[发明专利]一种基于正交频分复用的雷达通信一体化信号设计方法

摘要

该发明公开了一种基于正交频分复用的雷达通信一体化信号设计方法，属于雷达技术领域，涉及雷达通信一体化相关技术。本发明的解决方案是采用任意脉冲长度的OFDM波形作为雷达通信一体化信号设计的基础，首先利用时域限幅实现脉冲长度的任意化并限制信号的峰均值功率比，然后利用频域滤波与频域限幅保证信号的脉冲压缩性能，最后利用间隔式相位压缩法嵌入通信信息。该算法有效解决了传统雷达通信一体化设计方法中通信信息嵌入大幅降低OFDM信号的峰均值功率比性能与脉冲压缩效果的问题，从而实现了雷达系统与通信系统共用同一发射信号。

主权项

1.一种基于正交频分复用的雷达通信一体化信号设计方法，该方法包括：步骤1：初始化初始化步骤2到步骤4需要循环迭代的次数Q、迭代的初始值，假设OFDM信号含有N个子载波，不同子载波的频域复加权系数序列可以表示为：S＝[S0,S1,...,SN]T                      (1)其中，Sk表示第k个子载波的频域复加权系数，[·]T为向量转置运算；则OFDM信号的时域表达式为：其中，Δf＝B/N＝1/Tz表示相邻子载波的频率间隔，B表示信号的频宽，Tz表示OFDM信号一个周期内的时宽，TCP表示循环前缀的时间长度；式(2)中的信号进行采样，采样间隔Ts＝1/B＝Tz/N，得到时域离散序列：其中，sn表示第n个采样点的采样值，M表示距离分辨单元的数目的最大值，TCP＝(M‑1)Ts为循环前缀的时间长度，且N≥M；s＝[s₀,s₁,...,s_M‑2,s_M,...,s_N+M‑2]^T可以由S＝[S₀,S₁,...,S_N]^T经过N点FFT变换得到，所以频域复加权系数序列S与时域离散序列s等价，将交替对这两个序列进行约束，以作为算法迭代的初始值；步骤2：过采样及时域滤波与限幅首先将复加权系数序列S^(q)尾部扩展(L‑1)N个零，得到序列q表示第q次迭代；对序列做L×N点IFFT变换得到时域过采样序列于是，OFDM信号的峰均值功率比的估计值可以表示为：对时域过采样序列进行时域滤波，得到新的序列为：接着，给OFDM信号的峰均值功率比加入相应的约束，对时域离散序列进行限幅；将幅度过大的采样点的幅度限制在均值附近，限幅的控制因子为PAPR_d，使得限幅后时域离散序列中的元素的幅度应该满足：其中，为序列所有非零元素的平均能量；接着，对时域序列进行LN点FFT变换得到频域序列步骤3：频域滤波与限幅由于在时域进行了滤波及限幅会造成信号能量辐射到OFDM信号的频带外，为了抑制带外能量，需要对频域序列进行滤波，得到新的序列为：截取序列的前N个元素，为了保证接收信号的信噪比，需要给这N个元素的幅度的抖动加入相应的约束；信噪比保持因子可以表示为：其中，SNRm表示脉冲压缩后第m个距离分辨单元的信噪比，SNRmax,m表示恒模信号脉冲压缩后第m个距离分辨单元的信噪比；接着对序列的前N个元素进行限幅，限幅的控制因子为G_f，得到序列中的元素应该满足：其中，为序列中元素的平均能量；步骤4：通信信息的嵌入对序列进行间隔式线性相位压缩从而嵌入通信信息；首先，按照间隔γ选出待调制的元素：其中，F(·)表示调制(线性相位压缩)函数，ε＝0,1,...,(N‑1)/γ；接下来，进行线性相位压缩；线性相位压缩一种改进的相位调制方式，改进之处在于它放宽了PSK调制对相位的约束；当对应于第j个压缩区间的通信信息被发送时，线性相位压缩法可以表示为：其中，为的相位，为的相位；[e_j,e_j+σ]表示第j个压缩区间，假设压缩区间的数目为J，则满足e_j+1‑e_j＝e_j‑e_j‑1＝2π/J；σ为区间大小；然后，返回步骤2反复迭代，直到达到预先设置的迭代次数；步骤5：规范化处理，经过Q次迭代，得到频域复加权系数S(Q)；进行最后的时域滤波处理以保证信号满足循环前缀幅度为零；然后将得到的频域复加权序列进行归一化处理；接着，计算最后得到的OFDM信号的峰均值功率比及信噪比保持因子λ，并与预先设置的门限值PAPR0及λ0做比较，若峰均值功率比小于PAPR0且信噪比保持因子λ大于λ0则输出得到的OFDM信号作为发射信号；若不满足回到步骤1重新进行设计；步骤6：雷达接收端处理设雷达通信装置位于空中移动平台，在进行地面探测的同时，与地面站点进行通信；则雷达接收端接收到的信号为：其中，M₁表示M₁个距离分辨单元，对应于无线通信中的M₁条径；f_c表示载波频率，g_m表示第m个距离分辨单元的雷达反射截面积，为空中移动平台与第m个距离分辨单元之间的距离，c为光速，w(t)表示噪声，r_m(t)表示第m个距离分辨单元的回波；对式(12)中的信号进行采样，接着进行FFT变换，得到频域离散信号为：其中，[α₀,α₁,...,α_N‑1]^T为RCS序列的傅里叶变换，[S₀,S₁,...,S_N‑1]^T为发射信号的频域复加权系数，W_k表示噪声；由于雷达发射端和接收端位于同一平台[S₀,S₁,...,S_N‑1]^T已知，直接计算出[α₀,α₁,...,α_N‑1]^T；步骤7：通信接收端处理，位于地面站点的通信接收端接收到的信号为：其中，M₂表示无线信道包含M₂条经；为第条径对应的信道参数，为地面站点与引起第条径的反射单元间的距离；由式(12)、(14)可知，距离分辨单元数目的最大值M满足：M＝max{M1,M2}                      (15)对式(14)中的信号进行采样，接着进行FFT变换，得到频域离散信号为：其中，[β₀,β₁,...,β_N‑1]^T为序列的傅里叶变换，通过信道估计得到，再计算出[S₀,S₁,...,S_N‑1]^T；接着，解调取出通信信息；如果：则接收到的为信息为第j个压缩区域对应的通信信息；其中，为的相位，为接收端得到的带有噪声的频域复加权系数。