【《基于OFDM信号雷达通信一体化技术分析》4500字】

我国中小企业的技术创新研究基于OFDM信号雷达通信一体化技术分析目录TOC\o"1-3"\h\u47891.1雷达通信一体化可行性分析 2309691.1.1雷达系统与通信系统差异性与相似性分析 2288421.1.2雷达通信一体化系统构架 5299641.2雷达波形设计准则 693961.1.1雷达模糊函数 686411.1.2截获因子 9325681.3OFDM基本原理 9161091.3.1OFDM信号的定义 10137441.3.2OFDM调制和解调技术 11136171.3.3OFDM信号的PAPR 11由于雷达与通信系统一体化技术综合程度较高,在开始研究前,应充分做好通信系统以及电磁波相关知识的储备。本章主要是立足于与雷达系统以及其他通信系统之间的差别性以及其相似度,从架构上深入地分析了雷达通信系统的应用可行性,同时也提出了雷达通信系统一体化中各种信号波形的设计准则，最后引入OFDM的相关知识。1.1雷达通信一体化可行性分析1.1.1雷达系统与通信系统差异性与相似性分析雷达与通信作为两种信息传递的两大媒介,有着高度相似性,但是因为其功能不同,又有各自的特征,因此,对于雷达和通信系统以及两种通讯系统之间的相似性和差异性等问题进行了分析,就可以从理论上判断出雷达和通信系统一体化建设的可行性。下两张图片分别是雷达系统和通信系统框图。图1.1一体脉冲单机雷达框图图1.2通信系统框图从上图中我们可以清楚地看出,雷达的接收机又低噪声功率放大,混频,中频放大,模数转换几个主要部分共同组成,接收到一个信号后,再由处理器进行脉冲压缩,多普勒处理等运算操作,反观雷达的通信系统,其中发射机和接收器与雷达系统的结构相似,只是针对于这些信号进行处理的方式有所差异。通过对该框图进行观察,我们可以看出,雷达系统和无线网络系统之间的相似性主要包括如下几个方面。第一,雷达系统和无线通讯系统的所有理论依托基础均主要涉及到了电磁场、数字信号处理等技术,同时进行了数据的融合,人工智能技术也分别适用于这两者。因此,雷达通讯系统在一体化设计理论上已经具备了实际应用的前提。第二,雷达系统和无线通讯系统的原理上都是以雷达发射并接收各种电磁信号为主要实现。第三,雷达和无线通信系统的整体架构相似,雷达系统主要是通过对天线、发射、接收、信号进行处理,之后才能到达终端;而通讯系统则是由通讯设备,包括发射机,接收器,天线所组成。第四,雷达系统与通讯系统所采用的频率和对信号进行调制时的特点存在着相似之处,二者之间的区别越来越少并朝着多媒体一体化发展。雷达和通讯系统之间存在着差别,这就表明了如下的几个特点。第一,功能上由于存在较大的差异,雷达设计的目标是通过判断物体和目标之间的存在及其行动速度和距离来实现对物体和目标之间行动轨迹的跟踪;通信系统的设计目的是为了实现对信息的传输,因此更加注重信号的有效性和信号的可靠性,而且雷达技术侧重点是判断信号畸变从而准确地判断出目标的位置和信息速度。第二,二者的发射功率不同,根据雷达理论,雷达的探测能力和发射信号的功率之间成正比且由于雷达所接收的信号是一个发射信号的返回波,雷达的发射功率也就越大、愈好,因此,雷达的发射功率应该远远超过通信系统的发射功率。为了能够获得较大的激光发射频率,雷达的放大器通常都是工作在非线性地段,即采用类似c类的放大器,但如此会直接导致无法进行通信时光栅格中的信号失真。由此可见,若采用雷达方式进行传输和通信,其传输距离将会大幅度提升,需要解决的问题之一便是对于通信数据传输失真,如采用恒包络信号。第三，波形信号的传播特性不同,雷达信号使用脉冲方式进行发射,而通信系统采用了连续包络系统，该点可以通过采用特殊的通信信号来解决,如OFDM存在保护间隔，可以确定它们都是雷达信号的脉冲间隔。第四,带宽和射频工作频段不同,雷达的工作频段一般是在MHz级别,而且通信系统中雷达所在的工作频段一般不会超过GHz且其频段极度拥挤,因此,若是使用雷达技术进行通讯,信号的带宽就会得到很大的改善,并且也就提高了数据传输速率。第五点,天线的差异,雷达一般是采用具有指向性的天线,而通信系统为了更好地保证数据的接受,通常会采用全向天线,因此当我们在使用雷达与天线进行通信时,天线的指向性就可以作为一种点对点的通信,同时也提高了数据的保密性,抗干扰能力以及抵御多径衰落的能力。雷达通信的目标和对象一般都很明确,可以说我们认为雷达通信目标的位置应该是前经过了先验证的,可以把天线波瓣调节到至于雷达通信目标所在地点的方向上。通过上述对各种雷达和手机通信应用系统的技术相似性和系统差异性问题进行对比分析,可以不难发现大部分的这些差异性并非是不会直接最终影响雷达到通信一体化的系统构想,甚至有些小的差异还是不能可以直接给用在雷达和手机通信中的系统设计带来一些新的好处,如大的通信带宽,发射功率强等,当然也很有可能会给通信系统设计带来一些失真,工作模式不同的问题。若能够解决以上所述的问题,雷达和通讯一体化的系统就会拥有极其明显的技术优势。综上所述,雷达与通讯一体化都很有可能。1.1.2雷达通信一体化系统构架雷达通信系统采用的是基于软件无线电平台建造的,兼具雷达信号处理的部分,所需要的硬件设备和部分主要有模数转换,数模转换,混频器,功率放大器和无线天线等,这些硬件设施都是雷达系统和通信系统共同拥有的,可以直接实现各种硬件设施之间的资源共享。下图是雷达通信一体化系统的简易设计框图。图1.3基于信号一体化的雷达通信一体化框图雷达通信一体化信号由M个子脉冲组成，每个脉冲由一个正交频分复用符号组成，Nc为子载波数，一体化信号的时频方案如下图所示。图1.4一体化信号的时频图由上述框图我们可以清楚地看出,该系统首先把编码后的无线通讯数据调制成一个带有雷达波型的光纤发射器。接收机在电视网中接收到信号后,进行低频下变频,采样后将该信号输出并送入电视网的信号处理模块,之后按照雷达和无线网络通信的不同特点,分别对该电视网进行了数据处理,得到了该电视网的数据信息和目标距离的速度信息。此处,进入雷达处理模块的信号就是其他设备所接收到的返回波段信号,而进入通讯处理模块的信号就是其他设备所接收到的信号。本文假设二者都可以完全区分开来并且被分别对待。1.2雷达波形设计准则现代雷达学的理论针对雷达信号的特征和性能,提出了一系列评价标准,根据这些标准我们就可以判断雷达信号具有多种检测功率,分别为模糊函数和拦截因子。下文我们就会分别进行介绍。1.1.1雷达模糊函数在雷达学的理论中,模糊和分辨率是两个技术之间既有关系又可以相互区别的观点。对于许多个目标,模糊即无法分辨。雷达的分辨率根据模糊地图中心的主瓣大小而变化。雷达的模糊程度不仅要考虑到主瓣的宽度,还要考虑到模糊视觉图旁瓣。因此,在深入研究雷达识别分辨法的基础上,即要深入研究模糊函数。首先建立雷达回波信号的点目标模型：(2-1)其中发射的窄带信号包络为u(t)，窄带的信号包络为s(t)。如此，目标在一个斜距R(t)上引起了一个回波信号Sr(t)相对信号发射s(t)延时τ(t),那么Sr(t)为：(2-2)可以得到回波延时表达式：(2-3)于是2-2变为：(2-4)现再假设两个回波sr1(t)和sr2(t)，设延迟和多普勒频移分别为τ1，fd和τ1+τ,fd+ξ，那么根据式2-4就会有：(2-5)(2-6)从公式可以看出，两个回波信号之间的差别越大就越容易分离，一般使用方差来表示两个信号的差别，其方差如下：(2-7)(2-8)根据2-8来定义一个函数：(2-9)其频域变化式为：(2-10)是决定相对于邻近目标的距离和多普勒联合分辨的唯一重要因素，其越大，则相对于越小，目标就越难以准确地分辨，或成为模糊。根据该系统的设计目标不同,理想的模糊函数形状也不同,但是该系统的设计通常都会采用一个图钉式的模糊函数,特点就是它们具有单一的核心峰值,而其他的核心能量则均匀地分布在延时多普勒的平面。窄带的核心点峰值就意味着它们具备了极高的差异度与多普勒的分辨率。不存在第二个峰值,这就表示无法确定它们之间的距离或多普勒模糊。均匀的平坦地带区域表示它们具有相对较低的，均匀地旁瓣,使得它们所受到的遮挡效果最小。以上这些特点,对于为了获取距离和多普勒分辨率而进行设计都是大有裨益的。因此,雷达信号的处理方法可以简单地把它看作是模糊函数的复合和再现,良好的模糊函数应该为图钉型，旁瓣低，从而分辨率很高。1.1.2截获因子截获率是雷达的另一个重要的性能指标，为分析此类雷达的性能指标，有学者在其中引入了截获因子。即截获接收机所能够直接接收到的雷达信号在其参测范围Ri与被截获的雷达Rr的最大参数和距离成正比，即：(2-11)当Rr>Ri时，雷达能够发现拦截机而拦截机根本无法捕捉到雷达探测的信号，此时γ<1，雷达有利；当Rr<Ri时，拦截机就可以在雷达未知的情况下发现雷达，在此时拦截机有利。所以γ越小，雷达信号被拦取和截获的概率就越低。1.3OFDM基本原理OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术即目前所谓的根据正交载波频率方向划分载波复用技术,多媒体载波复用技术的一种。通过多种频分复合作用来同时实现高速多径并行和高度多径动态数据同时传输,具备了较好的高速抵御多径数据衰落的传输特性。其所需的构成正交信号的子载波在任何数学上都应该是正交的,子两个载波之间的持续时长和最短持续中断间隔时长是恒定的,同时,正交子载波的时间结构也同样要求子载波的时长持续间隔时长,这应该认为是构成信号的时间波长和持续间隔之差的一个倒数。本章主要提供了一个有助于我们理解火控雷达和无线通讯系统一体化的基本原理。1.3.1OFDM信号的定义最初的OFDM信号由一组可以提供载波正交性的完全整形滤波器组件产生，但是，当OFDM信号由大量的子载波时，发射端是不可能使用大量的振荡器的，因此滤波器组和振荡器就被快速傅里叶变换法代替。OFDM码片信号子载波的正交性由码片的持续时间和载波间隔的关系保证，可以看作由持续时间为Ts的独立码片的集合，其中Ts满足：(2-12)OFDM信号码片持续时间必须要做到子载波之间间隔的最大倒数，才能保证子载波是正交的。则由M个码片组成的OFDM信号的数学表达式定义为：(2-13)上式中：(2-14)和分别是第M个码元中第n个子载波上调制的幅度和相位，N为OFDM信号的载波个数。每个载波上调制信息可以确定，一般采用相移键控(PSK)或者正交调幅(QAM)。1.3.2OFDM调制和解调技术OFDM系统的调制和解调分别是通过FFT与IFFT完成。首先将串行输入数据变转化为一次并行输出的数据，接下来进行一次星座图的映射，得到频域数据，经过IFFT后相当于调制到了N个子载波，完成正交频分复用，接下来在其中加入一个循环前缀，进行并/串转换，数/模转换，再调制到一个更高频子载波上进行信号发送。在接收端进行相反的操作，使用N个相同的子载波进行N路解调，在将解调信号并串输出，重现原始信号。经过FFT变换后的数据等同于将时域数据变为频域数据，完成解调。OFDM信号的调制解调框图如下。图1.5OFDM信号调制解调框图1.3.3OFDM信号的PAPR由于峰均功率比通常被认为是一个随机变量，因此，需要从统计学的多个视角对其大小进行分析，即计算峰均功率比超过某一门限值PAPR0的概