基于擴頻的汽車雷達后向散射通信系統研究

黃 壯， 夏偉杰， 余思偉， 李 典

(南京航空航天大學雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室， 江蘇南京 211106)

0 引言

近年來，車路協同是智能交通和自動駕駛領域的發展方向之一，而汽車防撞雷達作為自動駕駛中必不可少的感知傳感器，基于汽車防撞雷達的車路協同技術逐漸成為研究熱點。因此，通過后向散射通信技術，在傳統汽車防撞雷達的基礎上增加路旁交通標志的標簽識別功能具有重要的研究和應用價值[1-3]。標簽識別功能不僅可以用于交通標志識別，還可以通過給汽車安裝標簽，實現簡單的車際通信，如轉向或剎車通知[3]，這都將有助于提高汽車的駕駛安全性。

后向散射通信是一種新興的無線通信方式，因為具備低功耗和系統復雜度低的優點，在射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)中得到廣泛應用[3-4]。在后向散射通信鏈路中，標簽通過反射部分射頻信號來產生后向散射調制信號，完成與閱讀器的通信任務。標簽的后向散射調制常通過調節天線阻抗來實現對反射信號的幅度、頻率或相位調制[4]。然而，由于標簽后向散射信號的能量較低，且隨著距離的增大而迅速減弱[5]。在實際道路環境中，標簽后向散射信號會被淹沒在車路目標回波、雜波和噪聲中，大大降低了后向散射通信系統的可靠性。

汽車防撞雷達最常用的信號體制是調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)體制。針對基于FMCW雷達的后向散射通信技術研究，文獻[6]提出一種基于頻率調制的后向散射雷達通信系統，在對標簽節點測距的基礎上增加了數據傳輸功能。文獻[7]提出一種基于相位調制的后向散射應答器，并在應答器與FMCW雷達詢問器之間建立單向通信鏈路。文獻[8]為解決后向散射通信信道中靜雜波和擴展多普勒雜波濾除問題，提出游程長度限制信道編碼。當前研究工作主要基于RFID應用背景，聚焦近距離標簽信息提取過程的驗證與實現，而沒有解決遠距離標簽后向散射信號能量弱的問題。

為了解決這一問題，本文在傳統汽車防撞雷達的基礎上設計一種基于擴頻編碼的 FMCW雷達后向散射通信系統，將直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)技術引入到標簽的后向散射通信中，不僅可以增強標簽目標信號，還可以區分車輛和標簽目標，使得汽車防撞雷達系統同時具有車輛目標檢測和標簽目標識別的探測-通信一體化功能。

1 FMCW雷達后向散射通信系統

1.1 系統總體框圖

系統框圖如圖1所示，雷達端發射FMCW信號并接收由標簽后向散射調制信號、車輛目標回波、雜波和噪聲組成的回波信號，經過接收機預處理后，由信號處理模塊負責回波信號處理和標簽信息提取，如圖2所示。

圖1 FMCW雷達后向散射通信系統框圖

圖2 雷達端信號處理流程圖

1.2 回波信號建模

系統基于FMCW體制雷達，發射信號為連續的線性調頻信號(Chirp信號)。定義信號參數為：初始頻率為f0，帶寬為B，調頻周期為Tp，調頻斜率K=B/Tp，單個Chirp脈沖信號表示為[9]

xt(t)=exp(j2πf0t+jπKt2)，t∈[0,Tp]

(1)

FMCW發射信號可表示為

(2)

假設一勻速運動的車輛目標，以相對徑向速度vcar遠離雷達，在t=0時刻與雷達的距離為Rcar，該車輛目標的回波時延τcar=2(Rcar+vcart)/c，其中c為光速，多普勒頻率fd=2vcar/λ(λ為信號波長)。不考慮目標反射回波強度傳播衰減的情況，車輛目標的接收回波可表示為

(3)

假設一靜止標簽目標，與雷達的相對徑向速度為vtag，在t=0時刻與雷達的距離為Rtag，來自該標簽目標的回波時延τtag=2(Rtag+vtagt)/c。驅動標簽后向散射調制的碼元序列為ak，碼率為Ra，碼元周期Ta=1/Ra，則標簽信息信號為

(4)

其中，標簽采用二相相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)調制[7]，ak={+1,-1}分別對應相位{0,π}，ga(t) 為脈沖寬度Ta的門函數：

(5)

標簽端引入擴頻編碼技術，即在信息碼后加入擴頻編碼。令ck為擴頻碼序列，碼率為Rc，碼元周期Tc=1/Rc，擴頻編碼信號為

(6)

式中，gc(t) 為脈沖寬度Tc的門函數。擴頻編碼是通過信息碼序列與擴頻碼序列直接相乘來實現[10]，則擴展后的碼元序列為

(7)

xt(t-nTp-τtag)

(8)

式中，φ為標簽與雷達之間的時鐘差。該時鐘差可通過在標簽信息碼中加入前導同步序列進行估計[11]，本文暫不考慮。

因此，包含多車輛目標、多標簽目標以及雜波和噪聲的回波信號可表示為

(9)

式中，Gcar為全部車輛目標的集合，Gtag為全部標簽目標的集合，n(t)為雜波和噪聲的集合。

1.3 車輛目標檢測處理鏈路

雷達端的車輛目標檢測處理鏈路主要包括兩個步驟：混頻和兩維快速傅里葉變換(2D Fast Fourier Transform, 2D-FFT)處理。

1) 混頻

回波信號處理之前需要經過混頻處理獲得中頻信號。混頻的具體過程為回波信號與本振信號(發射信號)在時域共軛相乘。混頻后的中頻信號表示為

(10)

2) 2D-FFT處理

混頻后中頻信號常采用2D-FFT處理來獲取目標的距離、速度信息[9]。通過對每個Chirp脈沖回波作距離FFT處理，得到差拍頻率fb,car；對距離FFT結果再作多普勒FFT處理，即可得到目標的多普勒頻率fd,car，則車輛的距離和速度為

(11)

若要獲取車輛目標的全部狀態信息，2D-FFT處理之后還需要進行恒虛警(Constant False Alarm Rate, CFAR)檢測、角度FFT等操作[9]，本文暫不討論這些處理過程。

1.4 后向散射通信處理鏈路

后向散射通信處理鏈路作用是檢測和提取標簽目標的原始碼元信息，主要包括解擴處理和相干解調兩個步驟。

1) 解擴處理

解擴過程與擴頻過程類似，用本地擴頻碼序列c′(t)與接收混頻后的信號sd(t)相乘[12]。c′(t)由雷達端生成，與標簽端的擴頻碼序列c(t)相同，但初始相位可能不同。本文暫不考慮擴頻碼的同步問題，即假設c(t)=c′(t)，由于汽車雷達工作距離在幾百米范圍內，回波時延較小，可忽略τtag/2給解擴處理帶來的影響，則解擴后信號為

sds(t)=sd(t)·c′(t)=

(12)

從式(12)可以看到，由于車輛目標回波和雜波、噪聲信號與擴頻碼序列不相關，在解擴處理中等效于進行一次擴頻，信號的功率譜幅度大大降低；而經過解擴處理后的標簽信號調制信息剛好恢復到原始碼元序列，功率譜也恢復到原始形狀。這對于在多車輛目標和強雜波、噪聲的道路環境下檢測標簽信號非常有利，同時也有利于標簽碼元信息的準確恢復。

2) 相干解調

標簽信息的提取采用相干解調的方法，相干解調包括相干相乘、低通濾波和抽樣判決三個步驟[3，11]。相干相乘即使用標簽目標的相干載波分量與解擴后的中頻信號共軛相乘得到基帶信號。相干載波分量的提取過程類似于車輛目標檢測處理過程，即通過2D-FFT和CFAR檢測提取標簽目標的回波中頻頻率f′b,tag和多普勒頻率f′d,tag，生成的標簽本地相干載波分量副本為

f′d,tagnTp]}

(13)

則標簽q相干相乘后的信號為

exp{j2π[(fb,tagi-f′b,tagq)(t-nTp)+

exp{j2π[(fb,carj-f′b,tagq)(t-nTp)+

(14)

若不考慮頻率估計誤差，即假設f′b,tag=fb,tag，f′d,tag=fd,tag，則相干相乘后可得到標簽信號的基帶碼元信號，再通過低通濾波，濾除其他目標回波信號和雜波的高頻分量。最后通過抽樣判決即可得到標簽碼元信息。

2 擴頻編碼參數設計

2.1 碼型選擇

擴頻技術有直接序列擴頻、頻率跳變擴頻、時間跳變擴頻以及混合擴頻方式。本文所提出的后向散射通信系統采用DSSS技術，直接在標簽端用高碼率的擴頻碼序列與碼元序列相乘，擴展信號頻譜，減小雜波與后向散射調制信號的相關性[10]。在雷達端用相同的擴頻碼進行解擴，恢復原始碼元序列，提高系統信噪比和抗干擾能力，有利于微弱標簽信號的檢測。

直接序列擴頻系統中的擴頻碼序列通常為偽隨機(Pseudo-Noise, PN)序列，m序列是一種容易產生、規律性強、性能優良的偽隨機序列，并且大多數偽隨機序列均基于m序列組成。因此，本文選用二元m序列作為實現標簽端擴頻編碼的擴頻碼。長度為2n-1的m序列可通過n級線性移位寄存器生成[12]。

2.2 碼率設計

雷達方程在雷達、通信系統設計、參數分析等方面發揮著十分重要的作用，式(15)為雷達方程的基本形式。

(15)

式中，Pt為發射功率，Gt,Gr分別為發射和接收天線增益，σ為目標RCS值，k為玻耳茲曼常數，T0為標準室溫，Bn為接收機帶寬，F為噪聲系數，Ls為系統損耗。

在式(15)中，加入脈沖壓縮增益BTp、相干積累增益M(M為Chirp脈沖數)和擴頻編碼的處理增益Gp，可得到標簽目標的雷達方程為

(16)

假設車輛目標RCS為σcardBsm，標簽目標RCS為σtagdBsm，根據式(16)可得，在相同距離處，標簽目標和車輛目標的回波信噪比要達到相同，擴頻編碼的處理增益須取為

(17)

Gp定義了擴頻系統信噪比改善的程度，處理增益越大，則系統抗干擾能力越強。

(18)

式中，Ba,Bss分別為擴頻前后的信號帶寬。因此，擴頻碼碼率大小可設計為

(19)

2.3 碼長設計

基于汽車防撞雷達的后向散射通信系統具有與傳統RFID應用場景不同的特點，RFID系統中閱讀器處于靜止狀態且標簽距離較近，而汽車平臺常處于高速運動中且標簽距離雷達較遠。因此，系統必須確保在一個距離門內完成標簽信息的快速提取，否則會出現跨距離門問題，導致標簽后向散射調制信號中包含多個中頻頻率，相干解調后則無法得到正確的基帶碼元信號。因此，要設計合理的擴頻碼碼長，保證系統在一個距離門內完成擴頻處理。

FMCW雷達的距離門寬度Δd=c/2B，假設裝載雷達的汽車平臺的最大速度為vmax，則一個距離門的時間間隔最短為

(20)

假設擴頻碼碼長為Nc，則Nc必須滿足

(21)

3 仿真結果與分析

3.1 仿真參數設置

系統主要仿真參數如表1、表2所示。

表2 FMCW雷達的信號參數

表1 FMCW雷達后向散射通信系統參數

設置標簽信息的碼元周期Ra=10 kHz，根據式(19)計算可得，Gp=σcar/σtag=20，而擴頻碼碼長需設為2的冪次方，故Gp取為32，則擴頻碼碼率Rc=32Ra=320 kHz；根據式(21)和脈沖數可設置碼長Nc=212。

仿真場景設置為包含3個車輛目標和2個標簽目標的道路環境，如表3所示。為了驗證系統的魯棒性，車輛2和標簽1目標設置在同一距離處。

表3 仿真場景目標設置

3.2 系統功能仿真驗證

1) 擴頻處理結果

圖3中僅取了標簽1的8位碼元序列，可以看到，低速的標簽碼元信號通過高碼率擴頻碼轉換成高碼率、不相關的擴頻信號。

(a) 標簽1碼元信息

2) 2D-FFT處理結果

雷達端在2D-FFT處理前可以通過選擇是否進行解擴處理來區分標簽和車輛目標。若不作解擴處理，標簽目標仍處于擴展狀態，可正常進行車輛目標檢測，如圖4(a)所示；若經過解擴處理，標簽信號恢復到原始慢碼元序列調制的狀態，而車輛目標回波和雜波、噪聲信號被擴展，譜密度降低，標簽目標即可突顯出來，如圖4(b)所示。同時，經過解擴處理，系統信噪比得以提高，使得微弱的標簽信號能被正確檢測。

(a) 不作解擴處理

3) 相干解調結果

圖5中黑色曲線為標簽相干解調低通濾波后的結果，灰色曲線為標簽原始碼元序列。可以看到，兩個標簽信息均能正確恢復，雖然標簽1信號存在同頻的車輛2目標干擾，但仍有較好的恢復效果，圖6的眼圖可更加直觀地觀察到標簽恢復結果。這說明了本文所提出的FMCW雷達后向散射通信系統能夠實現標簽識別功能，且具有較好的魯棒性。

(a) 標簽1低通濾波結果

(a) 標簽1碼元恢復眼圖

3.3 系統性能仿真分析

1) 擴頻增益性能分析

擴頻增益體現在標簽目標信號的增強和非標簽目標信號的抑制，圖7為解擴前后距離FFT頻譜對比圖，可以看到，標簽信號在解擴后增強了約15 dB。與理論擴頻增益Gp=10log(32)=15 dB基本一致，說明了系統的擴頻增益性能達到預期效果。

(a) 不作解擴處理

2) 誤碼率性能分析

圖8表示在不同信噪比下AWGN信道的誤碼率曲線圖，比較了系統在直接后向散射調制和基于直接序列擴頻技術這兩種狀態下的誤碼率性能。從圖中可以看出，在低信噪比環境下，基于擴頻技術的后向散射通信系統誤碼率性能得到改善。即使信號功率低于噪聲基底時，系統也能夠保持良好的誤碼率性能。

圖8 不同信噪比下誤碼率性能分析圖

4 結束語

基于汽車防撞雷達從目標探測單一功能升級到探測-通信功能一體化的背景，本文提出基于擴頻編碼的FMCW雷達后向散射通信系統，將DSSS技術應用到標簽的后向散射調制中，解決了標簽后向散射信號能量弱的問題。同時，針對標簽目標RCS較小和汽車平臺高速運動等特點，給出了擴頻編碼的碼率、碼長參數設計方法。與未加擴頻的后向散射通信系統相比，本文所提系統具有能夠區分車輛和標簽目標、在低信噪比環境下更低誤碼率的優點。系統若要工程實現，還需要考慮擴頻碼同步、抽樣脈沖同步和標簽防碰撞等問題，后續研究工作將針對完善系統功能、解決工程實現問題兩方面來展開。