張 馳，高躍清

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于OFDM的雷達(dá)通信一體化信號(hào)處理技術(shù)研究

張 馳，高躍清

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

在空間和功耗嚴(yán)格受限的平臺(tái)下，采用基于OFDM的一體化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率共享、通信速率高、探測(cè)和通信可同時(shí)進(jìn)行的雷達(dá)通信系統(tǒng)。對(duì)比分析了2種基于OFDM的一體化信號(hào)的雷達(dá)信號(hào)處理方式。對(duì)基于OFDM的一體化信號(hào)的探測(cè)性能進(jìn)行了仿真論證，重點(diǎn)分析了調(diào)制符號(hào)對(duì)于OFDM信號(hào)探測(cè)性能的影響。在實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能的前提下，分析了信號(hào)的一體化對(duì)通信性能的影響。改進(jìn)的OFDM信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)高速通信和雷達(dá)探測(cè)功能。

雷達(dá)通信一體化；OFDM；雷達(dá)信號(hào)處理；多普勒敏感性

0 引言

國(guó)外針對(duì)雷達(dá)通信一體化方面的研究起步較早，20世紀(jì)末美國(guó)海軍就對(duì)這一方面開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)性研究。在眾多的研究中，較為突出的是雷聲和諾斯羅普格魯曼兩家公司合力展開(kāi)的有關(guān)雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)的研究，他們?cè)噲D利用有源相控陣?yán)走_(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶通信鏈路系統(tǒng)，極大地提高了戰(zhàn)機(jī)在信息共享和信息傳輸方面的性能[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]中美國(guó)發(fā)布了關(guān)于先進(jìn)多功能射頻試驗(yàn)平臺(tái)的初步技術(shù)報(bào)告，這標(biāo)志著多功能電子裝備一體化概念轉(zhuǎn)入實(shí)施階段。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中對(duì)多功能射頻系統(tǒng)的介紹，該系統(tǒng)采用的是分塊有源相控陣?yán)走_(dá)，僅僅實(shí)現(xiàn)了射頻前端的一體化集成，進(jìn)而一體化集成度較低。

為了更好地提升武器裝備系統(tǒng)硬件一體化的程度，文獻(xiàn)[6-7]中提出了能量共享信號(hào)這一概念。所謂能量共享信號(hào)是指具備多種信號(hào)能力的信號(hào)，也就是說(shuō)通過(guò)發(fā)射該信號(hào)能夠同時(shí)完成多種電子裝備系統(tǒng)的功能。最初這一概念被應(yīng)用于雷達(dá)與干擾一體化的實(shí)現(xiàn)，后來(lái)被引入到雷達(dá)通信一體化領(lǐng)域中來(lái)。對(duì)于基于信號(hào)共享的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)定位的同時(shí)，也要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

基于共享信號(hào)的概念，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就雷達(dá)通信共享信號(hào)的設(shè)計(jì)開(kāi)展了大量的研究。根據(jù)設(shè)計(jì)體制的不同，共享信號(hào)可分為如下幾類：基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、基于LFM、基于信號(hào)分離和基于偽隨機(jī)序列。文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)利用通信信息對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行調(diào)制來(lái)獲得一體化共享信號(hào)，雖然不存在通信信號(hào)占用雷達(dá)發(fā)射功率的問(wèn)題，卻存在著傳輸速率低的缺陷。

OFDM技術(shù)最初應(yīng)用在無(wú)線通信領(lǐng)域，Levanon和他的學(xué)生率先將OFDM編碼結(jié)構(gòu)引入到雷達(dá)領(lǐng)域[10]，提出了多載波相位編碼的概念。文獻(xiàn)[11-12]論述了超寬帶OFDM信號(hào)的成像能力、通信性能和抗干擾能力，并基于軟件無(wú)線電原理搭建了樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，未考慮OFDM信號(hào)的多普勒敏感性。R F Tigrek等人對(duì)OFDM信號(hào)處理進(jìn)行了研究，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償后采用頻域匹配濾波得到距離像，分析了OFDM信號(hào)的多普勒模糊問(wèn)題[13]。文獻(xiàn)[14-15]提出了基于調(diào)制符號(hào)的OFDM信號(hào)處理方法，在不存在多普勒頻移的情況下，可以解決調(diào)制符號(hào)的隨機(jī)性對(duì)處理結(jié)果產(chǎn)生的影響。

本文比較了頻域匹配濾波和基于調(diào)制符號(hào)處理的關(guān)聯(lián)與區(qū)別，分析了調(diào)制符號(hào)對(duì)信號(hào)多普勒敏感性的影響，明確了通信信號(hào)的隨機(jī)性對(duì)雷達(dá)脈沖壓縮和多普勒濾波的影響，并對(duì)一體化波形所造成的通信性能損失進(jìn)行了分析。

1 基于OFDM的一體化信號(hào)的雷達(dá)信號(hào)處理

為了增大探測(cè)距離，本文采用波形的循環(huán)前綴長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于通信系統(tǒng)，最長(zhǎng)可與符號(hào)長(zhǎng)度相等。基于OFDM的雷達(dá)通信一體化信號(hào)形式如圖1所示?？梢钥闯?，當(dāng)時(shí)間延遲小于循環(huán)前綴時(shí)長(zhǎng)，接收信號(hào)為發(fā)射信號(hào)的循環(huán)位移，對(duì)其進(jìn)行FFT、頻域匹配濾波后，得到結(jié)果僅會(huì)產(chǎn)生包含距離信息的相位旋轉(zhuǎn)，不存在ISI。

圖1 基于OFDM的雷達(dá)通信一體化信號(hào)

對(duì)于接收到的一體化信號(hào)回波，與射頻載波進(jìn)行混頻，得到基帶信號(hào)，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行A/D采樣、FFT變換，與發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域相乘(匹配濾波)或相除(基于調(diào)制符號(hào)的信號(hào)處理)，進(jìn)行IFFT得到距離像，多普勒濾波得到距離-速度二維像。下面討論頻域相乘(匹配濾波)或相除(基于調(diào)制符號(hào)的信號(hào)處理)的關(guān)聯(lián)與區(qū)別。

1.1 匹配濾波處理

由于OFDM信號(hào)屬于頻域調(diào)制信號(hào)，在頻域進(jìn)行匹配濾波較為方便，只需與發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域相乘，因此從頻域分析基于OFDM的一體化波形的雷達(dá)處理。其發(fā)射信號(hào)頻譜為：

(1)

(2)

將式中

項(xiàng)變?yōu)榫仃囆问?，向量a為OFDM的調(diào)制符號(hào)：

DbBa=K。

(3)

式中，B=

Db=diag[b]。

1.2 基于調(diào)制符號(hào)的處理

基于調(diào)制符號(hào)的信號(hào)處理與匹配濾波類似，區(qū)別在于頻域乘發(fā)射數(shù)據(jù)的共軛變?yōu)榕c發(fā)射數(shù)據(jù)相除：

(4)

可以用矩陣表示：

DcBa=K。

(5)

1.3 仿真結(jié)果

由上述可知，雷達(dá)的探測(cè)距離為循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，當(dāng)最大不模糊距離為15 km時(shí)，選取C波段，射頻載頻fc為4GHz，1 024個(gè)子載波，可得OFDM符號(hào)和循環(huán)前綴長(zhǎng)度T=Tcp=2R/c=100 μs。速度范圍vmax=c/(2fcTofdm)≈187.5 m/s，但由于OFDM信號(hào)存在多普勒敏感性，測(cè)量范圍無(wú)法達(dá)到vmax，為保證性能，取最大速度為37.5m/s。距離分辨率ΔR=cT/(2Nc)≈15 m。

當(dāng)發(fā)射數(shù)據(jù)調(diào)制方式為64QAM時(shí)，目標(biāo)距離為7 000m，速度20m/s，使用2種處理方式進(jìn)行脈沖壓縮的仿真處理結(jié)果如圖2所示，可以看出基于符號(hào)處理的方法副瓣較低。

(a) 匹配濾波

(b) 基于調(diào)制符號(hào)處理

2 調(diào)制符號(hào)對(duì)于探測(cè)性能的影響

下面以BPSK調(diào)制的OFDM信號(hào)為例，由于數(shù)據(jù)僅存在相位調(diào)制時(shí)，2種處理方式結(jié)果相同，因此只分析匹配濾波方法。調(diào)制符號(hào)對(duì)于OFDM信號(hào)探測(cè)性能的影響主要存在于多普勒敏感性和多普勒濾波兩方面。

2.1 調(diào)制符號(hào)對(duì)于多普勒敏感性的影響

一體化信號(hào)對(duì)于多普勒敏感性的影響主要由兩方面引起：① 為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)而采用較長(zhǎng)的OFDM符號(hào)導(dǎo)致子載波間隔減小，即Δf變小，造成系統(tǒng)對(duì)多普勒偏移更敏感；② 經(jīng)過(guò)隨機(jī)通信信號(hào)調(diào)制后，不同的調(diào)制符號(hào)所產(chǎn)生的多普勒敏感性有好有壞。

(a) fd=0

(b) fd≠0隨機(jī)通信信號(hào)

(c) fd≠0全1序列

(d) fd≠0 Zadoff-Chu序列

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，對(duì)通信信號(hào)的編碼可以有效降低匹配濾波的旁瓣，而匹配濾波的旁瓣特性僅與向量K的IFFT結(jié)果有關(guān)，因此將IFFT結(jié)果旁瓣特性較好的向量K所對(duì)應(yīng)的調(diào)制符號(hào)，作為可應(yīng)用的通信編碼集合，將發(fā)射數(shù)據(jù)映射到此集合，可以有效降低OFDM信號(hào)的多普勒敏感性，但會(huì)以損失通信速率為代價(jià)。

2.2 調(diào)制符號(hào)隨機(jī)性對(duì)于多普勒濾波結(jié)果的影響

多普勒濾波是對(duì)符號(hào)間進(jìn)行FFT，既是提取目標(biāo)速度信息的方法，又能對(duì)符號(hào)間能量進(jìn)行積累。由于不同OFDM符號(hào)所調(diào)制的通信數(shù)據(jù)不同，因此當(dāng)fd≠0時(shí)，不同OFDM符號(hào)匹配濾波結(jié)果各不相同，進(jìn)行符號(hào)間FFT所得積累效果較差。然而當(dāng)fd=0時(shí)，如果采用相位調(diào)制，則2種處理方式的結(jié)果均不會(huì)受調(diào)制符號(hào)的影響，但若采用正交振幅調(diào)制，只有基于調(diào)制符號(hào)的處理方式不受影響。發(fā)射隨機(jī)BPSK通信信號(hào)fd=0和fd≠0時(shí)，多普勒濾波結(jié)果如圖4所示，可以看出多普勒維旁瓣升高，積累效果變差。

(a) fd=0

(b) fd≠0圖4 信號(hào)處理結(jié)果

3 基于OFDM的一體化信號(hào)的通信性能

由于一體化信號(hào)的最大不模糊探測(cè)距離與OFDM符號(hào)長(zhǎng)度直接相關(guān)，即Rmax=Tofdm*c。因此，若要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)，符號(hào)長(zhǎng)度也必然增大。另一方面，對(duì)于一般的OFDM通信系統(tǒng)，循環(huán)前綴的長(zhǎng)度通常不超過(guò)整個(gè)OFDM符號(hào)的1/5，但本文所采用的一體化波形為保證探測(cè)距離，循環(huán)前綴占整個(gè)OFDM符號(hào)的一半。以15km的探測(cè)距離為例，當(dāng)調(diào)制方式為BPSK時(shí)，雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)的信息傳輸速率Rb=Nc/100μs。為提高通信速率，需增大子載波數(shù)量Nc，系統(tǒng)所占帶寬會(huì)隨Nc的增大而增大，同時(shí)系統(tǒng)的峰均功率比也會(huì)增加，對(duì)發(fā)射機(jī)的能力提出更高的要求。

此外，由上述內(nèi)容可知，脈沖壓縮得到的時(shí)域波形由向量K決定，如果對(duì)OFDM信號(hào)的多普勒敏感性有要求，可以選擇多普勒敏感性較好的編碼集作為通信碼集，由于摒棄了一部分編碼，也會(huì)對(duì)通信速率有所影響。

雖然較單純的OFDM通信信號(hào)，通信速率有所降低，但相較其他單載波方式的一體化信號(hào)，通信速率方面的優(yōu)勢(shì)明顯[16]。當(dāng)子載波數(shù)量為1 024時(shí)，Rb≈5Mbps，而且OFDM信號(hào)可以采用64QAM等調(diào)制方式進(jìn)一步提高通信速率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，證明OFDM信號(hào)可以通過(guò)增加符號(hào)長(zhǎng)度和循環(huán)前綴長(zhǎng)度增大探測(cè)距離，但會(huì)造成通信速率的損失。當(dāng)發(fā)射信號(hào)為相位調(diào)制時(shí)，頻域的匹配濾波與基于調(diào)制符號(hào)的信號(hào)處理結(jié)果相同；當(dāng)發(fā)射信號(hào)為正交振幅調(diào)制時(shí)，基于調(diào)制符號(hào)的信號(hào)處理所得結(jié)果旁瓣較低。在多普勒濾波結(jié)果中，由于發(fā)射信號(hào)隨機(jī)性造成的嚴(yán)重積累損失，是通信與雷達(dá)信號(hào)的固有矛盾，OFDM信號(hào)在fd=0時(shí)，處理結(jié)果不受發(fā)射信號(hào)隨機(jī)性影響。進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪幋a和多普勒補(bǔ)償，是解決OFDM信號(hào)多普勒敏感性和積累損失的有效途徑。本文討論的OFDM信號(hào)和相應(yīng)的處理方式有望實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率共享、通信速率高、探測(cè)和通信可同時(shí)進(jìn)行的雷達(dá)通信一體化，在未來(lái)各種以雷達(dá)和通信為核心的綜合電子系統(tǒng)中取得更高的系統(tǒng)性價(jià)比和綜合集成效益。

[1] 李朝偉，周希元.雷達(dá)通信信號(hào)偵察一體化技術(shù)[J].艦船電子對(duì)抗，2008，32(2)：5-11.

[2] 陳 楊，陳新年，顏振亞，等.一種綜合雷達(dá)信號(hào)偵察預(yù)處理方法[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2016,38(4)：78-81.

[3]TAVIKGC,HILTERBRICKCL,EVINSJB,etal.TheAdvancedMultifunctionRFConcept[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,53(3):1 009-1 020.

[4]MAZUMDERS,DURANDJP,MEYERSL,etal.High-bandDigitalPreprocessor(HBDP)fortheAMRFCTest-bed[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,53(3):1 065-1 071.

[5] 張明友.雷達(dá)-電子戰(zhàn)-通信一體化概論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[6] 徐崔春.雷達(dá)與干擾機(jī)一體化中信號(hào)共享的概念與波形設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2002.

[7]XUC,CHENT.ConceptionofSignalSharinginIntegratedRadarandJammerSystemandtheIntegratedSignalDesign[C]∥IEEE2002InternationalConferenceonCommunication,CircuitsandSystems,2002:502-505.

[8]XIEYa-nan,TAORan,WANGTeng.MethodofWaveformDesignforRadarandCommunicationIntegratedSystemBasedonCSS[C]∥2011FirstInternationalConferenceonInstrumentation,Measurement,Computer,CommunicationandControl,Beijing,2011:737-739.

[9] CHEN Xing-bo,WANG Xiao-mo,XU Shan-feng,et al.An Noval Radar Waveform Compatible with Communication[C]∥2011 International Conference on Computational Problem-Solving,Chengdu,2011:177-181.

[10] LEVANON N.Multi-frequency Complementary Phase-coded Radar Signal[J].IEE Proceedings Radar Sonar and Navigation,2000,147(6):276-284.

[11] GARMATYUK Dmitriy,SCHUERGER Jonathan.Conceptual Design of a Dual-use Radar Communication System Based on OFDM[C]∥MILCOM 2008,San Diego,CA,2008:1-7.[12] GARMATYUK Dmitriy,SCHUERGER Jonathan,MORTON Y T,et al.Feasibility Study of a Multi-Carrier Dual-Use Imaging Radar and Communication System[C]∥The 4th European Radar Conf.,2007:194-197.

[13] TIGREKR F,DE HEIJ W J A,GENDEREN Van P.Multi-Carrier Radar Waveform Schemes for Range and Doppler Processing[C]∥International Radar Conf.,2009:1-5.

[14] STURM C,PANCERA E,ZWICK T,et al.A Novel Approach to OFDM Radar Processing[C]∥IEEE National Radar Conference-Proceedings,Pasadena,CA,United States,2009:16-19.

[15] STURM C,WIESBECK W.Waveform Design and Signal Processing Aspects for Fusion of Wireless Communications And Radar Sensing[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(7):1 236-1 259.

[16] 易偉明，王 佐，王 晶.基于CP分解的UIMO-OFDM系統(tǒng)接收信號(hào)盲檢測(cè)[J].電訊技術(shù)，2015，55(2)：119-123.

張 馳 男，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向：雷達(dá)通信一體化。

高躍清 男，(1974—)，研究員。主要研究方向：信號(hào)與信息處理。

Research on Signal Processing Technique in Radar and Communication Integrated System Based on OFDM

ZHANG Chi,GAO Yue-qing

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

At the platform with limited space and power,the radar communication system can be realized by using the integrated technology based on OFDM,and the system has such characteristics as power sharing,high communication rate as well as synchronized detection and communication.This paper compares and analyzes two radar signal processing modes of integrated signal based OFDM.The detection performance of integrated signal based on OFDM is simulated,and the influence of modulation symbols on radar detection performance is analyzed in depth.Based on implementation of detection function,this paper analyzes the influence of signal integration on communication performance.An improved OFDM signal can implement such functions as high-speed communication and radar detection.

radar and communication integrated system;OFDM;radar signal processing;Doppler sensitivity

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.05

張 馳,高躍清.基于OFDM的雷達(dá)通信一體化信號(hào)處理技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2017,47(3):19-22,57.

2016-12-01

海洋公益性科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201505002)。

TP391.4

A

1003-3106(2017)03-0019-04