出设计准则。其中，文献[49-51]均假定信道已知或者可以被完美估计。X.Wang等[52]提出利用射频开关将信息符号嵌入到MIMO可配置的稀疏天线阵元中实现通信与雷达双功能融合。S.Y.Nusenu等[53]提出基于时间调制的频率分集MIMO阵列，将经过扩频码调制的通信符号嵌入雷达发射脉冲中实现雷达通信一体化功能。J.Euzière等[54]提出利用时间调制阵列(Time-Modulated Array，TMA)形成波束的主瓣实现雷达功能，而通信符号则通过旁瓣传输的方案。该方案得益于TMA技术[55]，通过把“时间”的概念引入到阵列设计参数中，从而增加了阵列设计的自由度，所以可以在保持主波束增益不变的情况下优化时间参数得到不同幅度水平的旁瓣，从而实现幅度调制。类似的，A.Hassanien等[56-57]利用MIMO技术结合优化算法实现主瓣雷达、旁瓣通信的一体化概念。V.F.Fusco等[58]提出利用基于均匀圆形阵列合成的方向调制(Directional Modulation，DM)信号实现雷达的追踪定位。该方案采用收发同置的雷达装置发射DM信号并接收回波信号计算其误比特率(Bit Error Rate，BER)，并把BER当作目标方位角指示器，即BER主瓣方向对应目标方位角。同时，在目标端可以解调发射的DM信号。可以发现，DM信号在雷达通信一体化应用中呈现出固有的优势，因为从通信角度分析，DM信号作为通信调制信号明显地可以实现信息传输，而根据DM信号特点，目标回波信号的BER可以指示空间目标的存在与否，进而可以提供雷达目标追踪及目标监视功能。该方案为雷达通信一体化信号设计研究提供了新思路。

1.5 其他一体化信号调制技术

应用波形分集技术也存在很多种雷达通信一体化信号调制方法[59-66]。例如，A.Hassanien等[59-60]将位序列映射到相位旋转字典，通过在相位旋转字典与正交波形的权重向量之间构建映射关系，进而合成一体化信号；C.Sahin等[61]应用连续相位调制技术将通信符号加载到多相编码的调频雷达波形中合成一体化信号；S.D.Blunt等[62-66]提出了一种新颖的雷达通信一体化方式，将通信符号信息嵌入雷达散射信号中，即雷达发射信号经过标签或应答器“中转”重新调制发送到空间中不同位置的接收端。该方法可以将信息符号隐藏在雷达杂波与回波中，从而使通信信息很难被截获。

总体分析，雷达通信一体化设计的关键是选择合适的调制技术设计一体化信号，使其同时可以满足雷达与通信的应用需求。需要明确的是，雷达通信一体化信号融合方法很多，采用的调制技术也各不相同。由于雷达应用范围广泛，不同的潜在应用场景对雷达功能与通信要求可能完全不同。因此，面对不同的潜在应用需求，应选择适合的雷达通信一体化信号的调制技术。

2 几种应用场景中的一体化调制技术

2.1 V2V智能驾驶应用

在智能驾驶中，雷达作为确保先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance System，ADAS)可靠运行的关键传感器之一，不仅需要检测识别物体目标，还需要同其他车辆建立通信链路。应用雷达通信一体化传感器系统探知周围环境，同周围车辆/基础设施之间相互“交流”，可以提供更安全智慧的行车路线并提高交通效率。同时，雷达与通信2种功能也可以互相帮助，例如通信模块可以利用雷达跟踪合法用户并进行身份验证，同时更新通信链接预算；而雷达传感器在通信功能的帮助下可以构建雷达协作分布式传感器网络。例如，英国将在主要道路上推出试用自动驾驶卡车，其中前后2辆卡车之间需要保持通信，同时又要使用雷达技术感知周围环境[67],其信号传播过程示例如图2所示。

在V2V应用中，采用OFDM信号波形作为雷达通信一体化发射信号[41-43]，与其他一体化信号比较。在雷达方面，OFDM信号可以提高距离分辨率；在通信方面，OFDM信号可以提高数据传输速率。但OFDM信号具有高峰值平均功率比(PAPR)，造成功率放大器的非线性失真，从而降低了功率放大器及整个系统的效率。针对OFDM信号的高PAPR问题，G.Huang等[68]提出将基于索引调制的OFDM(Index Modulation for OFDM，OFDM-IM)信号作为一体化发射信号，其系统框图如图3所示。

图2 V2V雷达通信一体信号传播过程示例Fig.2 An example Vehicle-to-Vehicle(V2V) RadCom application scenario

图3 基于OFDM-IM信号的雷达通信一体系统框架Fig.3 Block diagram of the OFDM-IM RadCom system architecture

与OFDM信号不同，在OFDM-IM信号中仅有一部分子载波被激活，信息不仅调制在激活的子载波，还映射在以符号传输速率更新激活的子载波索引号上[69-71]。利用该特点，使用较少的子载波可以降低OFDM信号PAPR，进而可以提高放大器效率；同时索引调制方式增加了信息传输维度，选择合适的OFDM-IM一体化系统参数可以取得比OFDM更高的频谱效率及更好的BER性能；而在雷达方面，提出采用压缩传感技术结合调制符号信号处理算法，解决OFDM-IM一体化信号中未激活子载波在傅里叶变换中造成的PSL恶化问题。其对于V2V应用场景中多个目标距离-相对速度二维雷达像的仿真结果如图4所示。从图4可以看出，采用OFDM-IM一体化系统可以对目标距离-相对速度二维成像，并且可以取得与OFDM一体化系统类似的距离分辨率，多普勒分辨率及PSLR水平，如图5所示。从系统整体分析，文献[68]提出的基于OFDM-IM信号的雷达通信一体化方法可以有效降低信号PAPR，并在低阶调制方式时取得比OFDM信号更高的数据传输速率，同时保持了与OFDM雷达通信一体化方法类似的雷达性能。

(a)OFDM-IM

(b)OFDM

(a)距离剖面图

(b)相对速度剖面图

2.2 雷达追踪定位与安全通信应用

在某些军事活动中，往往需要确保通信信息的安全性。所以，从安全通信角度探索雷达通信一体化信号可能的调制方式就成为非常有实际意义的研究方向。方向调制(DM)技术[72]可以提供物理层的安全通信，在文献[58]中,Vince等将DM技术应用到雷达追踪定位中，为雷达通信一体化调制信号设计提供了新思路。DM调制技术的概念示例如图6所示。

图6 QPSK DM系统概念示例Fig.6 An example of QPSK DM system concept

从图6可以看出，在DM信号中，标准QPSK格式的星座点只在预先定义好的空间方向θ0完整地保存下来，而在其他方向星座点格式都被破坏。因此，对于DM信号只能在其预定的空间方向θ0上解调出信息，而在其他方向上杂乱的调制符号格式让潜在窃听者很难解读信息。设置雷达装置为收发同置，将DM信号作为雷达发射信号应用到目标追踪定位，其核心思想是将“BER”作为目标存在与否的指示器，这里的BER是指在雷达接收端解调目标反射信号得到的BER[58]，所以DM信号传播路程是双向的，如图7所示。

图7 DM信号雷达追踪示意Fig.7 Schematic diagram of radar tracking of DM signals

因为雷达配置方式是收发同置，所以，在接收端发射的DM信号信息是已知的，通过解调雷达目标反射信号并对比已知发射信号信息很容易计算得到BER。

文献[73]提出利用TMA合成多载波DM信号，利用该DM信号可以进行雷达目标追踪，雷达目标回波信号BER性能表现如图8所示。

图8 雷达目标回波信号BER， θ0 = 45°，SNR = 30 dB， QPSK 调制Fig.8 BER of backscattered radar signal with θ0=45°，SNR= 30 dB，and QPSK modulation is assumed

在雷达发射端发射DM信号。当目标位于DM信号预选方向θ0时，雷达接收端计算得到的BER将会在空间方向θ0附近呈现非常低的BER数值形成BER主瓣，进而目标的方位角可以被确认。当目标位于不同于DM信号预选方位角方向时，此时目标相当于“窃听者”，其反射回波在雷达接收端解调并计算得到的BER将在所有空间方向保持一个常量，不会出现BER主瓣。相反，对于一般的均匀线阵(Uniform Linear Array，ULA)，由于高旁瓣则无法确认目标。而改变DM信号的预选方向θ0使其在空间扫描，即可进行目标追踪。目标距离的测量可以通过发射一段合适的符号序列，根据到达时间(Time of Arrival，TOA)测量方法进行估计[58]。

可以发现，DM信号在雷达追踪与安全通信应用中呈现出固有的优势，因为DM信号作为通信调制信号明显可以实现信息传输，而根据DM信号特点，目标回波信号的BER可以指示空间目标的存在与否，进而可以提供雷达目标追踪及目标监视功能，该雷达功能并不需要牺牲通信性能，因此，DM信号在雷达通信一体化信号设计中占有重要地位。

2.3 雷达距离域抗干扰与通信应用

频率分集阵列(Frequency Diverse Array，FDA)雷达[74]是一种新兴的雷达体制，不同于传统的相控阵仅可以提供方位角相关的辐射图，FDA通过在每个阵元引入一个数值很小、线性增长的频偏Δf，从而提供具有距离-角度-时间依赖性的辐射图[75-78]。其中辐射图的距离依赖性特点可以压制距离域的干扰与/或杂波，提供了很多潜在的雷达应用优势，例如机载FDA雷达抑制距离模糊区域杂波[79]，前视FDA雷达在较强杂波环境中提高信干噪比(Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio，SINR)[80]，认知FDA雷达避免强干扰点[81]及射频隐身[82]等。此外，FDA还被广泛应用在合成孔径雷达(SAR)成像[83-84]。可以发现,FDA在雷达应用中展现出广阔的前景，但是由于一般FDA辐射图固有的距离-角度耦合问题导致目标的距离信息并不能直接从目标的回波中获得。针对FDA辐射图距离-角度耦合而不能进行雷达目标定位的问题以及FDA雷达与目标通信问题，G.Huang等[85-86]提出将索引调制技术引入到FDA中，同时进行雷达目标定位与目标通信，实现FDA雷达通信一体化。文献[85]介绍了天线阵元索引调制FDA概念及操作原理，利用索引调制技术，将信息映射到选中的天线阵元索引号并关闭相应阵元的频偏选择开关。在传输相同位序列的条件下，该方案可以应用不同的频偏组合形成不同的阵列辐射图，实现解耦FDA雷达距离-角度信息，同时位序列信息通过选择的阵元天线索引号传输实现通信功能。图9(a)和(b)描述了传输位序列D(选择不同天线阵元数K值)对应的阵元辐射图。图10(a)和(b)展示了利用天线阵元索引调制FDA对不同目标距离-方位角估计仿真结果。

(a)K=1，D=“1101”

(b) K=15，D=“0010”

(a)K=1，K=15

(b)K=2，K=14

不同于文献[85]，文献[86]提出将索引调制技术与FDA频偏索引号结合，在输入二进制位序列与频偏索引号之间建立映射关系，并通过射频开关将选中的频偏随机加载到每个阵元。因此，频偏的选择被赋予了随机性。应用选择的频偏，FDA可以提供图钉状的波束方向图并解决了传统FDA中距离-角度耦合问题，同时信息通过选择的频偏索引号传输实现通信功能。传输位序列对应的阵元辐射图如图11所示，图12仿真了频偏索引调制FDA对目标距离-速度估计。

比较天线阵元索引调制FDA与频偏FDA两种FDA一体化方法，可以发现不同的频偏添加方式直接影响阵列的波束方向图特性，在一个发射脉冲周期，例如频偏索引调制FDA，频偏的随机性可以为FDA提供图钉状波束方向图，因此，该波束方向图中不存在距离-角度耦合问题，如图11所示；在目标定位中可以通过目标回波直接估计出目标的距离-方位角信息。而天线阵元索引调制FDA，在一个脉冲周期，仅可以提供准相控阵或者准FDA的波束方向图，如图9(a)和(b)所示；在目标定位中需要使用准相控阵与FDA波束相互配合才能估计目标的距离-角度信息。所以，天线阵元索引调制FDA系统需要发射多次脉冲才能完成雷达目标定位任务。在通信性能表现方面，相比于天线阵元索引调制FDA系统，在相同符号周期条件下，频偏索引调制FDA系统具有更高的通信速率但伴随着折中的BER性能。

图11 归一化波束方向图(距离-角度)，传输的二进制 序列为“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”

图12 MUSIC功率谱Fig.12 MUSIC power spectrum

3 一体化信号设计主要问题及方法讨论

雷达通信一体化信号设计问题，通常要根据一体化应用场景的需求进行考虑。例如，在V2V智能驾驶应用中，直接应用OFDM或OFDM-IM信号作为一体化发射信号，在雷达信号处理方面采用调制符号处理算法获取目标距离-相对速度二维雷达像，该一体化系统的发射信号设计问题在于如何权衡雷达与通信性能的折中关系。从通信方面分析，为了保证OFDM或OFDM-IM信号的正交性，Δf应当满足 Δf> 10fD,max[43]，其中，fD,max表示可能的最大多普勒频偏。考虑通信多径传播，由于路径不同引起的时延差会造成符号间干扰，这要求在设计信号时，要在符号间添加保护间隔，而保护间隔的周期要满足大于最大时延差τe。设计OFDM或OFDM-IM符号间的循环前缀Tcp，从通信方面考虑，Tcp应满足Tcp>τe；而从雷达方面考虑是双路径传播，Tcp应该满足Tcp>2τe，综合考虑取Tcp>2τe。需要注意的是，设置最大时延差τe小于Tcp/2可以降低通信符号间干扰，但同时限制了雷达的最大检测距离Rmax。因为，Rmax=τe·c0=Tcp·c0/2，可以看出，雷达最大检测距离与循环前缀时间周期成正比。另一方面，循环前缀周期太长会降低频谱效率。所以，雷达的最大检测距离与频谱效率之间存在折中问题。在进行雷达信号处理中，通常要求输入信号有良好的SNR，从这方面考虑，OFDM或OFDM-IM符号周期在设计中应尽可能地长，但这会限制雷达目标不模糊的最大速度vrel,max，因为vrel,max= ±c0/(4Tf0)。

面向不同的应用场景实现雷达通信一体化，其信号设计需要面对的问题可以归纳如下：

(1) 雷达与通信性能最优化。在一体化信号设计中，通信信号和雷达信号均可以直接作为雷达通信一体化发射信号，但在保证通信性能或雷达探测要求的条件下优化提高雷达或通信性能是一个需要研究的问题。

(2) 工作体制。从雷达方面考虑，雷达可以分为连续波雷达和脉冲式雷达，其中连续波雷达常用在目标多普勒测量中，相比之下，脉冲式雷达应用更加普遍。而通信一般采用频分或时分双工，其信号波形一般是连续的，很明显，脉冲式发射方式会降低通信速率。目前，雷达通信一体化工作体制需要根据一体化具体应用要求进行最优化选择，但从一体化技术的长远发展来看，需要建立雷达通信一体化新的工作体制标准。

(3) 雷达通信一体化信道模型。雷达信号一般考虑其在自由空间中传播，而对于通信，不同的场景对应不同的信道模型，例如瑞利衰落信道、莱斯衰落信道等。为促进雷达与通信信道模型进一步融合，对于非统一的应用场景，需要建立一体化系统的标准传播信道模型。

(4) 多天线一体化信号设计。考虑天线阵列的一体化信号设计问题，针对雷达与通信功能一般需要合成不同的波束。其中，设计在时域或频域容易分离且不存在相互干扰的雷达与通信信号波束成为需要研究的关键问题。

(5) 多址通信。目前现有的雷达通信一体化研究主要集中在实现雷达与通信功能的信号设计，但是，从通信方面考虑，多用户通信是一体化技术面临的实际问题，所以需要研究设计在多址通信情况下的雷达通信一体化信号。

(6) 雷达通信一体化接收信号处理。一体化接收信号处理算法的选择可以决定雷达性能，例如，在V2V智能驾驶应用中采用调制符号处理算法，一定条件下在距离空间可以取得约40 dB的峰值旁瓣比(Peak-Sidelobe-Ratio，PSLR)性能，而采用相关处理方法仅可以取得约13 dB的PSLR。所以，需要利用雷达通信一体化信号特点，研究低复杂度、高性能的一体化信号处理算法。

考虑多波束一体化信号的设计问题，其场景示例如图13所示，目前有几种不同的设计方案，例如，通过设计阵列波束辐射图赋予波束主瓣雷达功能，而旁瓣则用于通信功能的方案[54,56，87]；在通信信道信息矩阵的零空间设计雷达波束信号的方案[88-89]以及直接优化多用户MIMO(Multi-user MIMO，MU-MIMO)信号的方案[49]等。其中，利用波束主瓣与旁瓣分别实现雷达与通信的方案有3种不同的技术路线;第1种是利用TMA技术在保持主波束增益不变的情况下，控制旁瓣水平实现幅度调制[54];第2种是利用2个加权向量对多天线发送正交波形加权，合成具有相同的主瓣不同旁瓣的辐射图，利用高低变化的旁瓣实现通信[56];第3种方法是通过优化设计激活部分阵元，进而控制波束主瓣与旁瓣分别实现雷达与通信功能[87]。可以发现，主瓣用作雷达、旁瓣用作通信的波束信号是以雷达为主的一体化设计。不同于以上方法，在通信信道信息矩阵的零空间设计雷达信号则是另外一种思路，其主要目的是消除雷达信号与通信信号之间干扰。而直接优化MU-MIMO信号即是直接将MU-MIMO通信信号用作雷达探测，通过优化一体化波束成形矩阵，在满足下行通信用户的SINR约束条件下合成满足雷达探测要求的波束图。以上2种多波束一体化信号方案均需要精确地预估通信信道信息。在雷达通信一体化某些特殊敏感的应用场景中，需要考虑通信安全问题，在此条件下，基于DM信号的雷达通信一体化技术将发挥重要作用，但是目前针对DM多波束信号的合成方法还需要进一步地研究，幸运的是，有学者提出基于TMA技术的多载波DM信号合成方法以及利用正交向量方法合成多波束DM信号[73,90]，这里的正交向量法是指通过在合法用户与窃听者信道向量的零空间产生正交向量或者干扰从而构建DM信号发射端[72]。这些方案为多波束DM信号的合成提供了研究基础。

图13 雷达通信一体化多波束应用示例Fig.13 An example of multi-beam RadCom application scenario

4 结束语

伴随着通信技术从5G应用到6G的跨越，雷达与通信之间的电磁干扰问题与频谱竞争问题越来越突出，电磁设备也迫切需要实现高集成、低干扰和小型化的特点。雷达与通信信号和平台的融合即一体化设计是最具前景的解决方案。在雷达通信一体化的研究中，一体化信号的调制设计成为关键问题。考虑复杂的应用情况，对雷达通信一体化信号不同的调制技术进行了梳理分析，面对不同的应用场景，介绍了一体化信号不同的设计方法，同时，指出了一体化信号设计需要面对的问题并讨论了多波束一体化信号设计的不同方案，为雷达通信一体化信号面向不同应用场景的设计提供了思路。