【最新成果】一种基于OFDM Chirp的雷达通信一体化波形设计与处理方法
雷达通信一体化波形设计是近年来的研究热点。有学者提出了利用正交频分复用(OFDM)信号的奇偶载波分别调制雷达与通信功能来实现一体化。但是OFDM通信系统一般采用循环前缀(CP)来避免多径效应带来的载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI),这会降低能量利用率,并会形成虚假目标,影响雷达性能;此外,传统的OFDM一体化信号对多普勒比较敏感,微小的多普勒频偏也会带来正交性能的严重下降。中科院空天院陈龙永等在此基础上,提出了一种新的波形设计和处理方法,该方法利用空白保护间隔替代循环前缀,可以在对抗多径效应的同时避免出现由于循环前缀引入的虚假目标,有效防止载波间干扰和符号间干扰。在信号处理方法上,提出了利用雷达发射信号的先验信息进行信道估计与补偿多普勒频偏的方法。与传统方法相比,降低了系统在导频与训练序列等资源上的开销,提升了能量利用率和频谱效率,并且改善了峰值旁瓣比(PSLR)、积分旁瓣比(ISLR)和通信误码率等指标。
图1 基于OFDM-chirp信号的雷达通信一体化波形设计与处理流程图
研究背景
雷达通信一体化是当下非常热门的研究领域,在抗震救灾、车辆组网、地形测绘等领域都非常的有意义。一种用于救灾的雷达通信一体化系统示意图如图2所示,飞机平台搭载可以用于探测成像的合成孔径雷达,在探索地形的同时与地面救援车辆保持通信,及时将探测结果进行传输。如果雷达与通信系统各自分立,没有进行一体化设计实现良好的兼容性,不仅会增加飞行平台的载荷重量,还可能发生两种功能互相干扰的情形,导致系统的整体性能下降。
图2 雷达通信一体化系统用于救灾
雷达系统与通信系统类似,都具有发射机、接收机等硬件终端,这也是雷达与通信可以实现一体化设计的基础。雷达与通信两类系统都存在信号发射部分和信号接收部分,并且都是经过无线传输。其区别在于雷达主要是获取目标或者说“信道”的信息,而通信主要是获取信源的信息。目的不同导致雷达与通信系统各自发展的时候,所应用的原理和指标都各不相同,不同功能的领域呈现烟囱式的发展结构。这也为雷达通信一体化设计带来了一些原始壁垒。OFDM信号作为4G/5G无线通信的波形,因其具备频谱效率较高、可有效对抗多径效应、子载波调制方式灵活、易于实现等优点和宽带可合成的特性,被广泛应用于一体化波形设计中。然而,传统的OFDM一体化信号设计中存在一些难以避免的缺点,比如使用CP抗多径干扰会降低能量利用率,并产生虚假目标,多载波模式对子载波间正交性要求较高,多普勒频偏对信号正交性影响较大等。
团队工作
针对上述问题,中科院空天院陈龙永研究员等对基于OFDM Chirp的雷达通信一体化波形设计方法开展研究,采用空白保护间隔替代循环前缀,来抑制ISI和ICI,并利用雷达信号来辅助信道估计,实现信道均衡和补偿多普勒频偏的效果,达到一体化信号协同工作的目的,实现频谱利用率和性能的提升。
该工作已发表在《雷达学报》2021年第3期论文“一种基于OFDM-chirp的雷达通信一体化波形设计与处理方法”(赵玉振,陈龙永,张福博,李焱磊,吴一戎)。
论文介绍
正交频分复用技术作为广泛应用于通信系统中的多载波信号,被广泛应用于雷达通信一体化波形设计中。将雷达与通信信号分别调制到不同子载波上是一种可以实现雷达通信一体化的方法,如图3所示。
图3 一体化信号设计方法
当多载波通信系统传输时存在多径效应,会产生ICI和ISI等现象。使用循环前缀可以使接收窗的时间内仅存在一个符号的信号,来消除ISI带来的影响。并且可以利用FFT的循环卷积特性,使接收信号在完整积分区间内各个子载波都是整数个周期,不同的到达时间只让信号发生了相位的变化,从而在进行信道均衡后可以将ICI的影响降到最低。
通过分析,循环前缀主要有两个作用:一个是维持子载波间的正交性,保证积分区间内子载波个数为整数;二是提供保护间隔,将可能存在的其他符号的信号去除。但是循环前缀会降低频谱利用率,并且引入虚假目标。所以本文提出采用空白保护间隔替代循环前缀的方法,采用空白保护间隔可以满足第二个作用,在接收信号时对信号进行符号分割,保证每个接收窗内仅存在当前符号,则可以实现消除ISI的目的,如图4所示,在加入CP和保护间隔后,ISI均可以得到抑制。对于ICI,可以通过选取合适的时间窗长度,使其大于每个符号的持续时间,而又不至于发生混叠,这样对于整个积分区间,不同子载波的周期数仍然是整数,如图5所示,所以可以抗载波间干扰。
图4 抗ISI原理图
图5 抗ICI原理图
OFDM等多载波信号具有多普勒敏感等问题。图6为存在多普勒频移的情况下,雷达与通信功能受到影响的结果。
图6 多普勒频偏带来的影响
OFDM系统中,一般采用训练序列来进行时间的同步和频偏的估计。在一体化系统中,如果添加同步序列,也会降低频谱利用率并破坏载波之间的正交性。所以本文提出可以利用已知的雷达信号进行频偏的估计。在不存在多普勒频偏时,如果直接对雷达信号所在频点进行抽取,并与频域参考信号进行匹配滤波,其功率输出最大。在存在多普勒频偏时,采用前文所述方法进行解调并频域抽取时,由于子载波频率发生偏移,解调时引入了干扰噪声,这对于匹配滤波的功率输出是没有贡献的。所以,找到雷达信号匹配滤波输出最大时的多普勒频率偏移即为多普勒频偏的估计值。
在接收端补偿多普勒频偏以后,雷达信号与通信信号为两组正交信号,利用其频偏交叉的特性,可以利用雷达信号的先验信息对信道进行估计,并在插值后得到通信信号的信道估计结果,实现信道均衡与同步等操作。用于一体化信号的信道估计方法如图8所示。同时该方法可以很容易的判断哪些子载波上的信号发生了深衰落,从而针对性的使用其他的子载波来进行大数据量的传输。
图8 一体化信号信道估计流程
图9给出了在多径情况下本文方法与使用CP方法的性能对比。可以看出,在存在多径时直接解调的误码率非常高,在进行信道估计以后,误码率性能得到了提升,并且采用本文提出的方法后,误码率性能要优于使用循环前缀并采用1/4子载波调制导频信号的传统方法。而且本文方法不需要导频信号,与传统方法相比,提升了频谱效率和能量利用率。
图9 多径情况下误码率性能对比
本文针对雷达通信一体化波形设计和处理方法开展了研究,提出了一种基于OFDM-chirp信号的一体化波形设计方法,分析了该方法设计的一体化信号在多普勒频偏存在时的性能退化机理,提出了相应的补偿方法和信道估计方法。与传统方法相比,本文所提方法的优点如表1所示。
作者简介
赵玉振(1995-),男,安徽人,中国科学院空天信息创新研究院博士研究生。主要研究方向为雷达通信一体化波形设计、MIMO SAR波形设计等。
陈龙永(1979-),男,安徽人,博士,研究员。主要研究方向为SAR三维成像技术理论与方法和电子系统一体化集成技术。
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编辑:高华 蒋文
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