CN113965441B - 基于随机步进频ofdm的雷达通信一体化信号生成和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和接收方法，包括：生成雷达通信一体化信号：将每个脉冲的步进频数调制在第一个脉冲的每个符号中；将待通信的用户信息调制在第二个脉冲的对应符号中；将通信信息调制在第三至最后的脉冲中；根据步进频数对每个脉冲的基带信号进行上变频并发送信号；接收雷达通信一体化信号：对第一个脉冲进行下变频并进行解调得到每个脉冲的步进频数；根据步进频数对第二个脉冲进行下变频并进行解调得到用户信息；根据步进频数对第三至最后的脉冲进行下变频并进行解调得到通信信息。本发明可以实现雷达通信一体化系统中的一点对多点通信，并利用每个脉冲的随机步进频实现特殊系统中的保密性通信。

Description

基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和接收方法

技术领域

本发明属于雷达通信一体化技术领域，具体涉及一种基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和通信接收方法。

背景技术

雷达通信一体化(Integration ofRadar and Communications,IRC)系统在发射端和接收端实现雷达探测和无线通信功能，具有很大优势，例如提高频谱利用率和频谱资源利用率，成为近年来研究的热点。雷达通信一体化系统被广泛地应用于无线雷达传感器网络，室内定位和活动识别，无人机监控和车联网等系统中。雷达通信一体化系统通常采用脉冲化的通信信号来同时实现探测和通信功能。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Modulation,OFDM)信号具有很多优良的特性，因此被应用于雷达和通信系统中。通信特性主要包括频带利用率高和抗多径效应，雷达特性主要包括高距离分辨率和无距离多普勒耦合。脉冲化的OFDM通信信号是雷达通信一体化系统经常采用的一体化信号。随机步进频信号可以将即时窄带宽信号合成有效大带宽信号，提高距离分辨率。在机载雷达通信一体化系统中，需要一种信号传输技术实现一点对多点和保密性通信，现有技术还无法实现这些要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和通信接收方法，能够保证雷达通信一体化系统的多用户、保密性通信。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和接收方法，包括如下步骤：

生成雷达通信一体化信号，具体生成方法为：

A1：将每个脉冲中随机步进频OFDM雷达通信一体化基带信号的步进频数调制在第一个脉冲的每个符号中；

A2：将待通信的用户信息调制在第二个脉冲的对应符号中；

A3：将通信信息调制在第三至最后的脉冲中；

A4：根据步进频数对每个脉冲的基带信号进行上变频并发送信号；

接收雷达通信一体化信号，具体接收方法为：

B1：对第一个脉冲进行下变频并进行解调得到每个脉冲的步进频数；

B2：根据步进频数对第二个脉冲进行下变频并进行解调得到用户信息；

B3：根据步进频数对第三至最后的脉冲进行下变频并进行解调得到通信信息。

进一步地，所述步骤A1中随机步进频OFDM雷达通信一体化基带信号的表达式为：

其中，N_p为脉冲数，p＝0，1，...，N_p-1；N_s为符号数，m＝0，1，…，N_s-1；N_c为子载波数，n＝0，1，…，N_c-1；c(n，m，p)为第p个脉冲、第m个符号、第n个子载波的通信调制信息，Δf为子载波频率间隔，T＝1/Δf为OFDM符号的时间宽度；T_cp为循环前缀的时间宽度，T_s＝T_cp+T为完整的OFDM符号的时间带宽；T_p为脉冲重复周期；rect(t)为窗函数，只有当t∈[0，1]时其值为1，否则其值为0。

进一步地，所述步骤A1中针对c(n，m，p)，采用不同的ZC(Zadoff-Chu)序列作为不同符号中子载波的调制信息。

所述步骤A1中规定N_s＝N_p，并且，规定ZC序列的个数为N_zc，序列的个数和脉冲数需要满足N_zc＞N_p；规定ZC序列的长度N_k＝N_c-1，改变参数μ生成N_zc个ZC序列，通过补零将其长度扩充为N_c并作为一个符号中不同子载波的调制信息；对N_zc个ZC序列进行编号得到且zc＝0，1，...，N_zc-1；

每个脉冲的步进频数d_p为0到N_p-1之间的随机数，将编号与第p个脉冲的步进频数d_p相等的ZC序列作为第一个脉冲中第m个符号的N_c个子载波的调制信息，且p＝m＝zc，至此，每个脉冲的步进频数调制在了第一个脉冲的每个符号中。为了在通信接收端得到不同脉冲的步进频数，要求d₀＝0。

所述步骤A2具体为：为了在雷达通信一体化系统中实现一点对多点通信，需要在一体化信号中携带用户信息。规定系统中用户的个数为N_u，用户的个数和符号数需要满足N_u≤N_s，规定N_u＝N_s，对N_u个用户进行编号得到且u＝0，1，...，N_u-1，将编号与待通信用户的编号相等的ZC序列作为第二个脉冲中第m个符号的N_c个子载波的调制信息，且u＝m＝zc，至此，待通信的用户信息调制在了第二个脉冲的对应符号中。

不需要通信的用户信息不用调制在第二个脉冲的对应符号中，需要一个替补序列作为该符号的N_c个子载波的调制信息，这个序列的编号为因此，序列的个数和用户的个数需要满足N_zc＞N_u，由于N_u＝N_s，N_s＝N_p，N_zc＞N_p，因此该条件容易满足。在实际中，存在多个用户不需要通信的情况，因此存在第二个脉冲中的多个符号的N_c个子载波的调制信息为替补序列。

进一步地，所述步骤B1具体为：由于已知第一个脉冲的载波频率为f_c+d₀B，且d₀＝0，在通信接收端对第一个脉冲进行下变频得到基带接收信号，对基带接收信号进行解调得到每个符号中的ZC序列，通过查表得到每个符号中ZC序列的编号即为每个脉冲的步进频数。

进一步地，所述步骤B2具体为：

在步骤B1得到了第二个脉冲的步进频数d₁，其载波频率为f_c+d₁B，在通信接收端对第二个脉冲进行下变频得到基带接收信号，对基带接收信号进行解调得到每个符号中的ZC序列；编号为U_u的用户利用编号为ZC_zc的序列与第m个符号中的解调序列进行相关运算，且u＝zc＝m，并根据运算结果判断是否为被通信用户。

进一步地，所述步骤B2中被通信用户的判断方法为：

判断所得归一化相关序列的2Nk-1个幅值，如果只有一个幅值大于0.5，说明所得序列为自相关序列，第m个符号携带的序列和与用户编号相同的ZC序列是同一个序列，该用户是被通信用户，需要继续接收一体化信号；如果有两个及以上的幅值大于0.5，说明所得序列为互相关序列，第m个符号携带的序列为替补序列，该用户不是被通信用户，不需要继续接收一体化信号。

有益效果：本发明与现有技术相比，利用ZC序列作为调制信息，保证了OFDM雷达通信一体化信号的低峰均功率比特性和其模糊函数的高峰值旁瓣比特性；通过携带用户信息，实现了雷达通信一体化系统中的一点对多点通信；通过每个脉冲载波频率的随机性，实现了特殊环境中的保密性通信。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为随机步进频OFDM雷达通信一体化信号模型示意图；

图3为长度31的ZC序列自相关函数图形；

图4为长度31的ZC序列互相关函数图形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供一种基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和接收方法，其包括雷达通信一体化信号生成和雷达通信一体化信号接收两部分，如图1所示，其包括如下步骤：

一、生成雷达通信一体化信号，具体生成方法为：

A1：将每个脉冲中随机步进频OFDM雷达通信一体化基带信号的步进频数调制在第一个脉冲的每个符号中：

随机步进频OFDM雷达通信一体化基带信号的表达式为：

其中，N_p为脉冲数，p＝0，1，...，N_p-1；N_s为符号数，m＝0，1，…，N_s-1；N_c为子载波数，n＝0，1，…，N_c-1；c(n，m，p)为第p个脉冲、第m个符号、第n个子载波的通信调制信息，Δf为子载波频率间隔，T＝1/Δf为OFDM符号的时间宽度；T_cp为循环前缀的时间宽度，T_s＝T_cp+T为完整的OFDM符号的时间带宽；T_p为脉冲重复周期；rect(t)为窗函数，只有当t∈[0，1]时其值为1，否则其值为0。

通信调制信息c(n，m，p)由所要传输的信息决定，因此具有随机性，会影响一体化信号模糊函数的峰值旁瓣比性能，进而影响一体化信号的距离和速度探测性能。为了保证其峰值旁瓣比，采用不同的ZC序列作为不同符号中子载波的调制信息，主要利用了ZC序列的傅里叶不变性、低峰均功率比特性、ZC序列调制的OFDM信号模糊函数的距离和速度维高峰值旁瓣比特性和ZC序列良好的自相关和互相关特性。

生成ZC序列的表达式为：

其中，N_k为序列的长度，k＝0，1，...，N_k-1；μ需要满足μ与N_k的最大公约数为1，μ相同的两个ZC序列相互正交，μ不同的两个ZC序列不具有正交性；cf为N_k除以2的余数；q∈Z为参数。

一体化信号第一个脉冲中的每个符号携带每个脉冲的步进频数，因此符号数和脉冲数需要满足N_s≥N_p，本实施例规定N_s＝N_p。并且，规定ZC序列的个数为N_zc，序列的个数和脉冲数需要满足N_zc＞N_p。我们规定ZC序列的长度N_k＝N_c-1，改变参数μ生成N_zc个ZC序列，通过补零将其长度扩充为N_c并作为一个符号中不同子载波的调制信息。对N_zc个ZC序列进行编号得到且zc＝0，1，...，N_zc-1。

每个脉冲的步进频数d_p为0到N_p-1之间的随机数。将编号与第p个脉冲的步进频数d_p相等的ZC序列作为第一个脉冲中第m个符号的N_c个子载波的调制信息，且p＝m＝zc，至此，每个脉冲的步进频数调制在了第一个脉冲的每个符号中。为了在通信接收端得到不同脉冲的步进频数，要求d₀＝0。

A2：将待通信的用户信息调制在第二个脉冲的对应符号中：

为了在雷达通信一体化系统中实现一点对多点通信，需要在一体化信号中携带用户信息。规定系统中用户的个数为N_u，用户的个数和符号数需要满足N_u≤N_s，规定N_u＝N_s，对N_u个用户进行编号得到且u＝0，1，...，N_u-1，将编号与待通信用户的编号相等的ZC序列作为第二个脉冲中第m个符号的N_c个子载波的调制信息，且u＝m＝zc，至此，待通信的用户信息调制在了第二个脉冲的对应符号中。

不需要通信的用户信息不用调制在第二个脉冲的对应符号中，需要一个替补序列作为该符号的N_c个子载波的调制信息，这个序列的编号为因此，序列的个数和用户的个数需要满足N_zc＞N_u，由于N_u＝N_s，N_s＝N_p，N_zc＞N_p，因此该条件容易满足。在实际中，存在多个用户不需要通信的情况，因此存在第二个脉冲中的多个符号的N_c个子载波的调制信息为替补序列。

A3：将通信信息调制在第三至最后的脉冲中：

取令2^l＜N_zc成立的最大l值，对二进制通信信息按每l个进行分割并转换为2^l进制数，将编号与转换值相同的ZC序列调制在第三至最后的N_p-2个脉冲的N_s(N_p-2)个符号中。

A4：根据步进频数对每个脉冲的基带信号进行上变频并发送信号：

对基带信号进行上变频得到一体化发射信号，表达式为：

其中，f_p为第p个脉冲的载波频率，且f_p＝f_c+d_pB，f_c为基础载波频率，B＝N_cΔf为信号带宽。随机步进频OFDM雷达通信一体化发射信号的模型具体如图2所示。

二、接收雷达通信一体化信号，具体接收方法为：

B1：对第一个脉冲进行下变频并进行解调得到每个脉冲的步进频数：

由于已知第一个脉冲的载波频率为f_c+d₀B，且d₀＝0，在通信接收端对第一个脉冲进下变频得到基带接收信号，对基带接收信号进行解调得到每个符号中的ZC序列，通过查表得到每个符号中ZC序列的编号即为每个脉冲的步进频数。

B2：根据步进频数对第二个脉冲进行下变频并进行解调得到用户信息：

在步骤B1得到了第二个脉冲的步进频数d₁，其载波频率为f_c+d₁B，在通信接收端对第二个脉冲进行下变频得到基带接收信号，对基带接收信号进行解调得到每个符号中的ZC序列。编号为U_u的用户利用编号为ZC_zc的序列与第m个符号中的解调序列进行相关运算，且u＝zc＝m，并根据运算结果判断是否为被通信用户。

两个序列的相关函数的表达式为：

其中，i＝-N_k+1，...，0，...，N_k-1，所得相关序列的长度为2N_k-1；(·)^*表示共轭运算。当两个序列相同时，表达式为自相关函数，否则，表达式为互相关函数。归一化的自相关和互相关序列如图3和4所示。

判断所得归一化相关序列的2N_k-1个幅值，如果只有一个幅值大于0.5，说明所得序列为自相关序列，第m个符号携带的序列和与用户编号相同的ZC序列是同一个序列，该用户是被通信用户，需要继续接收一体化信号；如果有两个及以上的幅值大于0.5，说明所得序列为互相关序列，第m个符号携带的序列为替补序列，该用户不是被通信用户，不需要继续接收一体化信号。

B3：根据步进频数对第三至最后的脉冲进行下变频并进行解调得到通信信息：

在步骤B1得到了第三至最后的脉冲的步进频数d_p，其载波频率为f_c+d_pB，被通信用户对第三至最后的脉冲进行下变频得到基带接收信号，对基带接收信号进行解调得到每个符号中的ZC序列，通过查表得到每个符号中ZC序列的编号。将2^l进制的编号转换成l个二进制数，并且将这N_p-2个脉冲的N_s(N_p-2)个符号中的二进制数进行合并得到通信信息。

Claims (2)

1.基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和接收方法，其特征在于，包括如下步骤：

生成雷达通信一体化信号，具体生成方法为：

A1：将每个脉冲中随机步进频OFDM雷达通信一体化基带信号的步进频数调制在第一个脉冲的每个符号中；

A2：将待通信的用户信息调制在第二个脉冲的对应符号中；

A3：将通信信息调制在第三至最后的脉冲中；

A4：根据步进频数对每个脉冲的基带信号进行上变频并发送信号；

接收雷达通信一体化信号，具体接收方法为：

B1：对第一个脉冲进行下变频并进行解调得到每个脉冲的步进频数；

B2：根据步进频数对第二个脉冲进行下变频并进行解调得到用户信息；

B3：根据步进频数对第三至最后的脉冲进行下变频并进行解调得到通信信息；

所述步骤A1中随机步进频OFDM雷达通信一体化基带信号的表达式为：

其中，N_p为脉冲数，p＝0，1，...，N_p-1；N_s为符号数，m＝0，1，…，N_s-1；N_c为子载波数，n＝0，1，…，N_c-1；c(n，m，p)为第p个脉冲、第m个符号、第n个子载波的通信调制信息，Δf为子载波频率间隔，T＝1/Δf为OFDM符号的时间宽度；T_cp为循环前缀的时间宽度，T_s＝T_cp+T为完整的OFDM符号的时间带宽；T_p为脉冲重复周期；rect(t)为窗函数，只有当t∈[0，1]时其值为1，否则其值为0；

所述步骤A1中针对c(n，m，p)，采用不同的ZC序列作为不同符号中子载波的调制信息；

所述步骤A1中规定N_s＝N_p，并且，规定ZC序列的个数为N_zc，序列的个数和脉冲数需要满足N_zc＞N_p；规定ZC序列的长度N_k＝N_c-1，改变参数μ生成N_zc个ZC序列，通过补零将其长度扩充为N_c并作为一个符号中不同子载波的调制信息；对N_zc个ZC序列进行编号得到Z且zc＝0，1，...，N_zc-1；

每个脉冲的步进频数d_p为0到N_p-1之间的随机数，将编号与第p个脉冲的步进频数d_p相等的ZC序列作为第一个脉冲中第m个符号的N_c个子载波的调制信息，且p＝m＝zc，至此，每个脉冲的步进频数调制在了第一个脉冲的每个符号中；

所述步骤A2具体为：规定系统中用户的个数为N_u，用户的个数和符号数需要满足N_u≤N_s，规定N_u＝N_s，对N_u个用户进行编号得到且u＝0，1，...，N_u-1，将编号与待通信用户的编号相等的ZC序列作为第二个脉冲中第m个符号的N_c个子载波的调制信息，且u＝m＝zc，至此，待通信的用户信息调制在了第二个脉冲的对应符号中；

所述步骤A4中对基带信号进行上变频得到一体化发射信号，表达式为：

其中，f_p为第p个脉冲的载波频率，且f_p＝f_c+d_pB，f_c为基础载波频率，B＝N_cΔf为信号带宽；

所述步骤B1具体为：由于已知第一个脉冲的载波频率为f_c+d₀B，且d₀＝0，在通信接收端对第一个脉冲进行下变频得到基带接收信号，对基带接收信号进行解调得到每个符号中的ZC序列，通过查表得到每个符号中ZC序列的编号即为每个脉冲的步进频数；

所述步骤B2具体为：

在步骤B1得到了第二个脉冲的步进频数d₁，其载波频率为f_c+d₁B，在通信接收端对第二个脉冲进行下变频得到基带接收信号，对基带接收信号进行解调得到每个符号中的ZC序列；编号为U_u的用户利用编号为ZC_zc的序列与第m个符号中的解调序列进行相关运算，且u＝zc＝m，并根据运算结果判断是否为被通信用户；

所述步骤B2中被通信用户的判断方法为：

判断所得归一化相关序列的2N_k-1个幅值，如果只有一个幅值大于设定的阈值，说明所得序列为自相关序列，第m个符号携带的序列和与用户编号相同的ZC序列是同一个序列，该用户是被通信用户，需要继续接收一体化信号；如果有两个及以上的幅值大于设定的阈值，说明所得序列为互相关序列，第m个符号携带的序列为替补序列，该用户不是被通信用户，不需要继续接收一体化信号。

2.根据权利要求1所述的基于随机步进频OFDM的雷达通信一体化信号生成和接收方法，其特征在于，所述步骤A3具体为：

取令2^l＜N_zc成立的最大l值，对二进制通信信息按每l个进行分割并转换为2^l进制数，将编号与转换值相同的ZC序列调制在第三至最后的N_p-2个脉冲的N_s(N_p-2)个符号中。