雷达-通信一体化系统设计
2021-02-02
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第28卷第8期 计算机仿真 2011年8月 文章编号:1006—9348(2011)08—0001—04 雷达一通信一体化系统设计 邹广超 ,刘以安 ,吴少鹏 ,唐霜天 (1.江南大学信息工程学院,江苏无锡214122; 2.船舶重工集团公司724所,江苏南京210003) 摘要:针对13益复杂的电磁环境和目标威胁,作战平台一体化是军事对抗领域的强烈需求。研究在保持或很少影响雷达系 统性能的前提下,利用软件无线电技术将通信功能加载到现有的雷达系统中,实现雷达与通信的综合一体化设计。首先将 通信信号调制到雷达信号上,形成一体化信号进行发射,在接收端使接收信号先通过信号分离器,采用同态滤波和修正的盲 信号分离算法把雷达信号和通信信号进行分离,然后分别送通信信号处理单元和雷达信号处理单元进行处理,最后得到雷 达信号和通信序列。仿真结果表明,雷达与通信设备进行综合一体化设计是可行、有效的。 关键词:雷达一通信一体化;乘性信号分离;信号分离器;同态滤波;盲信号分离 中图分类号:TN955 文献标识码:A Design of Radar—Communications Integrated System zou Guang—chao ,LIU Yi—an ,WU Shao—peng ,TANG Shuang—tian (1.School of Information Engineering,Jiangnan University.Wuxi Jiangsu 214122,China; 2.Inst.724 of China Shipbuilding Industry Corporation,Nanjing Jiangsu 210003,China) ABSTRACT:Aiming at the increasingly complex electromagnetic environment and target threat,the integrated bat- tle platform is one of storng demands of Military conforntation ifeld.Under the premise of maintaining or litlte impact radar system performance,communication is loaded to the existing radar system using software radio technology,and radar and communication integration system is designed.Fisrtly,communication signal is modulated to radar signals, and integrated signal is formed and transmitted;then integrated signal is received through signal splitter,and the ra— dar signal and communication singal are separated by homomorphism filtering and blind sis, ̄l separation and then sent to communication singal processing unit and radar singal processing unit.At last,the radar signals and commu- nication singals are processed.『nle simulated results indicate that the comprehensive integrated desing of radar and communications equipment is feasible and efifcient. KEYWORDS:Integration of radar_communication;Multiplicative singal separation;Signal splitter;Homomor- phism filter;Blind singal separation 似之处。 。 1 引言 所以,对雷达和通信实施一体化设计,不仅条件已具备, 长期以来,雷达领域和通信领域由于受各自研究对象的 而且硬件资源共享也是可行的。对雷达系统和通信系统进 不同而被严格地区分,结果造成目前在电子对抗领域中形成 行有机结合和资源共享,不仅是未来作战平台电子综合一体 了两个主流方向的划分:雷达对抗和通信对抗。事实上,雷 化系统的主要发展方向,而且将雷达和通信实现多功能一体 达和通信作为信息获取、处理、传输和交换的典型方式,虽然 化设计,可极大地提高系统的作战能力,以及克服传统的情 在硬件设备和软件架构上有明显不同的区别,但从它们的工 报传递速度慢、保密性差和误报率高等方面的不足。 作原理、系统结构、工作频段等方面来看,两者又具有许多相 本系统在原有雷达系统的基础上加入通信调制/解调设 备,在发射端把通信信号调制到雷达信号上,产生雷达通信 基金项目:国防预研应用基础研究项目基金课题(A1420061266);中 混合一体化信号,并在接收端添加信号分离器分离还原两种 船重工集团公司724研究所资助项目 信号,分别对雷达信号和通信信号进行匹配滤波和解调,使 收稿日期:2010—05—31修回日期:2010—07—24 系统实现进行探测和通信的多功能化。 一1一 传播,使雷达具有通信功能,需将通信信号调制到雷达信号 2雷达一通信一体化设计方案 中,形成一体化信号。 2.1雷达一通信一体化系统设计 假设雷达发射的信号形式为: 雷达系统和通信系统在原理上都是电磁波的发射和接 c(t)=Acos(2 ̄f ̄t+0(t))=cl(t)c0s(2 £) (1) 收过程;在系统的结构上表现为两者子系统有相当大的重 其中 为载波的幅度 为载波频率; (t)为相位调制函数; 叠…。例如:天线、发射机、接收机、信号处理器等;在频率 c (t)=Ad “ 为雷达基带信号。则对于通信信号 (t),对 范围上,通信系统已经在以前只属于雷达范畴的频率上工 应的已调信号为: 作,而远程雷达也在VHF中原属于通信范畴的频率段上工 s(t)=c(t)x(t)=c1(t)x(t)cos(2 t) (2) 作;在信号特征上也不再明显(如低功率连续波信号),目前 其对应的功率谱为: 使用的频率复用技术也使现代雷达和通信信号相似等 。 42 ,从上述分析可以看出,尽管雷达和通信之间存在许多差 Js ∽=}[ (,一 )+ + )] (3) 异,但它们在原理和系统结构上仍具有许多相似性,所以,可 本系统中,雷达信号采用线性调频(LFM)信号,通信信号调 在雷达系统基础上,把通信功能加载到雷达系统上,用雷达 制方式采用BPSK调制方式。 天线、发射机和接收机完成所有收/发功能,用软件无线电技 术,合成和分离雷达与通信信号,以实现雷达通信系统的多 3雷达一通信一体化系统中的关键问题 功能和一体化。雷达一通信一体化系统设计框图如图1 本系统的关键问题在于信号分离器的设计。由2.2节 所示。 可知,本文研究的雷达通信一体化系统,其一体化信号的表 示是雷达载波信号与通信信号的乘积,所以,信号分离属于 乘法性信号分离问题,所以对乘法性信号分离问题的探索和 研究,是解决雷达通信一体化研究的关键技术之一。本文采 用同态滤波思想,先将一体化信号转换为加法性信号,然后 用修正的盲信号分离方法实现雷达信号与通信信号的分离。 3.1同态滤波 根据文献 所述:虽然对数运算是非线性变换。但是, 当研究对数函数Y=lnx时,可以发现:当参数 很小的时候, 它的斜率变化是非常剧烈的,具有明显的非线性;然而随着 参数 的逐渐增大,它的斜率变化也趋于平缓,当参数 很 大的时候,它的斜率变化非常不明显,可近似看为线性。所 圆 以,当一个信号它有很大的直流分量时,它取对数变换可以 圈1雷达一通信一体化系统框图 近似看为线性变换。所以,可以在雷达信号和通信信号混合 之前分别加上大直流分量c , ,然后再进行乘性混合,其形 图1中,虚线框内的部分为雷达系统的硬件资源,虚线 式为: 外的部分是为增加通信功能所需要增加的部分。由图1可 s=( +C1)(c+ ) (4) 知,雷达系统的发射机可兼作通信发射机,雷达天线同时兼 于是 作通信发射和接收天线,雷达接收机具有接收一体化信号的 /s=Ins=In[( +C1)(c+c2)] 能力。增加的“信号分离器”是将雷达目标回波信号和通信 =in( +C1)+In(c+c2)≈klX+ 2c (5) 信号分离,然后送往各自的信号处理器进行信号处理。这 3.2修正的盲源分离算法 里,雷达的发射机、天线和接收机与通信硬件共享,发射的信 盲源分离通常处理的模型为 =As,通过寻求线性变换 号为雷达一通信一体化信号,其既有探测目标功能又同时具 ,使得估计分量Y=Wx尽可能统计独立。这里 为已知的 有通信功能。对我方通信接收设备而言,只需要在接收机前 m维观测向量,s为未知的Ⅳ维源向量,且其各分量统计独 端增加软件无线电技术,将通信信号分离出来进行解码和恢 立;A为一个未知的M×N线性混合矩阵。 复即可获得通信信息;而对于雷达方,可在接收机后通过“信 盲源分离算法是针对阵列信号的,而对单一信号不适 号分离器”将目标回波信号分离出来,送雷达信号处理器和 用。而本系统中接收机采用单天线接收,因此,要对盲源信 数据处理器单元,进行相应处理提取目标有用信息并显示。 号进行修正,使其符合阵列信号的要求。以雷达信号作为参 2.2雷达一通信一体化信号调制方式 考信号,使接收信号经同态滤波后的信号和雷达信号组合成 为了将通信信息加载到雷达信号中,随雷达信号向空中 为一阵列信号。即: 一2一 [:】=【 1 2 】=[ 】[ 】 (6) 扩频处理,其扩频码为:[1,一1,1,一1]。 这样,就相当于采用了阵列天线,可以直接采用FastI— 示,为增强抗噪声能力,通信信号采用 扩频码进行了直接 为了.消除码间干扰,通信信号采用升余弦脉冲成型滤波 CA 算法了。 器产生,滤波器的冲激响应为: 又由于混合信号中已加入了雷达和通信信号的直流分 1,, r ’ 量,其均值已不再为0,雷达参考信号和混合信号组成的阵列 日∽=信号也不一定是两两相互独立的,这不满足进行盲信号分离 {÷{t…s[ ]), 的条件,所以,应进行信号的预处理。预处理的方法可参考 【 0. 文献[8]中的方法来实现。 Ifl ̄< 4系统性能分析 ≤l,I≤ l+ot (7) 为验证系统模型的正确性,采用mafia])对系统进行仿 真,得到以下结果。 l/l> 4.1发射信号性能分析 为滚降系数,在此系统中a取0.5。试验中,线性调频带宽 系统中,雷达信号采用LFM信号,通信信号采用BPSK B=1MHz,通信信号码元速率Fc=1MHz,滚降系数仅=0.5, 调制方式,组成混合信号。 采样频率Fs=4MHz,码片长度s=1000。仿真结果如图2 通信码元采用双极性码,“0”,“1”分别用“一1”,“1”表 所示。 LFM雷达信号波形 通信信号波形 混合信号波形 1 20 0 0 .1 口 1 2 3 4 (a)LFM雷达时域和频域波形 通信信号时域和频域波形 (c)线性调频雷达混合通信信号时域和频域波形 图2一体化信号波形及频谱 根据其波形及其信号模型,仿真其模糊函数,如图3 由此模糊函数的分析可知,通信信号调制到LFM雷达 所示。 信号上后,模糊函数呈图钉状,对雷达的探测性能几乎不影 响,说明了雷达与通信可以进行一体化信号设计。 模糊函数图 4.2接收信号性能分析 回波信号经接收机接收后,要先通过“信号分离器”,接 收信号经过信号分离器后的波形如图4、图5所示。 由图4和图5可以看出,雷达信号和通信信号已经基本 上被分离出来,接下来可以把雷达信号和通信信号分别送往 各自的信号处理单元进行处理,即雷达信号进行匹配滤波, 通信信号进行相关处理。得到的图形如图6、图7所示。 4.3雷达性能与通信性能之间的相互影响分析 10 雷达与通信进行一体化将会对原来的雷达系统和通信 系统产生影响,本系统分析了雷达与通信之间的相互关系。 图3混合信号模糊函数 得出以下结论: 1)通信传输速率 同雷达信号带宽曰的关系 一3一 混合信号分离出的雷达信号波形 雷达信号匹配滤波器输出 图4分离出来的LFM信号 图7雷达信号匹配滤波输出 混合信号分离后的通信信号波形 2 0 .用参数和前面章节相同。 . 表1不同多普勒频移下通信信号误码率 多普勒频移(Hz) 误码率 le一3 O.113 2 0 1 . 2 3 4 50 70 80 x ‘ 10 分离后 号频谱 分离后的通信信号频谱 x 10。。 0.25 这是由于采用盲源分离思想进行信号分离时,把发射的 雷达信号作为了参考信号,所以分离出的雷达信号已经滤掉 了运动目标多普勒频移的影响,分离信号送人雷达处理单元 图5分离后通信信号复包络 后,对运动目标不能分辨。并且在有多普勒频移的情况下, 还会影响通信信号的解码质量。 3)噪声对通信误码率的影响 分离后通信信号相关后的波形 5 0 在有噪声情况下接收的信号可表示为: s=c +n (8) .5 0 取对数之后 5000 10000 采样点 15000 Ins=lnc+lnx+lnf 1+。堡。1 、 “, (9) 根据式(9)可知,混合信号经“信号分离器”之后,可把 lnx分离出来,剩余Inc和噪声。噪声完全被分在通信信号 中,雷达信号不受噪声影响。 对信噪比对通信误码率的影响做统计仿真,结果如表2 所示。 表2信噪比对相似系数的影响 图6经过相关后的波形 在通信传输速率同雷达信号带宽具有以下关系: 0.IB≤ <B (10) 时,分离算法比较稳定。“信号分离器”能较好分离出雷达信 号和通信信号。 2)多普勒频率对系统性能的影响分析 本系统不能含有多普勒频移,否则效果会很差。但在多 普勒频移控制在50Hz内的时候,通过增加信噪比还可以使 通信信号受影响较小。仿真结果如表1所示。这里仿真所 ——由表2结果可知, (下转第32页) 4—— 该方法的有效性与可靠性。 表4雷达辐射源识别正确率 过程也很直观,进而克服了传统方法需要先验知识的不足以 及主观性影响大的缺点。仿真结果表明,本算法不需要大量 冗余的特征分类信息,决策树结构简单,识别率性能理想,是 合理可行的雷达辐射源识别算法。 参考文献: 雷达辐射源信号在经过发射、传输、接收等过程中会受 到各种因素的影响,各特征参数会呈现统计特性,所以对于 不同信噪比下的雷达辐射源识别正确率进行测试是有必要 的。如表4所示,该识别方法在高信噪比下识别正确率较 高。随着信噪比的下降,正确识别率下降较快,因为测粗糙 集对于噪声的影响非常敏感,经离散化处理后,噪声的影响 较明显,影响分类结果和识别正确率。 [1]张超政,关欣,何友.粗糙集在雷达辐射源识别中的应用[J] 中国电子科学研究院学报,2009,44(4):412—416. 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