多功能综合射频系统共用信号分辨性能研究

王 君，白华珍，邵 雷

（1.空军工程大学防空反导学院，西安 710051；2.解放军93655部队，北京 101500）

0 引言

为了适应现代电子战环境，现代的作战飞机和作战舰艇都必不可少地装备许多雷达、通信和电子对抗设备。雷达都尽可能采用各种抗干扰、抗反辐射导弹措施，才能保障自己的安全和正常功能的发挥；通信设备用于信息、情报的传递；电子对抗设备的作用是随时监视电磁环境，截获信息、识别威胁、发出告警、引导各种有源和无源干扰设备干扰敌人的武器系统。雷达面临的最大威胁是干扰和反辐射导弹的攻击，但是如果有电子对抗设备的有机配合，就可以隐蔽地监视整个电磁环境，在通信畅通的前提下，利用远方情报，保证雷达在最佳时机开机探测，并且电子战装备还可以干扰敌反辐射导弹雷达导引头，从而大大提高武器系统的作战效能和自我防护能力。可见，统一考虑雷达、通信、电子对抗三方面，使其成为有机整体，发挥系统优势，提高整体作战能力。多功能综合射频系统设想实现框图如图1所示。

在雷达、通信、电子战为一体的多功能综合射频系统研究方面，国内开展了诸如通信、导航、识别综合化系统技术（ICNIA）以及孔径综合等相关研究。在国外，美国海军实验室较早地开展了这方面的预先研究，见文献［1］。新的多功能综合射频系统具有雷达、通信和电子战一体化综合能力，是今后军事电子系统及武器系统发展的必然趋势，它涉及许多新概念、新技术，改变着传统的单一化系统设计思想，这种设计的另一个优势在于敌方很难从通信信号中分辨出雷达发射信号。本文以多功能综合射频系统的共用信号为主要研究内容。

1 多功能综合射频系统共用信号模型

共用信号的设计直接决定了系统的功能及其实现方式，设计特殊的共用信号以实现将雷达信号隐藏于通信信号之中，提高信号的隐蔽性，增强电子对抗能力。虽然通信和雷达在本质上不一样，但在超宽带通信和冲击雷达应用方面，他们所使用的信号形式与波形有许多相似之处，分析这种近似，会发现携带有传输信息的通信信号可以作为雷达信号使用，实现通信与雷达信号共用。并且信号的超宽带和优良的抗干扰性能使之成为雷达和通信系统共同追求的优点。

脉冲幅度调制直接序列超宽带信号（PAM DS UWB）与典型的脉冲位置调制跳时超宽带信号（PPM TH UWB）可以表示为［2-3］

式中：

3）Ns是用来传输一个信息比特所用的脉冲数，也叫重复码长度，并且满足Tb=NsTs。

4）在式（1）中，Ts是脉冲重复周期。二进制PN码序列的周期为Np，一般取Np=Ns，用此PN码调制待传输的二进制序列b，产生一个调制序列a={a0，a1，…，aN-1}，N=NbNs为脉冲总数，Nb为输入信息的比特数。

对于式（1）的PAM DS UWB信号，假设输入数据 b={1，1，0，0，1}，PN={-1，1}，则调制数据为 a={-1，1，-1，1，1，-1，1，-1，-1，1}，当 Ns=2，Ts=5 ns 时，PAM DS UWB 波形如图 3（a）所示。对于式（2）的PPM TH UWB 信号，假设传输数据为 b=（bm）={0，1，0，0，1，1，0，1，0，0}，伪随机跳时序列为c=（ci）={3，1，4，2，1}，其中 Ns=5，Tc=3 ns，Ts=18 ns，Nh=6，则 PPM TH UWB波形如图2（b）所示。

信号的功率谱密度对选择共用信号是重要的。PAM DS UWB信号的功率谱和PPM TH UWB信号的功率谱可以分别写为［4-5］

对于式（3），输入数据 b={1，1，0，0，1}，Ns=127，Ts=5 ns时的PAM DS UWB功率谱如图3（a）所示。对于式（4），b={0，1，…，1，0}，Ns=5，δ=0.25 ns，Ts=10 ns，Np=500，Nh=100时的PPM TH UWB信号的功率谱密度如图 3（b）所示。

2 共用信号模糊函数比较

模糊函数是研究各种信号的分辨能力和杂波抑制能力的有力工具。非正弦信号广义模糊函数的概念是由Hamuth提出的［6］。广义模糊函数是距离-多普勒域的两维自相关函数。为了获得最大信噪比，雷达接收机通常采用匹配滤波器。根据匹配滤波理论，匹配滤波器的冲击响应为 h（t）=s（t0-t）。

当将式（1）的 PAM DS UWB 信号 sPAM（t）或者式（2）的 PPM TH UWB 信号 sPPM（t）作为雷达信号使用时，则目标回波信号可分别表示为式中：tr=2R/c是雷达目标回波信号与发射信号的时间延迟。Td是由多普勒效应引起的时间延迟［7］。<1表示信号传播衰减因子。它决定于电波传输介质，目标几何形状及其材料等。为了简化分析，可以令常数为1。。相对于式（5）、式（6）的匹配滤波器的冲击响应分别为：

PAM DS UWB信号sPAM（t）的广义模糊函数可以写为

式中：

则式（12）为

将式（14）、式（15）代入式（10），可得 PAM DS UWB信号的模糊函数。

同理，可以推导出PPM TH UWB共用信号的广义模糊函数的表达式为

采用如下的代换：

则式（16）可写为

3 共用信号分辨性能仿真分析

根据式（10）和式（17），比较不同参数下 PAM DS UWB和PPM TH UWB信号模糊函数如图4和图5所示。是信号参数α，Ts和N的函数。对于 PAM DS UWB 信号，在 Nb=5，α=0.25 ns，Ns=10，N=50，而Ts=1 ns到Ts=10 ns和Ts=100 ns时的模糊函数如图4所示。对于PPM TH UWB信号，在Nb=10，Nh=6，Ns=5，Np=50，δ=0.5 ns，N=50，而 Ts=6 ns到Ts=18 ns和Ts=60 ns时的模糊函数如图5所示。

从图4和图5可以看出，PAM DS UWB和PPM TH UWB信号都实现了“拇指”形状的模糊函数［8］。当增加Ts时，信号的分辨能力和杂波抑制能力提高，同时副瓣幅度降低，信号存在的模糊区域减小。因此，要获得好的分辨性能，需要选择尽可能大的Ts。但是作为共用信号，由于数据传输率的要求，共用信号的Ts需要优化。

由于超宽带信号的多普勒效应表现为脉冲有效宽度和脉冲间隔的改变，且对于一个靠近系统的目标产生的效果为Ts'>Ts，因此，多普勒效应Td和脉冲间隔Ts以及目标速度v、光速c之间的关系为Td=2Ts·v/c。同时，一体化系统的最大数据传输率Rb与脉冲间隔Ts、每比特脉冲数Ns之间满足的关系为Rb=1/NsTs，Rb与 Td的关 系为 Rb=2/NsTd·v/c。 假 设v/c=10-6，Td=1 ns，则可以得到 Ts=0.5 ms，在 Ns=1 时的最大数据传输率为Rb=2 kb/s。相应的，如果最大传输率为Rb=110 Mb/s，则脉冲间隔为Ts=9 ns。因此，共用信号的脉冲有效宽度Te、最大数据传输率、脉冲间隔、每比特脉冲数、多普勒效应等参数之间有严格的约束关系，因此，一体化系统的共用信号参数必须优化，才能满足一体化使用的要求。

4 结论

新的多功能综合射频系统具有雷达、通信和电子战一体化综合能力，能够发挥系统优势，提高整体作战能力。本文理论分析了多功能综合射频系统共用信号的分辨性能、杂波抑制能力、数据传输与作用距离。仿真并比较了PAM DS UWB和PPM TH UWB两种共用信号的性能。理论分析证明上述两种信号具有作为共用信号的优势。共用信号的信号处理方法将有待进一步的研究。