雷達(dá)通信一體化波形應(yīng)用研究

袁 剛

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)的內(nèi)涵和功能將更加豐富，雷達(dá)不再是單一的功能設(shè)備，而是一種綜合化、系統(tǒng)化、智能化的設(shè)備，雷達(dá)將朝著網(wǎng)絡(luò)化、體系化方向發(fā)展，以滿足一體化、層次化、全空域的協(xié)同探測需求。利用通信技術(shù)實現(xiàn)信息交互，是保證雷達(dá)多功能協(xié)同探測的基礎(chǔ)手段，雷達(dá)通信一體化應(yīng)用研究也開展得越來越廣泛。特別是隨著有源相控陣體制雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，其靈活的波束調(diào)度以及多波束性能，進一步催生了雷達(dá)通信一體化應(yīng)用研究［1-2］。美國在APG-77有源相控陣?yán)走_(dá)上開展了寬頻帶通信能力驗證，在 AMRFC［3］、MIFRS、SMRF 等多功能射頻系統(tǒng)中也開展了雷達(dá)通信綜合一體化的研究。

1 雷達(dá)通信一體化面臨的主要問題

雷達(dá)主要完成非合作目標(biāo)的檢測，而通信則主要是實現(xiàn)合作目標(biāo)的信息傳遞，二者的應(yīng)用背景差異較大，對調(diào)制波形的需求也不盡相同。雖然各種低截獲波形，包括多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)的研究日益廣泛，但單一信道的線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等仍是常規(guī)雷達(dá)的主要應(yīng)用波形，其中，相位編碼信號由于對多普勒較敏感，應(yīng)用受到了一定限制。

雷達(dá)通信一體化面臨的首要問題是時間資源限制，二者分時工作將極大限制雷達(dá)和通信的效能;其次是非線性功放限制，頻分多載波、正交頻分復(fù)用(OFDM)等非恒包絡(luò)形式的信號均無法使用;第三是時序同步問題，分布式雷達(dá)和通信傳輸均存在節(jié)點間時間同步的問題。其他還有短脈沖猝發(fā)、時變信道等也對通信信息處理提出了更高要求。

針對雷達(dá)通信一體化應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者也提出了多種調(diào)制波形［4-5］，特別是恒包絡(luò) OFDM(CE-OFDM)調(diào)制波形具有很好的頻譜效率，可以實現(xiàn)非線性功放條件下雷達(dá)與通信一體化信息處理，但其對多普勒較敏感，且對正交性有較高要求，處理方式較為復(fù)雜。本文利用較常用的通信調(diào)制方式，結(jié)合常規(guī)雷達(dá)實際采用的波形，提出了兩種較為簡便的雷達(dá)通信一體化應(yīng)用波形，分別為副載波調(diào)制和非均衡四相鍵控(UQPSK)調(diào)制波形。

2 副載波波形應(yīng)用

副載波波形是衛(wèi)星遙測遙控領(lǐng)域一種比較常用的調(diào)制波形，其副載波調(diào)制通常為相位編碼調(diào)制(PSK)，用來實現(xiàn)多路信息的復(fù)用，載波調(diào)制為調(diào)相/調(diào)頻。實際上，無源雷達(dá)所使用的調(diào)頻立體聲廣播信號也存在副載波調(diào)制［6］。

副載波信號通常可以表示為

顯然，該信號為恒包絡(luò)信號，事實上CE-OFDM也是將OFDM信號進行調(diào)相后得到恒包絡(luò)信號［7］，可以滿足雷達(dá)信號非線性飽和放大的需要以及通過副載波信號在頻率維的區(qū)分實現(xiàn)雷達(dá)信號與通信信號的同時傳遞。

需要注意的是調(diào)制指數(shù)β和副載波中心頻率ωi的選擇。副載波中心頻率主要與副載波帶寬相關(guān)，要盡量避免副載波信號頻譜之間的干擾。調(diào)制指數(shù)則直接影響載波、副載波信號的功率分配以及信號帶寬，當(dāng)只有一路副載波且為單頻信號時，主載波與副載波功率比由調(diào)制指數(shù)為因變量的貝塞爾函數(shù)Jn(β)決定，且頻譜分量也會隨著調(diào)制指數(shù)的增加而變得更加豐富。

當(dāng)雷達(dá)與通信共用時，由于雷達(dá)輻射信號比常規(guī)通信信號強得多，如:SPY雷達(dá)，其峰值功率孔徑積超過80 dBW，再考慮雷達(dá)是雙程路徑衰減，而通信為單程路徑衰減。因此，將副載波信號進行適當(dāng)變化，主載波采用線性調(diào)頻信號，副載波采用相位編碼調(diào)制，其表達(dá)式如下

由于通信信息事先無法預(yù)知，按最極限情況考慮，發(fā)射脈寬內(nèi)碼片信息完全相同，即與時間無關(guān)，且gn(t)為非歸零方波，則x(t)可以簡化為

從式(8)中可以看出，在時間延遲軸切面將可能出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，周期與副載波頻率相關(guān)，影響程度直接與調(diào)制指數(shù)相關(guān)。在多普勒軸切面雖沒有多峰現(xiàn)象，但受2βsin(πf1τ)的影響而產(chǎn)生畸變，調(diào)制指數(shù)越小，影響越小，如圖1所示。

圖1 恒值碼元模糊函數(shù)仿真圖

多值和波形的畸變將導(dǎo)致近距離目標(biāo)的分辨能力下降，但通常情況下副載波通信信號碼元為0、1等概率出現(xiàn)，其對模糊函數(shù)的影響將進一步減小，從圖2可以看出，當(dāng)碼元等概率出現(xiàn)，調(diào)制指數(shù)為0.2時，影響基本可以忽略。

副載波調(diào)制指數(shù)可以根據(jù)雷達(dá)探測及通信傳輸?shù)囊筮M行優(yōu)化選擇。以海面艦艇C波段雷達(dá)視距內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸為例，若傳輸信息速率為40 Mb/s，QPSK調(diào)制，雷達(dá)主瓣輻射功率80 dBW，旁瓣增益比主瓣小40 dB，則40 km的傳輸路徑，接收方收到的信號功率約為-60 dBW，即使接收方品質(zhì)因數(shù)(G/T)僅為30 dB，接收機收到的旁瓣載波與噪聲功率密度之比(C/n0)約為158 dBHz，而考慮解調(diào)等損失，數(shù)據(jù)傳輸其所需C/n0大約為90 dBHz，還有近70 dB的余量，因此，副載波調(diào)制指數(shù)可以相當(dāng)?shù)汀?/p>

圖2 隨機碼元模糊函數(shù)仿真圖

當(dāng)副載波調(diào)制指數(shù)為0.2，即副載波功率比主載波功率低約20 dB，線性調(diào)頻帶寬5 MHz，副載波帶寬16 MHz時，信號頻譜如圖3所示。

圖3 副載波調(diào)制頻譜

該信號經(jīng)過非線性功放，功放模型采用經(jīng)典的Salehs模型，并加入噪聲，通過圖4可以看出，除了因為副載波調(diào)制導(dǎo)致峰值下降約0.2 dB及副瓣略有變化外，脈壓波形與理想脈壓相比幾乎沒有失真。

圖4 副載波調(diào)制脈壓信號波形

調(diào)制指數(shù)較低的副載波信號可以滿足雷達(dá)通信一體化應(yīng)用，對雷達(dá)信號處理影響很小。而對于通信信號的處理，可以利用主載波信號脈內(nèi)或脈間信息實現(xiàn)載波同步，也可以通過濾波等處理提取副載波信號，再利用傳統(tǒng)的數(shù)字解調(diào)實現(xiàn)通信信號處理。但是副載波調(diào)制信號頻譜效率較低，若要實現(xiàn)高速率信號遠(yuǎn)距離傳輸，則需提高信號帶寬，增加調(diào)制指數(shù)，不僅會對雷達(dá)探測能力帶來影響，且較低的頻譜效率也將對波束合成、信號處理等帶來影響。

在某些場合下可以通過構(gòu)建彼此正交的雷達(dá)和通信信號實現(xiàn)復(fù)用波形，提高頻譜利用率，UQPSK正是一種正交的調(diào)制信號。

3 UQPSK波形應(yīng)用

UQPSK是在QPSK基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)中得到廣泛應(yīng)用。其兩正交支路是由兩支不同的、獨立的數(shù)據(jù)流以不同的速率、不同的功率，甚至不同的碼型與兩路相正交的載波分別進行調(diào)制的結(jié)果，表示為

顯然，該信號為恒包絡(luò)信號。對于雷達(dá)通信一體化波形而言，一個支路采用自相關(guān)性能較好的巴克碼等二元偽隨機序列構(gòu)建相位編碼的雷達(dá)信號，另一個支路則為二相鍵控的通信信號。根據(jù)實際應(yīng)用，合理選擇兩個支路的不平衡度，實現(xiàn)雷達(dá)通信同時工作。此時，整個信號帶寬則由帶寬較寬的那個支路決定。如圖5所示，Q支路是I支路帶寬的8倍，合成后信號帶寬由Q支路帶寬決定。

圖5 UQPSK支路及合成信號頻譜

與副載波信號分析相似，對UQPSK模糊函數(shù)和脈壓波形進行了仿真分析，具體結(jié)果如圖6、圖7所示。其中，雷達(dá)支路采用31位的L序列，通信支路碼元脈寬是雷達(dá)支路的1/4，雷達(dá)信號支路的功率比與其正交的通信支路約大14 dB。

圖6 UQPSK模糊函數(shù)仿真圖

圖7 UQPSK脈壓信號波形

模糊函數(shù)結(jié)果和脈壓處理結(jié)果除了因通信支路分配了一定能量導(dǎo)致峰值下降外，其余特性基本沒有影響，脈壓仿真中加入了高斯噪聲。

通過對UQPSK信號進行載波提取［8-9］，從而完成通信信息的處理，即使不平衡度達(dá)到10 dB，也可以較好地實現(xiàn)載波的同步。

而雷達(dá)回波信號信噪比較低，通常無法同通信信號那樣進行載波提取，經(jīng)過傳輸信道的惡化，正交鑒相后I通道、Q通道支路會出現(xiàn)碼間干擾，可以簡化為

式中:φt為相位誤差;ak為二元偽隨機序列;bl為通信信息碼元。

脈壓處理時，顯而易見，通信信息會對結(jié)果產(chǎn)生影響，但是由于通信支路功率遠(yuǎn)小于雷達(dá)支路，且雷達(dá)支路存在脈壓得益，因此對結(jié)果影響不大。為了進一步減少通信信息的影響，可以構(gòu)建正交的波形，即對通信信息進行擴頻處理［10］，擴頻碼與雷達(dá)的二元偽隨機序列正交，雷達(dá)脈壓處理時，就基本可以消除正交支路的影響，但同時也降低了通信信息傳輸?shù)哪芰Α?/p>

4 結(jié)束語

本文所涉及的兩種波形可以滿足非線性功放的傳輸需要，并可以根據(jù)其波形特點應(yīng)用于不同的環(huán)境。副載波波形主信號采用線性/非線性調(diào)頻，對多普勒不敏感，雷達(dá)處理相對比較簡單，但頻譜的效率卻比較低。UQPSK信號雖然提高了頻譜效率，但存在碼間串?dāng)_，并且由于使用二元偽隨機序列，波形對多普勒較敏感。

雷達(dá)通信一體化波形在實際應(yīng)用中，還會存在許多使用問題，本文并未過多分析通信信號的處理，實際上由于雷達(dá)短時猝發(fā)以及傳輸環(huán)境的非線性，都會對通信信號的速率、編碼、幀格式、波形等帶來影響，這也是未來共用波形需重點考慮的問題。

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