CN109688082A

CN109688082A - 一种基于ofdm载波联合优化的通信雷达一体化系统

Info

Publication number: CN109688082A
Application number: CN201910025384.5A
Authority: CN
Inventors: 胡苏�; 黄驿轩; 马仕勇; 唐万斌
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2019-04-26
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: CN109688082B

Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于OFDM的通信雷达一体化系统。该方法是在传统的OFDM系统基础上，发送端首先将待发送的比特流调制为数据符号，然后利用数据符号与和随机相位序列根据数据带宽比进行局部保留波形设计，得到RadCom频域信号，然后通过IFFT映射到时域，在添加CP(Cyclic Prefix)之后通过射频前端发射到信道中。在接收端，接收信号在去CP后通过FFT映射到频域，对其进行均衡以弥补信道失真，然后将均衡后的信号根据数据带宽比提取符号，最后通过符号解调得到比特信息。同时，发射端与接收端的频域信号将被用于雷达处理。该发明引入部分保留循环算法，能够在保持通信系统自身优势的前提下，灵活的分配带宽，并有效的降低PAPR，提高频谱利用率。

Description

一种基于OFDM载波联合优化的通信雷达一体化系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于OFDM载波联合优化的通信雷达一体化系统。

背景技术

众所周知，无线频谱是无线电通信中宝贵的自然资源，一般采用固定分配的方式，由政府机关授权使用。由于通信行业的迅速发展，无线频谱资源贫乏的问题日益严重，然而，大多数频段的频谱并没有被充分使用。这就造成了一些频带大部分时间内并没有被任何用户使用，而其他频带使用竞争则相对很激烈。在LTE技术中，OFDM波形的带宽使用可达到20MHz的一倍或数倍。而雷达应用中，为了保证探测精度，其带宽可达到数百兆至数千兆赫兹，其最小带宽为100MHz。为了在增加频谱利用率的同时分别满足通信与雷达应用的实际带宽需求，可通过部分保留波形设计算法将原通信系统的频带与相邻频带有机结合，达到增加频谱利用率与降低整体波形PAPR的目的。

部分保留波形设计算法的核心思想是，在通信频带上传输通信信号，并在相邻频段上传输优化的频域波形，将整体波形经过IFFT映射到时域后能够降低波形的PAPR，并将整体信号用于雷达探测，充分利用现有的通信频段与其相邻频段来实现通信雷达一体化。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于OFDM的RadCom(Radar and Communication，通信雷达一体化)系统的能够灵活分配带宽并有效降低PAPR的改进RadCom系统。传统的基于OFDM的RadCom系统在具备高数据率的同时，也存在问题，如带宽利用不符合实际需求与PAPR过高。在LTE技术中，OFDM波形的带宽使用可达到20MHz的一倍或数倍。而雷达应用中，为了保证探测精度，其带宽可达到数百兆至数千兆赫兹，其最小带宽为100MHz。传统的基于OFDM的RadCom系统是将整段频段同时用于通信传输与雷达探测，由于雷达实际最小带宽为100MHz，而通信实际带宽达不到此带宽，且OFDM固有的高PAPR问题会导致功率放大器效率低下。本发明提出了基于OFDM的RadCom系统，在保持通信高数据率的条件下，通过对相邻频带上频域优化波形的设计，达到灵活分配频谱与降低波形PAPR的目的。

本发明的技术方案为：

设OFDM的子载波集合为Ω，子载波总数为N。Ω^c定义为通信占用的子载波集合，N_c为用于通信的子载波数目。Ω^r定义为优化占用的子载波集合，N_r为其占用的子载波数目。Ω^c与Ω^r彼此正交：Ω^c∪Ω^r＝Ω，Ω^c∩Ω^r＝Φ，其中Φ为空集。基于部分保留迭代算法的频域信号结构图如图1所示，与分别为通信矢量与优化矢量，其中(·)^T为转置运算符号。用于通信的子载波数与总子载波数的比例定义为数据带宽比，即是w＝N_c/N。故，频域RadCom信号矢量定义为X＝C+D。

基于部分保留迭代算法的OFDM RadCom系统结构图如图2所示。在本一体化方案中。发送端结构示意图如图2所示，数据处理如下：

1)将用户bit流信息，通过QAM(Quadrature Amplitude Modulation)或PAM(PhaseAmplitude Modulation)调制为数据符号，同时生成随机相位序列。

2)根据设定的数据带宽比w，通过部分保留迭代算法将数据符号与随机相位序列转化为频域RadCom波形。部分保留迭代算法的具体步骤如下：

步骤1：令k＝0，根据数据带宽比w确定数据符号序列C，计算优化序列系数

利用随机相位序列生成初始优化序列其中为均匀分布于[0,2π)的独立随机变量，n＝N_c,N_c+1,...,N-1；

步骤2：开始第k+1次迭代，由得到的D^(k)，可得X^(k)＝C+D^(k)；计算X^(k)的IFFT，得到优化相位

ψ^(k)＝arg[IFFT(X^(k))]， (2)

其中IFFT(·)为IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)运算，arg(·)为取相位运算；

步骤3：利用ψ^(k)，可得到时域序列x：定义z＝FFT(x)，其中FFT(·)为FFT(Fast Fourier Transform)运算，则更新优化部分

步骤4：重复执行步骤2与步骤3直到以下条件得到满足

||D^(k)-D^(k+1)||²<10^-3或k>100， (4)

其中D^(k)为第k次迭代后得到的优化矢量，而准则k>100用于控制算法的运行时间。最终，D＝D^(k+1)，且X＝C+D。

3)将得到的RadCom频域信号X经过串并转换(S/P)后，一路信号被用于雷达处理，一路信号经过IFFT映射到时域，显然，对应的时域RadCom信号矢量为x＝IFFT(X)＝IFFT(D+C)。将所得信号通过并串转换(P/S)后，添加CP，最终通过包括数模转换(D/A)在内的射频前端将所得信号发射至信道中，即完成了发送端工作。

接收端的数据处理过程如下(如图2所示)：

1)首先对经过信道作用的到达信号进行接收，信号通过模数转换(A/D)后，去除CP，然后通过S/P，由FFT映射到频域得到频域接收RadCom信号将其分为两路，一路用于雷达处理，另一路进行信道均衡以补偿信道失真。均衡可采用MMSE(MinimumMean-Squared Error)或ZF(Zero Forcing)均衡器，MMSE与ZF均衡系数分别为

其中，H[k]为信道冲击响应的频域表示，ε_b与N₀分别为信号每比特能量与AWGN(Additive White Gaussian Noise)的功率谱密度。均衡后的信号可表示为频域信号与均衡系数相乘的IFFT：

2)将均衡后的信号通过P/S，根据数据带宽比w提取对应位置的接收通信符号，然后通过对应的QAM或PAM解调为比特流，即完成通信接收处理。

RadCom系统的雷达处理过程如下：

1)将N_f个OFDM频域符号对应的RadCom频域发射信号与RadCom频域接收信号分别按照每个完整的OFDM频域符号为一列的方式排成矩阵形式，即得到如下的矩阵，

与

2)将M_X中所有为0的元素变为1，进行矩阵元素一一对应的点除操作，得到商矩阵M_D＝M_Y/M_X。

3)对商矩阵M_D的每一列分别进行N点的IFFT操作，以提取环境目标的相关速度信息，再对前一步得到的矩阵的每一行分别进行N_f点的FFT操作，以提取环境目标的距离信息。

4)由上一步得到的矩阵的元素的绝对值可画出三维雷达显示图，利用预设门限高度可在三维雷达显示图中判别目标的数目、距离与相关速度的信息，即完成雷达处理。

基础OFDM符号时间为T，CP时间为T_cp，则完整OFDM符号时间为T_sym＝T+T_cp，且子载波间距为Δf＝1/T。本文采用的雷达处理方法可探测的目标最大距离为r_max＝Tc/2，最大相对速度为v_max＝c/(2f_cT_sym)，其中c与f_c分别为光速与载波频率，且此方法的距离分辨率为c/(2NΔf)，速度分辨率为c/(2N_ff_cT_sym)。

本发明的有益效果：

本发明是在传统的基于OFDM的RadCom系统上提出的一种基于部分保留迭代算法的可灵活分配频谱和降低波形PAPR的改进方案。该方法是在传统的基于OFDM的RadCom系统基础上，首先设置数据带宽比w，发射端根据w将数据符号与随机相位序列通过部分保留迭代算法生成低PAPR的频域波形，之后通过与传统OFDM系统相同的步骤将信号映射到时域并发射到信道中。接收端的数据解调为发射端的逆操作，除了在FFT之后增加了频域均衡。雷达处理则利用接收和发送频域信号进行阵列处理，得到环境目标的数量、距离与速度的信息。部分保留迭代算法可以将一段带宽灵活地分配为通信带宽与优化带宽，通过保留通信数据、优化整体波形得到低PAPR波形，可使RadCom系统不仅同时满足实际的通信带宽需求与雷达带宽需求，而且降低了功率放大器中的非线性失真并提升了功率放大器效率。

附图说明

图1为基于部分保留迭代算法的频域信号结构图。

图2为基于部分保留迭代算法的OFDM R_adC_om系统结构图。

具体实施方式

在发明内容部分已经对本发明的技术方案进行了详细描述，在此不再赘述。

Claims

1.一种基于OFDM载波联合优化的通信雷达一体化系统，设OFDM的子载波集合为Ω，子载波总数为N；定义Ω^c为通信占用的子载波集合，N_c为用于通信的子载波数目，Ω^r为优化占用的子载波集合，N_r为Ω^r占用的子载波数目；Ω^c与Ω^r彼此正交：Ω^c∪Ω^r＝Ω，Ω^c∩Ω^r＝Φ，其中Φ为空集；同时定义通信矢量优化矢量其中(·)^T为转置运算符号，用于通信的子载波数与总子载波数的比例定义为数据带宽比，即w＝N_c/N；频域通信雷达一体化系统RadCom信号矢量定义为X＝C+D；其特征在于，包括：

发送端

S1、将用户bit流信息，调制为数据符号，同时生成随机相位序列；

S2、根据设定的数据带宽比w，通过部分保留迭代算法将数据符号与随机相位序列转化为频域RadCom波形，具体为采用部分保留迭代算法：

S21、令k＝0，根据数据带宽比w确定数据符号序列C，计算优化序列系数：

S22、进行第k+1次迭代，由得到的D^(k)，可得X^(k)＝C+D^(k)；计算X^(k)的IFFT，得到优化相位：

ψ^(k)＝arg[IFFT(X^(k))]

其中IFFT(·)为IFFT运算，arg(·)为取相位运算；

S23、利用ψ^(k)，得到时域序列x：定义z＝FFT(x)，则更新优化部分：

S24、重复执行步骤S22与步骤S23直到以下条件得到满足：

||D^(k)-D^(k+1)||²<10^-3或k>100

其中D^(k)为第k次迭代后得到的优化矢量，准则k>100用于控制迭代时间；最终，D＝D^(k ⁺¹⁾，且X＝C+D。

S3、将得到的RadCom频域信号X经过串并转换，一路信号被用于雷达处理，一路信号经过IFFT映射到时域，即对应的时域RadCom信号矢量为x＝IFFT(X)＝IFFT(D+C)；将所得信号通过并串转换后，添加CP，通过包括数模转换在内的射频前端将所得信号发射至信道中，即完成了发送端工作；

接收端

S4、对接收信号通过模数转换后，去除CP，然后通串并转换，由FFT映射到频域得到频域接收RadCom信号将其分为两路，一路用于雷达处理，另一路进行信道均衡以补偿信道失真；

S5、将均衡后的信号通过并串转换后，根据数据带宽比w提取对应位置的接收通信符号，然后解调为比特流，即完成通信接收处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM载波联合优化的通信雷达一体化系统，其特征在于，步骤S4中所述雷达处理过程为：

S41、将N_f个OFDM频域符号对应的RadCom频域发射信号与RadCom频域接收信号分别按照每个完整的OFDM频域符号为一列的方式排成矩阵形式，即得到如下的矩阵，

与

S42、将M_X中所有为0的元素变为1，进行矩阵元素一一对应的点除操作，得到商矩阵M_D＝M_Y/M_X；

S43、对商矩阵M_D的每一列分别进行N点的IFFT操作，以提取环境目标的相关速度信息，再对前一步得到的矩阵的每一行分别进行N_f点的FFT操作，以提取环境目标的距离信息；

S44、由上一步得到的矩阵的元素的绝对值画出三维雷达显示图，利用预设门限高度在三维雷达显示图中判别目标的数目、距离与相关速度的信息，即完成雷达处理。