基于調(diào)頻率調(diào)制的雷達(dá)通信共享信號(hào)研究

周 宇，楊慧婷，谷亞彬，張林讓，王 立

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基于調(diào)頻率調(diào)制的雷達(dá)通信共享信號(hào)研究

周 宇1，楊慧婷1，谷亞彬1，張林讓1，王 立2

(1. 西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071；2. 西南電子技術(shù)研究所航空電子信息系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610036)

雷達(dá)通信一體化可有效提高電子系統(tǒng)的資源共享，是實(shí)現(xiàn)電子裝備多功能綜合一體化的一個(gè)重要方向。本文根據(jù)Chirp信號(hào)的調(diào)頻率與分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)之間的關(guān)系，提出了一種基于Chirp信號(hào)調(diào)頻率的雷達(dá)通信共享波形，固定調(diào)頻率的主載波實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能，副載波由通信碼元鍵控得到調(diào)頻率從而實(shí)現(xiàn)通信信息調(diào)制；主載波與副載波的疊加形式使此共享信號(hào)能在不影響雷達(dá)性能的前提下實(shí)現(xiàn)單脈沖多比特的數(shù)據(jù)傳輸，而且利用不同階數(shù)的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的解調(diào)過(guò)程具有多普勒穩(wěn)健性。

調(diào)頻率調(diào)制; 線性調(diào)頻信號(hào); 分?jǐn)?shù)階傅里葉變換; 雷達(dá)通信一體化

為在信息化作戰(zhàn)中，體現(xiàn)出“信息化優(yōu)勢(shì)”，要求武器的發(fā)展和使用具有系統(tǒng)化趨勢(shì)，使各種武器平臺(tái)通過(guò)電子信息渠道實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、超距離的實(shí)時(shí)合作。同時(shí)，為適應(yīng)現(xiàn)代化電子戰(zhàn)環(huán)境的要求，武器平臺(tái)需要裝備數(shù)量眾多的電子設(shè)備，如雷達(dá)、通信設(shè)備等[1]，但這些設(shè)備占據(jù)電子設(shè)備中的寶貴空間、增加其載荷、惡化周圍電磁環(huán)境，使得航電設(shè)備綜合性能受到影響，而雷達(dá)和通信作為作戰(zhàn)平臺(tái)的基本組成單位，如果能在雷達(dá)設(shè)備上增加通信功能，使其以一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，將會(huì)大大提高電子設(shè)備的綜合利用率。

近幾年，國(guó)內(nèi)外在雷達(dá)設(shè)備上增加通信功能開(kāi)展了廣泛研究。美國(guó)海軍率先在2005年完成了先進(jìn)多功能射頻概念平臺(tái)的初步報(bào)告[2]，表明多功能綜合一體化已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)化籌備階段。2006年，Northrop Grumman公司在E-8C聯(lián)合監(jiān)視和攻擊雷達(dá)系統(tǒng)上對(duì)雷達(dá)通信一體化進(jìn)行了研究，采用脈沖體制，并在頻率上將雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，經(jīng)測(cè)試，在相距140 km，DBPSK調(diào)制下，傳輸速率達(dá)到1.5 Mb×s-1[3]。中國(guó)電子科學(xué)研究院在2009年到2011年，聯(lián)合中電38所、北京理工大學(xué)等多家單位，研制開(kāi)發(fā)了雷達(dá)/通信一體化窄帶數(shù)字陣列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其通信速率可達(dá)到300 kb×s-1[4]。

目前研究主要集中在雷達(dá)通信一體化波形設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的一體化波形主要分為兩大類：一類是波形共用技術(shù)，按照時(shí)分[5]、頻分[6]、碼分[7]等方式對(duì)波形共用；另一類是波形共享技術(shù)，一是直接利用通信波形實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)[8]，二是通過(guò)對(duì)雷達(dá)波形改造，使通信信息以差異性的形式體現(xiàn)在雷達(dá)波形上，文獻(xiàn)[9]研究了通過(guò)調(diào)制Chirp信號(hào)的初始頻率實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化的方法；文獻(xiàn)[10]研究了LFM信號(hào)與通信MSK調(diào)制方式相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[11]研究了基于Chirp擴(kuò)頻的一體化方式。但這些設(shè)計(jì)方法一方面未考慮到雷達(dá)信號(hào)處理的“不變”與通信傳輸數(shù)據(jù)的“變”之間的矛盾，即雷達(dá)信號(hào)處理中為提升信噪比，需進(jìn)行相參積累，要求脈沖間波形“不變”，使其具有較高相干性，而為進(jìn)行通信傳輸，傳輸數(shù)據(jù)的隨機(jī)性要求“變”；另一方面，目前研究的較多波形在存在多普勒頻移的情況下，其通信性能會(huì)變差。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種基于Chirp信號(hào)的雷達(dá)通信一體化設(shè)計(jì)方法，其主載波實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能，副載波通過(guò)調(diào)制調(diào)頻率實(shí)現(xiàn)通信信息調(diào)制，通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了本文的設(shè)計(jì)方法能在一定程度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信一體化。

1 調(diào)頻率調(diào)制的共享Chirp信號(hào)設(shè)計(jì)

1.1 共享波形設(shè)計(jì)

線性調(diào)頻信號(hào)(Chirp)的復(fù)包絡(luò)形式為：

圖1 調(diào)頻率設(shè)計(jì)功能示意圖

1.2 Chirp信號(hào)的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換

本文利用Chirp信號(hào)的調(diào)頻率與其分?jǐn)?shù)階傅里葉變換之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行通信解調(diào)，首先對(duì)Chirp信號(hào)的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換進(jìn)行介紹。

圖2 基于不同調(diào)頻率Chirp信號(hào)的雷達(dá)通信共享系統(tǒng)框圖

圖3 Chirp信號(hào)的FRFT示意圖

由表達(dá)式與示意圖可以得到，分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)和峰值位置分別可以表示為：

1.3 多元正交波形

本文所設(shè)計(jì)共享信號(hào)采用主載波進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)，副載波調(diào)制調(diào)頻率傳輸通信信息，在接收端需對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分離，將主載波分離出來(lái)完成雷達(dá)探測(cè)功能，根據(jù)相關(guān)性可判斷是否能將其分離，下面分析有不同調(diào)頻率的Chirp信號(hào)之間的相關(guān)性。

設(shè)兩個(gè)調(diào)頻率不同的Chirp信號(hào)分別為：

將1和2的表達(dá)式代入上式，計(jì)算得：

2 共享波形參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 Chirp信號(hào)調(diào)頻率設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)Chirp信號(hào)調(diào)頻率主要涉及到兩個(gè)方面，一是用作雷達(dá)的主載波調(diào)頻率的確定，二是用作通信的副載波內(nèi)調(diào)頻率的確定。雷達(dá)主載波調(diào)頻率決定了雷達(dá)信號(hào)可用的帶寬，帶寬決定了目標(biāo)檢測(cè)的分辨率，而根據(jù)正交性分析，可以用匹配濾波將主載波從共享信號(hào)中區(qū)分開(kāi)來(lái)，副載波對(duì)主載波的雷達(dá)功能影響較小，為了使目標(biāo)檢測(cè)性能最優(yōu)，設(shè)計(jì)主載波的調(diào)頻率大于所有用于通信的調(diào)頻率，使其帶寬利用達(dá)到最大，得到較高分辨率。

圖4 Chirp信號(hào)FRFT峰值隨變化

2.2 通信解調(diào)的多普勒穩(wěn)健性

由此畫(huà)出衰減系數(shù)與頻移比的關(guān)系如圖5所示，可以看出即使頻移比達(dá)到0.5，峰值幅度衰減尚不到0.1，可以得知此多普勒頻移不影響共享信號(hào)的FRFT解調(diào)階數(shù)，說(shuō)明了本文所設(shè)計(jì)的一體化波形對(duì)多普勒是穩(wěn)健的。

圖5 衰減系數(shù)與頻移比的關(guān)系圖

3 仿真分析

3.1 雷達(dá)仿真分析

圖6 Chirp信號(hào)匹配濾波

為了說(shuō)明用本文所設(shè)計(jì)的共享信號(hào)符合雷達(dá)處理過(guò)程相干積累的要求，對(duì)一個(gè)CPI內(nèi)的各脈沖的脈壓輸出結(jié)果之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到它們之間的互相關(guān)系數(shù)均為1，滿足要求，故此共享信號(hào)只需要一個(gè)匹配濾波器進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)處理。圖7為回波匹配脈壓結(jié)果，圖8為MTD處理結(jié)果。

圖7 雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)脈壓結(jié)果

圖8 雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)MTD結(jié)果

3.2 通信仿真分析

解調(diào)端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行一系列預(yù)定階次的FRFT變換，以最優(yōu)階變換幅度峰值進(jìn)行歸一化，結(jié)果如圖9，當(dāng)進(jìn)行最優(yōu)階FRFT變換時(shí)在其幅度譜上輸出峰值，當(dāng)進(jìn)行其他階次FRFT變換時(shí)，其幅度譜上無(wú)峰值輸出，由此得到接收信號(hào)FRFT變換的最優(yōu)階，從而解得通信調(diào)制信息。

圖9 Chirp信號(hào)FRFT輸出

圖10 誤碼率與信噪比的關(guān)系

通信性能的另一個(gè)指標(biāo)是傳輸碼元的誤碼率，圖10仿真了本文調(diào)制方法與2FSK、2ASK、2PSK的誤碼率曲線對(duì)比，2FSK、2ASK、2PSK的誤碼率曲線為理論值，本文調(diào)制方式的解調(diào)誤碼率為統(tǒng)計(jì)所得，可以看出，本文調(diào)制方式的誤碼率均優(yōu)于2FSK、2ASK、2PSK，并在誤碼率達(dá)到6 dB時(shí)，出現(xiàn)誤碼率平層。

前面討論誤碼率與設(shè)計(jì)調(diào)頻率間隔有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)計(jì)間隔越大，誤碼率越低，而在可用帶寬內(nèi)，設(shè)計(jì)調(diào)頻率越多，通信速率越高，故能在可接受誤碼率限定下，在可用帶寬內(nèi)設(shè)計(jì)更多的調(diào)頻率來(lái)提高通信速率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)利用不同調(diào)頻率的Chirp信號(hào)攜帶通信碼元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信共享，采用主載波進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)，副載波通過(guò)調(diào)制調(diào)頻率實(shí)現(xiàn)通信信息傳遞，并對(duì)其雷達(dá)性能以及基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的解調(diào)方法進(jìn)行了研究，分析了調(diào)頻率的設(shè)計(jì)和多普勒影響?？梢钥闯?，利用此種方法實(shí)現(xiàn)通信對(duì)雷達(dá)性能基本沒(méi)有影響，雷達(dá)處理系統(tǒng)依然只需要基本處理單元，并沒(méi)有對(duì)雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程增加額外的負(fù)擔(dān)，而且通信解調(diào)還具有抗多普勒能力。可以說(shuō)，共享信號(hào)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電子平臺(tái)中雷達(dá)和通信信號(hào)能量和時(shí)間的共享，這將是未來(lái)共享電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一個(gè)重要的發(fā)展方向[15]。

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編 輯 稅 紅

Study on Integrated Radar and Communication Signal Based on Chirp-rate Modulation

ZHOU Yu1, YANG Hui-ting1, GU Ya-bin1, ZHANG Lin-rang1, and WANG Li2

(1. National Laboratory of Radar Signal Processing, Xidian University Xi’an 710071; 2. Key Laboratory of Aviation Information System Technology, Southwest Research institute of Electronic Technology Chengdu 610036)

Integrated radar and communication system can make full use of radar equipment and play an important role in achievement of multi-functional integration of electronic equipment. A kind of integrated radar and communication signal is proposed based on the relationship between chirp-rate of chirp signal and the order of fractional Fourier transform. Its main carrier adopts the unique chirp signal to implement radar function, while communication information is modulated by the subcarrier with communication code keying chirp-rate chirp signal. The superposition of the main carrier and the subcarrier enables the signal to transmit multi-binary information by single signal without degrading radar’s performance. Finally, simulations demonstrate that the proposed signal has an advantage of high robustness.

chirp-rate modulation; chirp signal; fractional Fourier transform; integrated of radar and communication

TN95

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.06.006

2016-10-11；

2017-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(61301285)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2015JM6314)

周宇(1978-)，男，博士，副教授，主要從事雷達(dá)通信一體化、STAP、雷達(dá)抗干擾技術(shù)方面的研究.