基于uqpsk和副載波的雷達(dá)信號(hào)調(diào)制

0雷達(dá)通信一體化應(yīng)用研究隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的內(nèi)涵和功能變得更加豐富。雷達(dá)不是一種單一的功能設(shè)備，而是一種綜合、系統(tǒng)、智能的設(shè)備。雷達(dá)朝著專業(yè)化、系統(tǒng)化、智能化的方向發(fā)展，以滿足一體化、層次化和全空間組合的聯(lián)合勘探需求。利用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互,是保證雷達(dá)多功能協(xié)同探測(cè)的基礎(chǔ)手段,雷達(dá)通信一體化應(yīng)用研究也開(kāi)展得越來(lái)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(jìn)一步催生了雷達(dá)通信一體化應(yīng)用研究。美國(guó)在APG-77有源相控陣?yán)走_(dá)上開(kāi)展了寬頻帶通信能力驗(yàn)證,在AMRFC、MIFRS、SMRF等多功能射頻系統(tǒng)中也開(kāi)展了雷達(dá)通信綜合一體化的研究。1對(duì)基本功能的特殊要求雷達(dá)主要完成非合作目標(biāo)的檢測(cè),而通信則主要是實(shí)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(duì)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(hào)由于對(duì)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(wèn)題是時(shí)間資源限制,二者分時(shí)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(hào)均無(wú)法使用;第三是時(shí)序同步問(wèn)題,分布式雷達(dá)和通信傳輸均存在節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的問(wèn)題。其他還有短脈沖猝發(fā)、時(shí)變信道等也對(duì)通信信息處理提出了更高要求。針對(duì)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,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(shí)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(duì)多普勒較敏感,且對(duì)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(shí)際采用的波形,提出了兩種較為簡(jiǎn)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副等載荷調(diào)制指數(shù)副載波波形是衛(wèi)星遙測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)多路信息的復(fù)用,載波調(diào)制為調(diào)相/調(diào)頻。實(shí)際上,無(wú)源雷達(dá)所使用的調(diào)頻立體聲廣播信號(hào)也存在副載波調(diào)制。副載波信號(hào)通常可以表示為顯然,該信號(hào)為恒包絡(luò)信號(hào),事實(shí)上CE-OFDM也是將OFDM信號(hào)進(jìn)行調(diào)相后得到恒包絡(luò)信號(hào),可以滿足雷達(dá)信號(hào)非線性飽和放大的需要以及通過(guò)副載波信號(hào)在頻率維的區(qū)分實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)與通信信號(hào)的同時(shí)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(hào)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(hào)的功率分配以及信號(hào)帶寬,當(dāng)只有一路副載波且為單頻信號(hào)時(shí),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(huì)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(shí),由于雷達(dá)輻射信號(hào)比常規(guī)通信信號(hào)強(qiáng)得多,如:SPY雷達(dá),其峰值功率孔徑積超過(guò)80dBW,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(hào)進(jìn)行適當(dāng)變化,主載波采用線性調(diào)頻信號(hào),副載波采用相位編碼調(diào)制,其表達(dá)式如下式中:μ為線性調(diào)頻斜率;β為副載波調(diào)制指數(shù);T為相位編碼碼片寬度;gn(t)為碼片波形,通常為方波。其模糊函數(shù)可以表示為對(duì)表達(dá)式中積分項(xiàng)進(jìn)一步分解為其中由于通信信息事先無(wú)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(shí)間無(wú)關(guān),且gn(t)為非歸零方波,則x(t)可以簡(jiǎn)化為可以得到則模糊函數(shù)可以表示為式中:χ1(τ,ξ)為單頻矩形脈沖信號(hào)的模糊函數(shù),在發(fā)射脈寬T1內(nèi)表示為對(duì)模糊函數(shù)取模的平方,并當(dāng)調(diào)制指數(shù)較小時(shí),可以近似表示為從式(8)中可以看出,在時(shí)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(méi)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。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(hào)碼元為0、1等概率出現(xiàn),其對(duì)模糊函數(shù)的影響將進(jìn)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(shí),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(cè)及通信傳輸?shù)囊筮M(jìn)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40Mb/s,QPSK調(diào)制,雷達(dá)主瓣輻射功率80dBW,旁瓣增益比主瓣小40dB,則40km的傳輸路徑,接收方收到的信號(hào)功率約為-60dBW,即使接收方品質(zhì)因數(shù)(G/T)僅為30dB,接收機(jī)收到的旁瓣載波與噪聲功率密度之比(C/n0)約為158dBHz,而考慮解調(diào)等損失,數(shù)據(jù)傳輸其所需C/n0大約為90dBHz,還有近70dB的余量,因此,副載波調(diào)制指數(shù)可以相當(dāng)?shù)汀．?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20dB,線性調(diào)頻帶寬5MHz,副載波帶寬16MHz時(shí),信號(hào)頻譜如圖3所示。該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)圖4可以看出,除了因?yàn)楦陛d波調(diào)制導(dǎo)致峰值下降約0.2dB及副瓣略有變化外,脈壓波形與理想脈壓相比幾乎沒(méi)有失真。調(diào)制指數(shù)較低的副載波信號(hào)可以滿足雷達(dá)通信一體化應(yīng)用,對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理影響很小。而對(duì)于通信信號(hào)的處理,可以利用主載波信號(hào)脈內(nèi)或脈間信息實(shí)現(xiàn)載波同步,也可以通過(guò)濾波等處理提取副載波信號(hào),再利用傳統(tǒng)的數(shù)字解調(diào)實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)處理。但是副載波調(diào)制信號(hào)頻譜效率較低,若要實(shí)現(xiàn)高速率信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸,則需提高信號(hào)帶寬,增加調(diào)制指數(shù),不僅會(huì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)能力帶來(lái)影響,且較低的頻譜效率也將對(duì)波束合成、信號(hào)處理等帶來(lái)影響。在某些場(chǎng)合下可以通過(guò)構(gòu)建彼此正交的雷達(dá)和通信信號(hào)實(shí)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(hào)。3信號(hào)路徑分析UQPSK是在QPSK基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),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(dú)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(jìn)行調(diào)制的結(jié)果,表示為顯然,該信號(hào)為恒包絡(luò)信號(hào)。對(duì)于雷達(dá)通信一體化波形而言,一個(gè)支路采用自相關(guān)性能較好的巴克碼等二元偽隨機(jī)序列構(gòu)建相位編碼的雷達(dá)信號(hào),另一個(gè)支路則為二相鍵控的通信信號(hào)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用,合理選擇兩個(gè)支路的不平衡度,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信同時(shí)工作。此時(shí),整個(gè)信號(hào)帶寬則由帶寬較寬的那個(gè)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(hào)帶寬由Q支路帶寬決定。與副載波信號(hào)分析相似,對(duì)UQPSK模糊函數(shù)和脈壓波形進(jìn)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(hào)支路的功率比與其正交的通信支路約大14dB。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(méi)有影響,脈壓仿真中加入了高斯噪聲。通過(guò)對(duì)UQPSK信號(hào)進(jìn)行載波提取,從而完成通信信息的處理,即使不平衡度達(dá)到10dB,也可以較好地實(shí)現(xiàn)載波的同步。而雷達(dá)回波信號(hào)信噪比較低,通常無(wú)法同通信信號(hào)那樣進(jìn)行載波提取,經(jīng)過(guò)傳輸信道的惡化,正交鑒相后I通道、Q通道支路會(huì)出現(xiàn)碼間干擾,可以簡(jiǎn)化為式中:фt為相位誤差;ak為二元偽隨機(jī)序列;bl為通信信息碼元。脈壓處理時(shí),顯而易見(jiàn),通信信息會(huì)對(duì)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(duì)結(jié)果影響不大。為了進(jìn)一步減少通信信息的影響,可以構(gòu)建正交的波形,即對(duì)通信信息進(jìn)行擴(kuò)頻處理,擴(kuò)頻碼與雷達(dá)的二元偽隨機(jī)序列正交,雷達(dá)脈壓處理時(shí),就基本可以消除正交支路的影響,但同時(shí)也降低了通信信息傳輸?shù)哪芰Α?超聲處理對(duì)多普勒的影響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(diǎn)應(yīng)用于不同的環(huán)境。副載波波形主信號(hào)采用線性/非線性調(diào)頻,對(duì)多普勒不敏感,雷達(dá)處理相