基于LFM 信號的探測通信一體化設計*

周 磊 陸 健 張 銳

（南京電子技術研究所 南京 210039）

1 引言

雷達探測和微波通信是現代電訊技術重要的應用，通常分別被賦予目標截獲跟蹤和信息傳輸交互的功能，并占用不同的頻段。但隨著系統內用頻設備數量和頻帶資源需求不斷上升，使得頻譜顯得過度擁擠，將系統內探測、通信等無線電設備進行一體化整合是未來重要的發展趨勢［1～3］。

分時和分頻是實現探測通信一體化最直接的手段，然而卻存在系統資源利用效率低、能量分散等缺點，對原系統的整合提升效果有限［4～5］。近年來時頻資源共享的探測通信一體化信號研究已取得了一定成果，總體可以歸為兩大類：一類為新體制探測通信一體化信號，調制方式包括線性調頻（Linear Frequency Modulation，LFM）多載波和正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等，這些方案基于多載波技術，具有通信速率高的優點，但其功率峰均比較高，經過雷達非線性功放時出現畸變，導致探測和通信功能下降［7～10］；另一類為對基于現有雷達信號體制的一體化信號，如對LFM 信號進行二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調制或最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）調制，這類信號探測性能接近LFM 信號，且有利于在現有雷達上工程實現［11～14］。

論文對LFM 信號進行相位調制以構造探測通信一體化信號，并針對系統時頻資源有限的特點，對一體化信號的調制、編碼和同步進行了優化。仿真和試驗結果表明，所設計的一體化信號在攜帶通信調制信息后仍能保持較好的探測性能，且易于在現有雷達中工程實現。

2 探測通信一體化架構

原理上，通信碼元（MODEM）接入點可選擇在原信息鏈路的任意位置，考慮到MODEM 和數據處理實施的便利性，結合常規雷達系統組成，分別對基帶接入、低中頻接入、高中頻接入和射頻接入進行對比［15］，如表1所示。

表1 一體化通信硬件方案性能對比

根據表1，直接使用現有一體化通信架構均存在一定的缺陷，考慮到目前任意信號波形產生技術已經有長足發展，在基帶調制的實現便利性優勢明顯，故采用從基帶調制通信碼元。

3 探測通信一體化具體設計

3.1 發射調制

在雷達常用的LFM 信號基礎上，采用連續相位調制（Continuous Phase Modulation，CPM），形成LFM-CPM一體化信號，調制流程如圖1所示。

圖1 信號調制流程

根據一體化信號調制流程，其信號基帶由探測信號基帶Sr（t）和通信信號基帶Sc（t）共同組成。其中Sr（t）采用幅度為A、調頻斜率為μ的LFM 信號，而Sc（t）采用連續相位調制：

其中，rect 為矩形窗函數，N 為一個脈沖內通信位數，T 為脈沖寬度，?（t，a）為調相碼。當調制階數為M，調制指數為h，關聯長度為L 時，?（t，a）可表示為

其中：

ai為雙極性幅度調制的通信符號序列，其取值范圍為-（M-1）到M-1 之間的整數。帶入Sr（t），一體化信號可以具體表述如下：

綜上，LFM-CPM波形如圖2所示。

圖2 LFM-CPM信號頻譜

在LFM-CPM 波形中，LFM 與脈沖式探測技術體制一致，CPM為恒包絡調制對非線性飽和功放的適應性好。

3.2 發射編碼

針對系統資源有限的特點，采用極化碼可兼顧高編碼效率和低譯碼延時［16～18］。極化碼的構造規則較為固定，生成矩陣僅與碼長相關并由碼長唯一決定。因此極化碼構造的主要研究內容是各個子信道的可信程度，論文采用密度進化法，通過輸入概率密度函數，計算經過譯碼后的分布，判定各個子信道的容量。

3.3 接收解調

對基帶過采樣數字信號進行解調，解調過程主要包括包含通信信號提取、匹配濾波、碼元檢測、干擾濾除和信道譯碼等，流程如下。

1）信號提取：根據脈沖起始和脈寬對接收信號進行截取，然后將截取得到的信號與LFM 信號的共軛相乘，最后得到CPM基帶信號；

2）匹配濾波：根據CPM 信號帶寬對輸出信號進行FIR濾波；

3）碼元檢測：采用最大似然檢測方法，將接收數據與本地所有碼組作滑動相關運算，取相關性最大的碼組作為解調碼元；

4）干擾檢測與擦除：根據每個脈沖的信噪比來檢測干擾脈沖，對存在干擾的脈沖進行擦除；

5）信道譯碼：將多脈沖數據復接后進行信道譯碼，得到解調數據。

4 驗證

4.1 仿真驗證

通過模糊函數評估一體化信號的探測性能［19～21］。由于連續相位調制具有恒模特性一體化信號的速度模糊函數與LFM 信號相同，但通信符號的引入影響了距離模糊函數。匹配濾波器下一體化波形與LFM信號探測性能對比如圖3所示。

圖3 Nb=80bit雷達脈沖性能仿真結果

從仿真結果可以看出距離模糊函數保持了單峰的特征。分別仿真單個脈沖傳輸不同比特數誤碼率性能，如圖4所示。

圖4 不同Nb條件下誤碼率仿真結果

綜上，單脈沖傳輸數據量為80bit 可較好地兼顧探測與通信性能。

4.2 試驗驗證

4.2.1 試驗系統

研制了探測通信一體化試驗模塊，并搭建如下試驗系統。

如圖5，試驗模塊將一體化信號發射至轉發機，疊加多普勒頻移后經過衰減器返回至試驗模塊接收端，對接收的信號進行通信碼元分析。

圖5 一體化通信試驗系統

同時，通過試驗模塊內置存儲器記錄接收數據，對接收數據進行后處理，從而進一步評估通信和探測性能。

4.2.2 通信能力試驗

采用傳輸灰度圖的方式對通信能力進行驗證。考慮到系統的單幀傳輸能力有限，需要將圖片文件進行分包傳輸，發送圖像和接收圖像對比如圖6。

圖6 發送圖像與接收圖像

根據比對結果，發送和接收圖像一致；同時碼元分析表明，傳輸圖像時無丟幀，瞬時傳輸速率為3.2Mbps。

4.2.3 探測能力驗證

受限于試驗條件，采用對一體化信號疊加多普勒頻移，再進行信號脈壓的方式進行一體化信號探測能力驗證。當疊加3 馬赫多普勒頻移時，信號脈壓結果如圖7所示。

圖7 脈沖壓縮結果

試驗結果表明，在目標疊加3 馬赫徑向速度時，一體化信號脈壓主副瓣比大于12dB，接近常規LFM信號，從而實現了探測和通信一體化。

5 結語

論文在LFM 信號基礎上，通過疊加CPM 調制實現探測和通信一體，并基于極化編碼和前導同步提高編碼效率、解碼速度和時間利用率，通過仿真和試驗驗證了該一體化信號具有與常規LFM 類似的脈壓性能，同時可實現脈沖式通信，有助于促進信息電子設備多功能一體化。