基于LFM 信號的探測通信一體化設(shè)計(jì)*

周 磊 陸 健 張 銳

（南京電子技術(shù)研究所 南京 210039）

1 引言

雷達(dá)探測和微波通信是現(xiàn)代電訊技術(shù)重要的應(yīng)用，通常分別被賦予目標(biāo)截獲跟蹤和信息傳輸交互的功能，并占用不同的頻段。但隨著系統(tǒng)內(nèi)用頻設(shè)備數(shù)量和頻帶資源需求不斷上升，使得頻譜顯得過度擁擠，將系統(tǒng)內(nèi)探測、通信等無線電設(shè)備進(jìn)行一體化整合是未來重要的發(fā)展趨勢［1～3］。

分時和分頻是實(shí)現(xiàn)探測通信一體化最直接的手段，然而卻存在系統(tǒng)資源利用效率低、能量分散等缺點(diǎn)，對原系統(tǒng)的整合提升效果有限［4～5］。近年來時頻資源共享的探測通信一體化信號研究已取得了一定成果，總體可以歸為兩大類：一類為新體制探測通信一體化信號，調(diào)制方式包括線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation，LFM）多載波和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等，這些方案基于多載波技術(shù)，具有通信速率高的優(yōu)點(diǎn)，但其功率峰均比較高，經(jīng)過雷達(dá)非線性功放時出現(xiàn)畸變，導(dǎo)致探測和通信功能下降［7～10］；另一類為對基于現(xiàn)有雷達(dá)信號體制的一體化信號，如對LFM 信號進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制或最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）調(diào)制，這類信號探測性能接近LFM 信號，且有利于在現(xiàn)有雷達(dá)上工程實(shí)現(xiàn)［11～14］。

論文對LFM 信號進(jìn)行相位調(diào)制以構(gòu)造探測通信一體化信號，并針對系統(tǒng)時頻資源有限的特點(diǎn)，對一體化信號的調(diào)制、編碼和同步進(jìn)行了優(yōu)化。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的一體化信號在攜帶通信調(diào)制信息后仍能保持較好的探測性能，且易于在現(xiàn)有雷達(dá)中工程實(shí)現(xiàn)。

2 探測通信一體化架構(gòu)

原理上，通信碼元（MODEM）接入點(diǎn)可選擇在原信息鏈路的任意位置，考慮到MODEM 和數(shù)據(jù)處理實(shí)施的便利性，結(jié)合常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)組成，分別對基帶接入、低中頻接入、高中頻接入和射頻接入進(jìn)行對比［15］，如表1所示。

表1 一體化通信硬件方案性能對比

根據(jù)表1，直接使用現(xiàn)有一體化通信架構(gòu)均存在一定的缺陷，考慮到目前任意信號波形產(chǎn)生技術(shù)已經(jīng)有長足發(fā)展，在基帶調(diào)制的實(shí)現(xiàn)便利性優(yōu)勢明顯，故采用從基帶調(diào)制通信碼元。

3 探測通信一體化具體設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射調(diào)制

在雷達(dá)常用的LFM 信號基礎(chǔ)上，采用連續(xù)相位調(diào)制（Continuous Phase Modulation，CPM），形成LFM-CPM一體化信號，調(diào)制流程如圖1所示。

圖1 信號調(diào)制流程

根據(jù)一體化信號調(diào)制流程，其信號基帶由探測信號基帶Sr（t）和通信信號基帶Sc（t）共同組成。其中Sr（t）采用幅度為A、調(diào)頻斜率為μ的LFM 信號，而Sc（t）采用連續(xù)相位調(diào)制：

其中，rect 為矩形窗函數(shù)，N 為一個脈沖內(nèi)通信位數(shù)，T 為脈沖寬度，?（t，a）為調(diào)相碼。當(dāng)調(diào)制階數(shù)為M，調(diào)制指數(shù)為h，關(guān)聯(lián)長度為L 時，?（t，a）可表示為

其中：

ai為雙極性幅度調(diào)制的通信符號序列，其取值范圍為-（M-1）到M-1 之間的整數(shù)。帶入Sr（t），一體化信號可以具體表述如下：

綜上，LFM-CPM波形如圖2所示。

圖2 LFM-CPM信號頻譜

在LFM-CPM 波形中，LFM 與脈沖式探測技術(shù)體制一致，CPM為恒包絡(luò)調(diào)制對非線性飽和功放的適應(yīng)性好。

3.2 發(fā)射編碼

針對系統(tǒng)資源有限的特點(diǎn)，采用極化碼可兼顧高編碼效率和低譯碼延時［16～18］。極化碼的構(gòu)造規(guī)則較為固定，生成矩陣僅與碼長相關(guān)并由碼長唯一決定。因此極化碼構(gòu)造的主要研究內(nèi)容是各個子信道的可信程度，論文采用密度進(jìn)化法，通過輸入概率密度函數(shù)，計(jì)算經(jīng)過譯碼后的分布，判定各個子信道的容量。

3.3 接收解調(diào)

對基帶過采樣數(shù)字信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)過程主要包括包含通信信號提取、匹配濾波、碼元檢測、干擾濾除和信道譯碼等，流程如下。

1）信號提取：根據(jù)脈沖起始和脈寬對接收信號進(jìn)行截取，然后將截取得到的信號與LFM 信號的共軛相乘，最后得到CPM基帶信號；

2）匹配濾波：根據(jù)CPM 信號帶寬對輸出信號進(jìn)行FIR濾波；

3）碼元檢測：采用最大似然檢測方法，將接收數(shù)據(jù)與本地所有碼組作滑動相關(guān)運(yùn)算，取相關(guān)性最大的碼組作為解調(diào)碼元；

4）干擾檢測與擦除：根據(jù)每個脈沖的信噪比來檢測干擾脈沖，對存在干擾的脈沖進(jìn)行擦除；

5）信道譯碼：將多脈沖數(shù)據(jù)復(fù)接后進(jìn)行信道譯碼，得到解調(diào)數(shù)據(jù)。

4 驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

通過模糊函數(shù)評估一體化信號的探測性能［19～21］。由于連續(xù)相位調(diào)制具有恒模特性一體化信號的速度模糊函數(shù)與LFM 信號相同，但通信符號的引入影響了距離模糊函數(shù)。匹配濾波器下一體化波形與LFM信號探測性能對比如圖3所示。

圖3 Nb=80bit雷達(dá)脈沖性能仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出距離模糊函數(shù)保持了單峰的特征。分別仿真單個脈沖傳輸不同比特?cái)?shù)誤碼率性能，如圖4所示。

圖4 不同Nb條件下誤碼率仿真結(jié)果

綜上，單脈沖傳輸數(shù)據(jù)量為80bit 可較好地兼顧探測與通信性能。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

研制了探測通信一體化試驗(yàn)?zāi)K，并搭建如下試驗(yàn)系統(tǒng)。

如圖5，試驗(yàn)?zāi)K將一體化信號發(fā)射至轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)，疊加多普勒頻移后經(jīng)過衰減器返回至試驗(yàn)?zāi)K接收端，對接收的信號進(jìn)行通信碼元分析。

圖5 一體化通信試驗(yàn)系統(tǒng)

同時，通過試驗(yàn)?zāi)K內(nèi)置存儲器記錄接收數(shù)據(jù)，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，從而進(jìn)一步評估通信和探測性能。

4.2.2 通信能力試驗(yàn)

采用傳輸灰度圖的方式對通信能力進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到系統(tǒng)的單幀傳輸能力有限，需要將圖片文件進(jìn)行分包傳輸，發(fā)送圖像和接收圖像對比如圖6。

圖6 發(fā)送圖像與接收圖像

根據(jù)比對結(jié)果，發(fā)送和接收圖像一致；同時碼元分析表明，傳輸圖像時無丟幀，瞬時傳輸速率為3.2Mbps。

4.2.3 探測能力驗(yàn)證

受限于試驗(yàn)條件，采用對一體化信號疊加多普勒頻移，再進(jìn)行信號脈壓的方式進(jìn)行一體化信號探測能力驗(yàn)證。當(dāng)疊加3 馬赫多普勒頻移時，信號脈壓結(jié)果如圖7所示。

圖7 脈沖壓縮結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在目標(biāo)疊加3 馬赫徑向速度時，一體化信號脈壓主副瓣比大于12dB，接近常規(guī)LFM信號，從而實(shí)現(xiàn)了探測和通信一體化。

5 結(jié)語

論文在LFM 信號基礎(chǔ)上，通過疊加CPM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)探測和通信一體，并基于極化編碼和前導(dǎo)同步提高編碼效率、解碼速度和時間利用率，通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該一體化信號具有與常規(guī)LFM 類似的脈壓性能，同時可實(shí)現(xiàn)脈沖式通信，有助于促進(jìn)信息電子設(shè)備多功能一體化。