孫延坤，陳興波，曹 晨，李廣軍

(1.電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，成都 611731;2.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

雷達(dá)和通信設(shè)備都是無線電發(fā)射和接收裝置。長期以來，雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)各自獨(dú)立的、縱向的發(fā)展。大量電子設(shè)備的裝備卻占據(jù)了作戰(zhàn)平臺大量的空間，降低了作戰(zhàn)平臺的機(jī)動性，增加了反射截面積，降低了現(xiàn)代電磁環(huán)境中的抗干擾能力和作戰(zhàn)效能［1］，從而反過來影響了作戰(zhàn)平臺的生存率，因此雷達(dá)－通信雙功能雷達(dá)的研究成了國內(nèi)外熱點(diǎn)。雷達(dá)－通信雙功能雷達(dá)研究的關(guān)鍵在于雷達(dá)通信雙功能波形。

陳興波等人在文獻(xiàn)［2］中提出使用線性調(diào)頻(LFM)信號作為MSK 信號的載波形成一種新的既具有雷達(dá)探測功能又有通信功能的MSK-LFM 信號，并從理論上對該信號進(jìn)行了分析。脈沖多普勒(PD)雷達(dá)是應(yīng)用較為廣泛的一種雷達(dá)。對MSK-LFM 應(yīng)用于脈沖多普勒(PD)雷達(dá)的信號處理部分進(jìn)行仿真分析，通過與同等條件下的LFM相比較，得出了MSK-LFM 在距離探測和速度探測方面的性能與LFM 相同，較好的論證了該波形的實(shí)用性。

1 MSK-LFM 信號的頻譜

MSK-LFM 第k 個碼元信號

式中，μ 為調(diào)頻率;T 為碼元持續(xù)時間;A 為信號幅度;fc為載波頻率。由MSK-LFM 信號的表達(dá)式可以看出，信號的帶寬由LFM 信號的帶寬和碼元傳輸速率共同決定。仿真中采用雷達(dá)脈寬tp =10 μs，脈沖重復(fù)周期Tp = 100 μs，載頻fc= 1 GHz，調(diào)頻率為μ=5 MHz/μs，調(diào)制數(shù)據(jù)個數(shù)N = 100。MSKLFM 信號的功率譜密度如圖1(a)與同等條件下的LFM 信號如圖1(b)相比，二者帶寬基本相同，只有在功率下降到－10 dB 處MSK-LFM 存在稍微擴(kuò)展。

圖1 MSK-LFM 與LFM 信號功率譜密度圖

2 雷達(dá)回波信號

實(shí)際的雷達(dá)回波中，不僅僅有目標(biāo)的反射回波，同時還有接收機(jī)熱噪聲、地物雜波和氣象雜波等各種雜波疊加［3］。為了簡化仿真過程，仿真中的雷達(dá)回波只包括目標(biāo)的反射回波和與回波信號信噪比為2 dB 的高斯白噪聲，并假定目標(biāo)為理想的點(diǎn)目標(biāo)。由于仿真是為了驗(yàn)證MSK-LFM 信號在PD 雷達(dá)中的應(yīng)用，因此對雷達(dá)回波的簡化并不影響仿真結(jié)果。

3 MSK-LFM 在PD 雷達(dá)信號處理中的仿真分析

脈沖多普勒(PD)雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)來檢測目標(biāo)信息的脈沖雷達(dá)，是最基本的機(jī)載雷達(dá)。脈沖多普勒雷達(dá)可以分為高PRF、中PRF 和低PRF［4］。其信號數(shù)字處理的基本原理框圖如圖2 所示。中頻信號分為I、Q 兩路經(jīng)混頻、低通濾波器和A/D 采樣，進(jìn)入匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮，然后分別進(jìn)行距離門分割、雜波對消和多普勒濾波器組及恒虛警處理(CFAR)，最后數(shù)據(jù)送入后續(xù)的數(shù)據(jù)處理模塊。雜波對消器相對于一個高通濾波器，主要用來消除頻率較低的地物、氣象等靜止雜波。仿真中由于回波信號中沒有加入地物雜波和氣象雜波，因此省略了雜波對消。

圖2 PD 雷達(dá)信號處理原理框圖

3.1 混頻和低通濾波

中頻信號經(jīng)過混頻和低通濾波，轉(zhuǎn)換成了零中頻的I、Q 兩路正交信號。采用I、Q 兩路信號處理可以判斷目標(biāo)的運(yùn)動速度的方向和消除由于多普勒效應(yīng)引起的盲相。

目標(biāo)的反射回波的中頻信號如式(1)

I 路混頻信號

Q 路信號處理與I 路基本相同，只是混頻時使用－sin(2πf0t)，其得到的信號為

在以上分析中省略了中頻信號的幅度?？紤]到對后續(xù)匹配濾波和多普勒濾波的影響，低通濾波器一般采用具有線性相位的FIR 濾波器。仿真中假設(shè)在6000 m 處存在一個與雷達(dá)相對速度為200 m/s(以雷達(dá)為參考點(diǎn)，指向雷達(dá)的方向?yàn)檎较?，此時得到的I 路和Q 路的低通濾波后的信號如圖3 所示。

圖3 I、Q 路低通濾波后的信號圖

3.2 脈沖壓縮和距離門重排

距離分辨率與信號帶寬成反比，速度分辨率與脈沖持續(xù)時間成反比。對于單頻脈沖信號，不能夠兼顧高距離分辨率和高速度分辨率。

脈沖壓縮信號通過對雷達(dá)波形進(jìn)行調(diào)頻或調(diào)相來解決距離分辨率和速度分辨率之間的矛盾。脈沖的壓縮是通過匹配濾波來實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字匹配濾波可以分為時域匹配和頻域匹配。仿真中采用時域數(shù)字匹配，為了獲取目標(biāo)與雷達(dá)相對速度的方向，因此采用復(fù)數(shù)域的匹配濾波，即I 路和Q 路信號組成復(fù)信號，實(shí)部為I 路信號，虛部為Q路信號。由式(3)和式(4)可知，匹配濾波器的單位沖擊響應(yīng)的第k 個表達(dá)式如式(5)，匹配后的復(fù)信號的實(shí)部和虛部再分別分成I、Q 兩路信號。

MSK-LFM 回波信號匹配濾波的結(jié)果如圖4 所示，其中圖4(a)為距離雷達(dá)6000 m 處有個理想點(diǎn)目標(biāo)時的回波信號匹配濾波的結(jié)果，圖4(b)為6000 m和6003 m 處各有一個理想點(diǎn)目標(biāo)時的回波匹配濾波后的結(jié)果。在圖4(a)中給出脈壓后歸一化信號的波形圖，可以看出第一旁瓣約為－15 dB，低于普通LFM 信號。經(jīng)過多次仿真表明，其旁瓣幅度與調(diào)制數(shù)據(jù)有關(guān)，且第一旁瓣的幅度幾乎都接近或低于普通LFM 信號，但是其遠(yuǎn)端旁瓣比普通LFM 信號有所抬高，因此可以看出MSK-LFM 的旁瓣的幅度受調(diào)制的數(shù)據(jù)影響。從圖4(b)可以看出，帶寬B=50 M 的MSK-LFM 波形的分辨率可達(dá)到3 m，與LFM 相同。從圖4(a)可以看出，脈壓信號的峰值的出現(xiàn)較6000 m 處有一定延遲，這是由于低通濾波器的延遲造成的，在實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)行校正。

圖4 MSK-LFM 回波信號脈沖壓縮波形

距離門是用來分辨目標(biāo)的距離。雷達(dá)系統(tǒng)的距離門一般是固定的，對于相參脈沖串，距離門通常取脈沖寬度，對于脈沖壓縮信號距離門通常取脈沖壓縮后的寬帶。仿真中距離門取3 m。距離門重排，即是雷達(dá)回波信號按照脈沖重復(fù)周期和距離單元排列成一個二維矩陣。相同脈沖周期、不同距離單元的回波信號排成行，不同脈沖周期、相同距離單元的回波信號排成列［5］。

3.3 多普勒濾波器組

4 結(jié) 語

MSK-LFM 是一種新型的雷達(dá)通信雙功能波形。對將其應(yīng)用于脈沖多普勒(PD)雷達(dá)的信號處理進(jìn)行了仿真，通過仿真結(jié)果，論證了MSK-LFM 信號在雷達(dá)距離探測和速度探測的可行性，并通過與同等條件下的LFM 進(jìn)行了比較，可以看出，同等條件下的MSK-LFM 雖然比LFM 在頻譜上有稍微擴(kuò)展，但是在距離探測和速度探測方面的性能是相同的，因此MSK-LFM 具有較好的實(shí)用性。

圖5 多普勒濾波器組輸出波形圖

［1］林志遠(yuǎn)，劉剛. 雷達(dá)-電子戰(zhàn)-通信的一體化［J］. 上海航天，2004，21(6):55-58.

［2］CHEN XINGBO，WANG XIAOMO，XU SHANFENG，et al. A Novel Radar Waveform Compatible with Communication［C］//Technical Program，IEEE ICCP2011，China，2011:177-181.

［3］竇林濤，程健慶，李素民.基于matlab 的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)仿真［J］. 指揮控制與仿真，2006，28(2):78-82.

［4］張明友，汪學(xué)剛. 雷達(dá)系統(tǒng)［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2006.

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