余顯祥 姚 雪 楊 婧 陸 軍 崔國龍* 孔令講(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 成都 611731)(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 南京 211189)(鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 鄭州 450001)(嘉興學(xué)院浙江省醫(yī)學(xué)電子與數(shù)字健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 嘉興 314001)

1 引言

在電子信息系統(tǒng)對(duì)抗中，隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備被配備到各式作戰(zhàn)平臺(tái)，從而提升作戰(zhàn)平臺(tái)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的生存率。但同時(shí)裝備雷達(dá)、通信、偵察機(jī)和干擾機(jī)等多種電子設(shè)備，不可避免的會(huì)消耗大量的能源，增加彼此之間的干擾，增大作戰(zhàn)平臺(tái)的體積，因此這種傳統(tǒng)的功能疊加式的工作體制已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)敵方綜合性電子兵器。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的需要，有必要研究作戰(zhàn)平臺(tái)上多種電子設(shè)備的綜合一體化[1]。一體化系統(tǒng)具有資源集約化和功能互增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，解決了功能疊加式系統(tǒng)的資源浪費(fèi)、功能沖突、成本高和機(jī)動(dòng)性受限等缺點(diǎn)。

作為戰(zhàn)場(chǎng)“千里眼”和“順風(fēng)耳”的雷達(dá)和通信系統(tǒng)是作戰(zhàn)平臺(tái)的兩個(gè)重要組成部分，雷達(dá)和通信一體化具有理論上的可實(shí)現(xiàn)性。具體來說，二者在硬件系統(tǒng)上具有相似性，均配備諸如天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號(hào)處理器等設(shè)備。此外，雷達(dá)信號(hào)處理算法和通信檢測(cè)方法在信號(hào)處理理論上具有一致性。因此，一個(gè)綜合性探測(cè)與通信系統(tǒng)通過發(fā)射一體化信號(hào)，部分共享信道、天線、處理等硬件和軟件資源，以同時(shí)完成雷達(dá)探測(cè)與數(shù)據(jù)/信息通信功能將成為未來綜合無線電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

通感一體化(Dual Function Radar and Communication,DFRC)系統(tǒng)相關(guān)軍事項(xiàng)目最早見于1996年美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defence Advanced Research Projects Agency,DARPA)開展的先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)(Advanced Multi-function Radio Frequency Concept,AMRFC)項(xiàng)目[2,3]。在2009年，美國海軍研究辦公室(Naval Research Laboratory,NRL)實(shí)施集成上層建筑(Integrated Topside,InTop)項(xiàng)目，開展基于AMRFC的寬帶射頻組件和天線陣列的研究[4]。AMRFC的收發(fā)天線是分離的，其收發(fā)陣列孔徑大小是可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的，且可以同時(shí)形成多個(gè)接收波束來實(shí)現(xiàn)多功能同時(shí)工作。AMRFC的工作頻帶內(nèi)包含了4個(gè)不同的通信頻帶，可同時(shí)支持多達(dá)6個(gè)射頻鏈路來發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，其中最大下行鏈路視線數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)274 Mbit/s，最大上行數(shù)據(jù)率可達(dá)10.7 Mbit/s[3]。AMRFC測(cè)試平臺(tái)的海面雷達(dá)[5]發(fā)射低峰值功率、高占空比頻率調(diào)制信號(hào)，可在X波段和Ku波段自由選擇，增加了雷達(dá)工作的靈活性和與其他射頻功能的互操作性。在美國海軍發(fā)展AMRFC的同時(shí)，美國空軍也在研究發(fā)展“寶石柱(Pave pillar)”計(jì)劃，提高航電系統(tǒng)的一體化水平，并在F-22中得到了應(yīng)用。F-22戰(zhàn)機(jī)裝備的有源電子掃描陣列(Active Electronically Scanned Array,AESA)具有電子干擾和通信的能力，同時(shí)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描和跟蹤。在一定程度上，該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)-電子戰(zhàn)-通信一體化，但是，該多功能綜合射頻系統(tǒng)的傳感器孔徑和射頻電路仍是分離的。隨后，Northrop Grumman公司、L-3通信公司和洛克希德-馬丁公司提出了基于相控陣?yán)走_(dá)天線的通信系統(tǒng)[6]，在原有的AESA雷達(dá)上對(duì)其硬件進(jìn)行一定的更改，在雷達(dá)處理模塊上新增一個(gè)用來調(diào)制和解調(diào)通信的軟件，即可在雷達(dá)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信的雙重功能。在“寶石柱”計(jì)劃的基礎(chǔ)上，“寶石臺(tái)”計(jì)劃進(jìn)一步加強(qiáng)了多功能綜合射頻系統(tǒng)的一體化程度。通過在整個(gè)航電電子系統(tǒng)中更多的使用通用模塊，最大限度地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源共享，以及雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信和導(dǎo)航功能的綜合[7]?！皩毷_(tái)”計(jì)劃的代表性成果是F-35戰(zhàn)機(jī)。其研發(fā)開展時(shí)序如圖1所示。

圖1 相關(guān)軍事項(xiàng)目研發(fā)時(shí)序圖Fig.1 Timing diagram of related military projects

目前主流的以雷達(dá)探測(cè)功能為主的DFRC研究場(chǎng)景如圖2所示，包含一體化發(fā)射機(jī)、雷達(dá)接收機(jī)和通信終端。一體化信號(hào)經(jīng)上變頻發(fā)射，其中電磁波的一條傳播路徑為到達(dá)探測(cè)目標(biāo)，形成目標(biāo)回波，該回波經(jīng)雷達(dá)接收機(jī)接收，雷達(dá)信號(hào)處理提取目標(biāo)信息，同時(shí)另一條傳播路徑經(jīng)通信終端接收，下變頻解調(diào)后提取通信信息。其中，DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)是DFRC系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)，主要是指通過電磁頻譜共享方式，在空域、時(shí)域以及頻域等多個(gè)維度上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)和信息通信兩種功能的發(fā)射信號(hào)。其難點(diǎn)是在不損失/低損失雷達(dá)探測(cè)性能前提下，如何在空時(shí)頻多維度高效嵌入通信信息。從目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，可將面向感知應(yīng)用(探測(cè)功能為主)的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)按適用的一體化系統(tǒng)體制分類。典型的一體化系統(tǒng)為單輸入單輸出(Single-Input-Single-Output,SISO)與多輸入多輸出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)系統(tǒng)，其中，SISO系統(tǒng)僅需設(shè)計(jì)單個(gè)發(fā)射信號(hào)，MIMO系統(tǒng)則需設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)。

圖2 通感一體化研究場(chǎng)景示意圖Fig.2 Schematic diagram of the DFRC scenario

此外，另一類研究致力于以通信功能為主的一體化信號(hào)設(shè)計(jì)主要以信息傳輸功能為主，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)和通信功能[8–33]。其中，最常見的是基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信號(hào)的一體化信號(hào)設(shè)計(jì)[19–33]。本文是對(duì)以探測(cè)功能為主的一體化信號(hào)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀開展綜述，因而對(duì)以通信功能為主的一體化信號(hào)不做過多的闡述。

2 面向感知應(yīng)用的SISO系統(tǒng)DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

SISO一體化系統(tǒng)只配備單個(gè)發(fā)射天線，因此適用于該系統(tǒng)的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)只需完成單個(gè)信號(hào)設(shè)計(jì)。文章針對(duì)發(fā)射脈沖位置調(diào)制、基于典型雷達(dá)信號(hào)參數(shù)調(diào)制、頻域置零調(diào)制、模糊函數(shù)置零調(diào)制、全盲水印調(diào)制等信息傳輸方法分別展開論述。

2.1 基于發(fā)射脈沖位置調(diào)制的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

早在1963年，Mealey[34]利用不同脈沖位置的脈沖組來傳輸通信信息。具體來說如圖3所示，傳輸信息比特0時(shí)，在參考脈沖位置R0處有發(fā)射脈沖，傳輸信息比特1時(shí)，在參考脈沖位置R1處有發(fā)射脈沖。因?yàn)橐粋€(gè)脈沖組只能傳輸一個(gè)比特信息，通信傳輸速率非常低。該系統(tǒng)實(shí)際上利用PRI捷變進(jìn)行了信息調(diào)制。

圖3 脈沖位置通信信息調(diào)制示意圖(I1：第1個(gè)詢問脈沖，I2：第2個(gè)詢問脈沖，R0：比特0的參考脈沖位置，R1：比特1的參考脈沖位置，Rstart：開始標(biāo)識(shí)脈沖，P：該位置上存在脈沖，—：該位置上沒有脈沖)Fig.3 Diagram of pulse position for communication information embedding (I1:the first inquiry pulse,I2: the second inquiry pulse, R0:reference pulse position of bit 0, R1: reference pulse position of bit 1, Rstart: start identifying pulse, P: existing pulse at present position, —: without pulse at present position)

此外，美國在2007年公開的專利上提出了根據(jù)傳輸?shù)男畔⑦x擇不同的PRI實(shí)現(xiàn)在雷達(dá)平臺(tái)上構(gòu)建通信鏈路[35]，其原理框圖如圖4所示，該系統(tǒng)具有兩個(gè)PRI生成器的選通開關(guān)，根據(jù)傳輸信息進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)脈沖間信息調(diào)制。該方法并不改變雷達(dá)探測(cè)脈沖形式，但本質(zhì)上也是利用雷達(dá)的PRI變化實(shí)現(xiàn)信息傳輸，傳輸效率低。

圖4 采用不同PRI的DFRC系統(tǒng)Fig.4 DFRC system with different PRI

為提升利用雷達(dá)系統(tǒng)PRI捷變傳輸信息速率，2021年，西安電子科技大學(xué)全英匯教授團(tuán)隊(duì)[36]提出了基于索引調(diào)制的PRI捷變通信信息傳輸方法。假設(shè)在一個(gè)平均脈沖重復(fù)周期Tr內(nèi)，有Mp個(gè)位置可以作為發(fā)射信號(hào)的起始位置，則一個(gè)脈沖可以傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù)為N=log2Mp。通信信息傳輸示意圖如圖5所示。假設(shè)每個(gè)相干處理間隔(Coherent Processing Interval,CPI)傳輸一幀數(shù)據(jù)，其中第1個(gè)脈沖作為幀頭不承載數(shù)據(jù)，一個(gè)CPI包含NpNg個(gè)周期。將一幀數(shù)據(jù)流先轉(zhuǎn)換成Np?1行的并行數(shù)據(jù)，每一行數(shù)據(jù)為N位，然后一一映射到不同的PRI來實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制信息的嵌入。在通信接收端，將每個(gè)脈沖信號(hào)的PRI與Tr進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)其偏移量并映射到對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以完成通信信息的解調(diào)。在雷達(dá)信號(hào)處理端，將接收的回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并引入壓縮感知理論，利用稀疏重構(gòu)的方法，完成目標(biāo)檢測(cè)。上述利用PRI捷變傳輸信息的方法[34–36]，雖然沒有改變傳輸信號(hào)的時(shí)頻特性，但改變了脈沖多普勒雷達(dá)體制的PRI，從而影響了雷達(dá)探測(cè)的最大不模糊距離。

圖5 PRI捷變通信信息調(diào)制示意圖Fig.5 Schematic diagram of PRI agile for communication information modulation

2.2 基于典型雷達(dá)信號(hào)參數(shù)調(diào)制的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

由于具有良好的多普勒容忍度和大時(shí)帶寬積等特性，線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號(hào)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)中，部分工作通過調(diào)制LFM相位、載頻等參數(shù)構(gòu)成具有類LFM特征的DFRC波形。

2007年，加州大學(xué)洛杉磯分校的Saddik等人[37]探討了結(jié)合LFM信號(hào)與差分四相相移鍵控(Differential Quadrature Phase Shift Keying,DQPSK)調(diào)制的超寬帶雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)。然而，頻繁的相位跳變會(huì)帶來較大的諧波分量，且?guī)忸l譜泄露會(huì)增大誤比特率(Bit Error Ratio,BER)，因此數(shù)字調(diào)制中常采用連續(xù)相位調(diào)制(Continuous Phase Modulation,CPM)以加快功率譜密度衰減，減少頻譜泄露。為了利用CPM調(diào)制通信信息，我國王小謨?cè)菏繄F(tuán)隊(duì)[38,39]于2013年提出了最小頻移鍵控(Minimum Shift Keying,MSK)調(diào)制構(gòu)成的DFRC信號(hào)，從雷達(dá)角度看，該信號(hào)保持了LFM信號(hào)大時(shí)帶寬積的特性，從通信角度看，該信號(hào)是以LFM脈沖為載波的MSK調(diào)制信號(hào)。文中通過模糊函數(shù)分析了其雷達(dá)性能，其通信BER與MSK信號(hào)相當(dāng)[38,39]。上述結(jié)合LFM信號(hào)與相移鍵控調(diào)制的DFRC信號(hào)[37–40]均以增大原始LFM信號(hào)自相關(guān)函數(shù)旁瓣水平，降低原始LFM信號(hào)的多普勒容忍度為代價(jià)完成了通信信息的傳輸。

2018年，電子科技大學(xué)崔國龍教授團(tuán)隊(duì)[40]提出了一種LFM信號(hào)相位/調(diào)頻率調(diào)制的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)附加相位或調(diào)頻斜率以實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)LFM信號(hào)的調(diào)制，構(gòu)建一個(gè)具有良好自相關(guān)和互相關(guān)性能的共享信號(hào)庫。每個(gè)脈沖的發(fā)射信號(hào)均來自上述具有良好自相關(guān)和互相關(guān)特性的信號(hào)庫，利用發(fā)射信號(hào)的不同選擇來傳輸信息，采用最大似然方法對(duì)信息解調(diào)。若上述信號(hào)庫中有W個(gè)正交信號(hào)，則在一個(gè)脈沖重復(fù)間隔(Pulse Repetition Interval,PRI)時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為log2W。

除LFM信號(hào)外，面向感知應(yīng)用的通感一體化信號(hào)研究考慮將通信信息合理地調(diào)制于其他類型的信號(hào)上。例如，2017年美國的Sahin等人[41]提出了多相編碼頻率調(diào)制(Polyphase-Coded Frequency-Modulated,PCFM)-CPM的DFRC信號(hào)構(gòu)建法，并通過調(diào)整CPM的調(diào)制系數(shù)平衡雷達(dá)和通信性能。2020年桂林電子科技大學(xué)的楊超[42]研究了多斜率和多載波調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)波形的信息調(diào)制解調(diào)方法，以及雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)處理算法。

2.3 基于變換域調(diào)制的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

為了充分利用信號(hào)時(shí)頻空域特性，有效可控地平衡探測(cè)和通信性能，對(duì)DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)開始向變換域調(diào)制方向發(fā)展。其相關(guān)研究見于2018年電子科技大學(xué)崔國龍教授團(tuán)隊(duì)[43]提出的基于環(huán)境頻譜知識(shí)的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)方法。假設(shè)探測(cè)環(huán)境的干擾頻譜和可通信頻帶先驗(yàn)知識(shí)已知，且現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的工作帶寬絕大多數(shù)均大于通信系統(tǒng)的工作帶寬，抑制干擾頻帶能量以實(shí)現(xiàn)與其他通信系統(tǒng)頻譜共存，抑制DFRC系統(tǒng)預(yù)分配頻帶能量調(diào)制通信信息，其調(diào)制示意圖如圖6所示。在通信接收端，基于能量的大小檢測(cè)識(shí)別通信頻帶，從而實(shí)現(xiàn)信息的解調(diào)。文中綜合考慮DFRC信號(hào)的距離旁瓣抑制、通信信息嵌入、干擾頻譜兼容等信號(hào)性能函數(shù)和恒模約束條件，建立的信號(hào)設(shè)計(jì)問題模型如下：

圖6 頻譜置零調(diào)制示意圖Fig.6 Schematic diagram of frequency nulling for communication

其中，DFRC信號(hào)s有M個(gè)快時(shí)間采樣點(diǎn)，信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為r，為第l個(gè)通信頻帶的能量，E2為干擾頻帶的總能量。采用經(jīng)典的坐標(biāo)下降法(Coordinate Descent,CD)求解該優(yōu)化問題。但通信頻帶的數(shù)量有限，往往導(dǎo)致傳輸?shù)男畔⑺俾什桓?。由于通信信息的嵌入將部分頻帶置零，將會(huì)增大DFRC信號(hào)自相關(guān)函數(shù)旁瓣水平，從而影響雷達(dá)的探測(cè)性能。

2020年該團(tuán)隊(duì)提出了基于模糊函數(shù)賦形的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)架構(gòu)，通過抑制低多普勒區(qū)域的模糊函數(shù)局部旁瓣提升雷達(dá)探測(cè)性能，抑制高多普勒區(qū)域的局部旁瓣調(diào)制通信信息，抑制不同的局部旁瓣位置代表不同的通信信息。在通信接收機(jī)端通過模糊函數(shù)值的大小檢測(cè)識(shí)別被抑制的局部旁瓣位置，從而實(shí)現(xiàn)信息的解調(diào)。建立了最大化峰值模糊函數(shù)旁瓣電平比和恒模約束的優(yōu)化問題，其構(gòu)建的優(yōu)化問題如下：

2023年，該團(tuán)隊(duì)提出了基于數(shù)字水印的通感一體架構(gòu)[45]，將目標(biāo)參數(shù)、同步和通信信息分別視為非盲、半盲和全盲水印，通過借鑒數(shù)字水印使探通一體波形獲得與其相似的魯棒性、感知透明、加密、可逆自恢復(fù)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)需權(quán)衡性能、容量和穩(wěn)定性3個(gè)互斥因素。此外，提出了一種基于近端乘子法的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)方法，以水印形式在波形變換域調(diào)制通信信息，同時(shí)抑制波形PSL提升了SAR成像性能。

表1從信息調(diào)制方法的角度總結(jié)了SISO系統(tǒng)DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 SISO系統(tǒng)DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Summary of dual-function signal design methods in SISO system

3 面向感知應(yīng)用的MIMO系統(tǒng)DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

MIMO一體化系統(tǒng)配備多個(gè)天線，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，因此該系統(tǒng)能支持多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)同時(shí)發(fā)射，極大地?cái)U(kuò)展了DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)的自由度。本節(jié)從跳頻(Frequency Hopping,FH)信號(hào)參數(shù)調(diào)制、空域調(diào)制以及索引調(diào)制等信息調(diào)制方法分別展開論述。

3.1 基于FH信號(hào)參數(shù)調(diào)制的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

由于FH信號(hào)具有易實(shí)現(xiàn)、硬件處理相對(duì)簡(jiǎn)單、具有恒模特性適合雷達(dá)系統(tǒng)放大器工作等優(yōu)點(diǎn)，2017年Amin教授團(tuán)隊(duì)Hassanien等人[46]提出利用MIMO陣列將通信信息相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)調(diào)制在已有的正交FH信號(hào)簇中。若采用D進(jìn)制的通信信息調(diào)制方法，能夠在一個(gè)PRI時(shí)間內(nèi)傳輸log2D×Qf×Nt比特信息，其中Qf為跳頻子脈沖總數(shù)，Nt為發(fā)射天線總數(shù)。2020年該團(tuán)隊(duì)通過CPM調(diào)制通信信息，有效地抑制了PSK調(diào)制導(dǎo)致頻譜展寬[47]。2021年該團(tuán)隊(duì)討論了不同相位調(diào)制在DFRC信號(hào)自相關(guān)函數(shù)旁瓣抑制和頻譜展寬抑制方面性能的折中[48]。針對(duì)隨機(jī)通信信息調(diào)制帶來的自相關(guān)函數(shù)旁瓣抑制問題，研究了基于碼移鍵控(Code Shift Keying,CSK)的通信相位調(diào)制序列與FH碼片的聯(lián)合優(yōu)化[49–51]。2022年，該團(tuán)隊(duì)采用遺傳算法設(shè)計(jì)了CSK序列進(jìn)一步抑制了自相關(guān)函數(shù)旁瓣電平[51]。然而，由于DFRC信號(hào)為多個(gè)單頻子脈沖拼接的構(gòu)成形式，在保證各發(fā)射天線信號(hào)正交的前提下，該方法通信速率受限于信號(hào)的時(shí)帶寬積，雷達(dá)探測(cè)性能仍受限于較高的自相關(guān)函數(shù)旁瓣水平。

3.2 基于空域調(diào)制的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

部分研究則利用天線方向圖旁瓣幅度或者相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)通信信息傳輸，采用天線方向圖模板匹配結(jié)合實(shí)際的通信調(diào)制約束條件構(gòu)建了凸優(yōu)化問題并求解[52–59]。2016年，美國Amin教授團(tuán)隊(duì)[52–54]通過優(yōu)化設(shè)計(jì)多正交信號(hào)的加權(quán)矢量實(shí)現(xiàn)主瓣探測(cè)和旁瓣方向ASK通信。其陣列天線方向圖如圖7所示。以天線方向圖主瓣與方向圖模板主瓣的差異最小為目標(biāo)函數(shù)，約束其整體旁瓣電平以及根據(jù)傳輸?shù)男畔⒓s束通信接收機(jī)所在方向的旁瓣電平值構(gòu)建如下的優(yōu)化問題：

圖7 旁瓣方向ASK通信示意圖Fig.7 Schematic diagram of ASK communication on sidelobes

由于通過優(yōu)化設(shè)計(jì)多正交信號(hào)的加權(quán)矢量實(shí)現(xiàn)主瓣探測(cè)和旁瓣方向ASK通信[52–54]以及主、旁瓣P(guān)SK下行鏈路通信[56,57]的通信速率不高。

在2018年，Ahmed等人[58,59]提出了基于QAM調(diào)制的DFRC系統(tǒng)框架，在提升通信速率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多用戶通信。其陣列天線方向圖如圖8所示。求解下列優(yōu)化問題得到權(quán)矢量w。

圖8 旁瓣方向QAM通信示意圖Fig.8 Schematic diagram of QAM communication on sidelobes

2020年電子科技大學(xué)崔國龍教授團(tuán)隊(duì)[61,62]在不使用天線方向圖模板匹配的前提下，采用恒定模加權(quán)，采用波束合成手段控制方向圖旁瓣電平嵌入通信信息，實(shí)現(xiàn)通信信息傳輸和期望方向圖?？杀硎鰹橐韵聝?yōu)化問題：

其中，w為權(quán)重矢量，第1個(gè)約束為主瓣約束，其中??0和+?0為主瓣內(nèi)發(fā)射功率的上下限，第2個(gè)約束為通信方向旁瓣電平控制約束，第3個(gè)和最后一個(gè)約束為除通信方向外旁瓣電平約束，其中η1,η2為除通信方向外旁瓣方向發(fā)射功率的上限范圍，第4個(gè)約束為權(quán)矢量恒模約束。采用交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)求解優(yōu)化問題。上述利用陣列方向圖旁瓣電平的高低實(shí)現(xiàn)通信信息傳輸[52–54,58,59,61,62]，會(huì)使陣列方向圖的PSL增大，從而影響雷達(dá)的探測(cè)性能。

為使電磁能量聚集于感興趣的區(qū)域，增強(qiáng)探測(cè)、通信、反隱身以及低截獲等能力，可對(duì)發(fā)射波束的方向圖賦形。常見的空域波束賦形函數(shù)為發(fā)射方向圖積分旁瓣電平(Integrated Sidelobe Level,ISL)和與理想發(fā)射方向圖的均方誤差。因此可構(gòu)建以最小化空域波束賦形函數(shù)為準(zhǔn)則，通信調(diào)制約束和其他實(shí)際發(fā)射需求的信號(hào)約束下的優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)探測(cè)和通信性能的平衡可控。

2022年電子科技大學(xué)崔國龍教授團(tuán)隊(duì)[63]利用通信接收機(jī)方向空間合成信號(hào)xc,c=1,2,...,C的頻譜置零調(diào)制傳輸信息。其調(diào)制示意圖如圖9所示，在通信接收端，基于能量的大小檢測(cè)識(shí)別合成信號(hào)的通帶和阻帶，從而實(shí)現(xiàn)信息的解調(diào)。為了保證雷達(dá)的探測(cè)性能，以最小化天線方向圖ISL為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮主瓣寬度約束、發(fā)射信號(hào)的峰均比(Peak to Average Ratio,PAR)約束、發(fā)射信號(hào)能量約束以及通信信息調(diào)制約束構(gòu)建了如下DFRC信號(hào)優(yōu)化問題：

圖9 空間信號(hào)頻譜置零調(diào)制示意圖Fig.9 Schematic diagram of spectral nulling for modulation of signal on specific direction

2022年廣東工業(yè)大學(xué)的Wu等人[64]在通信方向功率約束的條件下完成了多天線空時(shí)相位編碼DFRC信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先獲得滿足雷達(dá)探測(cè)功能的發(fā)射天線方向圖，建立的優(yōu)化問題如下：

對(duì)通信接收機(jī)方向上的空間合成信號(hào)相位調(diào)制傳輸信息，假設(shè)通信接收機(jī)位于方位，則該空間指向上的合成信號(hào)(未加噪聲)為

2022年國防科技大學(xué)的唐波教授團(tuán)隊(duì)[65]在發(fā)射總功率和通信調(diào)制約束的條件下最大化信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)，實(shí)現(xiàn)了DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)。該信號(hào)不僅能向合作通信用戶傳輸信息，還可以向竊聽者傳輸錯(cuò)誤信息，建立的優(yōu)化模型如下：

3.3 基于索引調(diào)制的DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)

上述基于DFRC信號(hào)設(shè)計(jì)方法普遍存在通信速率低的缺點(diǎn)，不能滿足高速傳輸大數(shù)據(jù)量的需求，近年來，借鑒于通信系統(tǒng)中的索引調(diào)制[66–68]，通過對(duì)發(fā)射天線陣元、載波頻率、發(fā)射正交信號(hào)簇的選擇或者排序傳輸通信信息，極大地提升了通信速率。

2018年Amin教授團(tuán)隊(duì)[69]提出了采用置換矩陣混排發(fā)射的正交信號(hào)順序以調(diào)制通信信息，設(shè)計(jì)正交信號(hào)加權(quán)矩陣W以實(shí)現(xiàn)理想雷達(dá)波束圖。具體來說，Nt個(gè)陣元構(gòu)成的天線陣列發(fā)射信號(hào)為

采用該方法能夠在一個(gè)PRI時(shí)間內(nèi)傳輸log2(K!)比特信息。

在此基礎(chǔ)上，崔國龍教授團(tuán)隊(duì)[70]提出了ADMM的DFRC信號(hào)矩陣設(shè)計(jì)方法和基于交替方向懲罰(Alternating Direction Penalty Method,ADPM)的排序?qū)W習(xí)優(yōu)化解調(diào)方法，進(jìn)一步抑制了發(fā)射方向圖峰值旁瓣，有效解決了文獻(xiàn)[69]中窮舉解調(diào)維度爆炸問題。

2019年北京航空航天大學(xué)王向榮教授團(tuán)隊(duì)[71]通過稀疏陣列的正交信號(hào)排列和天線分配的聯(lián)合調(diào)制，獲得了更高的通信數(shù)據(jù)速率。從Nt個(gè)陣元的天線陣列中選擇K個(gè)作為當(dāng)前發(fā)射信號(hào)的陣元，發(fā)射正交信號(hào)矩陣Φ。則在方向通信接收端接收的信號(hào)為

其中，Q∈RK×Nt是選擇矩陣，P∈RK×K是置換矩陣。與正交信號(hào)集合Φ做匹配濾波后可得

對(duì)通信信息解調(diào)相當(dāng)于求解置換矩陣P以及選擇矩陣Q。采用的具體方法為

2022年，Amin教授團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)射正交信號(hào)的FHMIMO系統(tǒng)已提出的通信信息傳輸方案進(jìn)行了總結(jié)和比較，給出了聯(lián)合相位、天線上頻率分配的高速率通信方式。該方法能夠在一個(gè)PRI時(shí)間內(nèi)傳輸(log2DNt+log2())Qf比特信息，其中采用D進(jìn)制的相位編碼[73]。對(duì)通信信息解調(diào)即求接收到的各子脈沖的頻率以及調(diào)制的相位信息，具體來說，采用所有可能的單頻信號(hào)與接收到的每個(gè)子脈沖做匹配濾波，取其中的最大值作為接收子脈沖頻率的估計(jì)。采用鑒相器識(shí)別各接收子脈沖上調(diào)制的相位。如果采用發(fā)射天線上頻率選擇和排列組合的方式進(jìn)行調(diào)制，則能夠在一個(gè)PRI時(shí)間內(nèi)傳輸(log2(t！))·Qf比特信息。解調(diào)時(shí)只需采用所有可能的單頻信號(hào)與接收到的每個(gè)子脈沖做匹配濾波，取其中的最大值作為接收子脈沖頻率的估計(jì)。

圖10 MAJoRCom系統(tǒng)發(fā)射實(shí)例Fig.10 The transmitting example of MAJoRCom system

基于索引調(diào)制的通感一體化信號(hào)設(shè)計(jì)極大地提升了一體化系統(tǒng)的信息傳輸速率，但是需要建立信息比特序列映射表，因此對(duì)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有較高的要求。

表2從信息調(diào)制方法的角度總結(jié)了MIMO系統(tǒng)一體化信號(hào)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 MIMO系統(tǒng)一體化信號(hào)設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Summary of dual-function signal design methods in MIMO system

4 總結(jié)與展望

本文針對(duì)感知應(yīng)用的通感一體化信號(hào)設(shè)計(jì)開展了深入而全面的綜述。從時(shí)頻域和時(shí)頻空域信號(hào)設(shè)計(jì)存在的主要問題、挑戰(zhàn)和最新研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理。分別總結(jié)了適用于SISO一體化系統(tǒng)和MIMO一體化系統(tǒng)的信息調(diào)制方法。并且從通信誤碼率、通信速率、探測(cè)性能損失的角度分析了各種調(diào)制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

盡管對(duì)通感一體化信號(hào)設(shè)計(jì)的研究已做了相當(dāng)多的工作，本領(lǐng)域依然存在很多需要探索的研究方向。

(1) 一體化信號(hào)處理方法：面向感知應(yīng)用的一體化信號(hào)設(shè)計(jì)，改變了原有雷達(dá)信號(hào)的時(shí)空頻特性，可能導(dǎo)致經(jīng)典的雷達(dá)信號(hào)處理方法不再適用，未來的DFRC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是一體化信號(hào)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的雷達(dá)信號(hào)處理方法并行發(fā)展，因此針對(duì)特定一體化信號(hào)的處理方法研究勢(shì)在必行。

(2) 一體化信號(hào)的性能邊界：目前一體化信號(hào)設(shè)計(jì)的性能衡量準(zhǔn)則尚未深入考慮通信性能和探測(cè)性能相互影響，合理設(shè)計(jì)科學(xué)、有效、普適的一體化系統(tǒng)兩種功能邊界衡量準(zhǔn)則是值得進(jìn)一步研究的方向[77–82]。

(3) 多功能一體化系統(tǒng)：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境日趨復(fù)雜，有源無源干擾、地理環(huán)境相關(guān)的雜波以及己方、敵方、友方電子設(shè)備輻射的電磁波造就了日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，因此具有偵察、抗干擾、雜波抑制、探測(cè)以及通信性能的一體化系統(tǒng)是大勢(shì)所趨，未來依然可以從設(shè)計(jì)多功能一體化信號(hào)以及系統(tǒng)的工作體制著手開展多功能一體化系統(tǒng)的相關(guān)研究。

(4) 組網(wǎng)雙功能系統(tǒng)：?jiǎn)我徽军c(diǎn)上的DFRC系統(tǒng)的資源畢竟是有限的，將難以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境和作戰(zhàn)需求。因此需要研究全空間、全頻段意義下的組網(wǎng)雙功能系統(tǒng)，整合各站點(diǎn)的可利用資源，實(shí)施合理高效的資源調(diào)度，提升整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)和通信能力。

(5) 超大規(guī)模陣列一體化系統(tǒng)：為降低超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，低精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital Analog Converter,DAC)的一體化系統(tǒng)開始吸引研究者的注意力[83–85]。因此需要考慮在超大規(guī)模陣列一體化系統(tǒng)中硬件的復(fù)雜度和系統(tǒng)性能的折中。