基于软扩频的雷达通信一体化信号设计

冉 洁，司宾强，袁立敏，刘子雄，罗东琦，朱纪洪

（1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192；2.石家庄信息工程职业学院，石家庄 050035；3.清华大学a.计算机科学与技术系；b.精密仪器系，北京 100084）

0 引言

雷达无论在军事还是民用领域中都扮演着不可或缺的角色［1］。随着电子信息技术的发展，国外研究机构提出了将探测、通信、指挥、控制等多功能集于一体以提高作战性能的“宝石柱”［2］和“宝石台”［3］计划，由于多功能集成于一个平台，造成了电磁兼容性问题，可能会对现有子系统造成严重的干扰，雷达通信一体化能有效解决平台电磁干扰问题（见图1）。

图1 雷达通信一体化作战示意图

扩频技术由于其具有良好的保密、抗干扰能力被广泛应用于雷达和通信系统［4］。文献［5］中基于直接扩频技术设计了探测通信一体化信号，使用两个正交的扩频序列来区分雷达和通信信号，通过采用BPSK调制方法来降低两个信号之间的干扰，以此来获得较低的误码率，文献［6］中提出一种基于直接序列超宽带雷达与通信一体化系统。通过利用不同的伪随机码（Pseudo-Noise Code，PN）对雷达和通信数据进行扩频以避免相互干扰。仿真结果表明，在理想加性高斯白噪声信道该系统可以很好地工作。该方法是通过信号处理的方法来降低两个信号之间的干扰，并不符合现代一个信号两个功能的概念。文献［7］中采用m序列作为直接扩频序列（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS），二进制差分相移键控（Binary Differential Phase Shift Keying，2DPSK）为调制方式设计了DSSS-2DPSK雷达通信一体化波形，该波形具有良好的探测和通信性能。文献［8-9］中将直接扩频技术应用于MSK-LFM一体化信号，实现能量更加集中和更加稳定的波形包络的一体化波形。基于直接序列技术的探测通信一体化波形具有较高的抗干扰性能，但是占用的频谱资源过多。文献［10-13］中均采用一种扩频技术与OFDM技术设计雷达通信一体化波形，将OFDM的子载波脉冲进行扩频。采用OFDM 的方法解决采用直接扩频技术进行一体化信号设计，克服了直接序列扩频技术对频谱资源占用过大的问题，但是OFDM存在峰均比和对多普勒频移特别敏感的问题。

对于上述问题，本文将软扩频（Tamed Spread Spectrum，TSS）技术应用于雷达通信一体化系统，以雷达信号LFM 作为载波经BPSK 调制后形成TSS 雷达通信一体化信号。本方案在实现同样功能的基础上减小频谱资源的利用。并利用Matlab／Simulink 仿真软扩频雷达通信一体化的可能性。

1 系统结构及原理

雷达一般工作在电磁干扰复杂的环境，通信在此环境中很难正常工作，如何在保障雷达正常工作的同时实现通信功能，香农在1948 年提出了著名的香农定理［14］，即

式中：B为带宽；C为信道容量；SNR信噪比。可见，信道容量与带宽成正比，通过大带宽来换取可靠的信道容量是通信系统中的常见方法。软扩频技术由直接扩频和编码技术发展而来，对于传统的直接扩频技术，软扩频技术具有抗干扰能力强、频谱资源占用更低等优点［15］。

基于软扩频技术设计了雷达通信一体化信号，图2 展示了雷达通信一体化的原理。

图2 雷达通信一体化原理图

由于RS具有良好的自相关和抗干扰性能［16］，将RS序列对通信信号进行软扩频，扩频后的信号采用LFM信号作为载波信号经过BPSK调制后形成一体化信号发射，对于通信系统，一体化信号经过加性高斯白噪声信道后通过解调、解扩后得到发送信息；对于雷达，一体化信号到达探测目标后的回波信号经匹配滤波后得到探测信息。

基于RS序列及软扩频技术的雷达通信一体化信号产生步骤如下（见图3）：

图3 RS序列产生原理图

步骤1将数字通信信号分为每kbit／组，每组信号的二进制状态分别对应长度为2k的RS序列，用对应的RS序列代表相应的kbit 通信信息，实现扩频增益为2k／k的软扩频信号。

设通信数据

式中：an为通信数据码元；Tb为码宽；

为门函数。对a（t）进行kbit并行处理并对kbit信息码求加权值可得RS序列相应的标号

根据此标号完成编码空间RS 序列选取，由于软扩频系统中的扩频码正交［17］，可得频谱扩展后的基带信号

式中：cj（t）为kbit 信息对应的RS 码；T为RS 序列周期。

步骤2将软扩频信号通过BPSK 调制方式调制LFM信号，形成携带通信信息的通信探测一体化信号（见图4）。

图4 TSS-BPSK-LFM信号原理图

在步骤2 中的雷达信号采用线性调频信号，将该LFM信号作为载波与通信扩频信号进行BPSK调制后形成一体化信号。设线性调频信号

式中：

为矩形函数；Ts为脉冲持续时间；K为线性调频率。

综合式（4）、（5）得到TSS-BPSK-LFM一体化信号

2 仿真系统搭建

为验证TSS-BPSK-LFM 一体化信号的性能，利用Simulink搭建RS序列软扩频通信探测一体化系统仿真模型，如图5 所示。图中信源部分采用伯努利二进制发生器产生通信数据，通信数据经过RS 编码经软扩频处理后得到扩频信号。雷达信号采用LFM信号，同LFM信号扫频周期保持一致。LFM信号由chirp模块产生。通过BPSK 调制将通信信息调制到LFM 波形，形成携带通信信息的雷达波形，该波形经过AWGN信道后到达目标，对于通信，该波形被接收后经过滤波、解调、解扩等步骤得到通信信息；对于雷达，通过匹配滤波处理该波形在到达目标后产生的回波可以得到探测目标的距离信息。

图5 TSS-BPSK-LFM一体化系统仿真模型

3 仿真结果及分析

本方法设计的TSS-BPSK-LFM一体化信号时域波形及发送的数据波形如图6 所示。图6（a）为TSSBPSK-LFM一体化波形，图6（b）为发射的通信二进制数。可见，TSS-BPSK-LFM 是LFM 信号被通信数据通过BPSK所调制而成。

图6 TSS-BPSK-LFM波形及发送的数据图

图7 所示为仿真得出的TSS-BPSK-LFM一体化信号的模糊函数。由图7 可见，该信号呈图钉型，表明该信号的主瓣能量比较集中，具有较好的性能。

图7 TSS-BPSK-LFM模糊函数图

由图8 可见，回波信号被噪声所淹没，肉眼无法辨别出有用的回波信号，为能准确提取有用信号，采用匹配滤波对回波信号进行处理。

图8 回波信号图

图9 为回波信号经匹配滤波后的结果图，在4 km处出现最大峰值，说明在该时刻，TSS-BPSK-LFM 波形成功发现目标，探测目标的距离为4 km。

图9 匹配滤波结果

由图10 可见，在同样的信噪比环境、带宽和扩频增益的情况下，TSS-BPSK-LFM 信号的通信误码率低于DSSS-BPSK-LFM 信号，在误码率为10-3条件下，TSS-BPSK-LFM 信号比DSSS-BPSK-LFM 信号的提高了约2 dB。

图10 TSS-BPSK-LFM和DSSS-BPSK-LFM信号的误码率

4 结语

针对低信噪比环境下雷达通信一体化系统的通信能力较差的问题设计了TSS-BPSK-LFM信号。将雷达信号作为载波信号，扩频后的通信信号通过BPSK 的方式调制载波信号，形成具有通信和探测功能的一体化信号。利用Matlab／Simulink 平台对TSS-BPSK-LFM信号的性能进行了仿真。仿真结果表明，TSS-BPSKLFM信号在保证探测性能的同时，相比于DSSS-BPSKLFM信号而言具有更强的抗干扰能力。