基于LFM 信号的探测通信一体化设计*

周 磊 陆 健 张 锐

（南京电子技术研究所 南京 210039）

1 引言

雷达探测和微波通信是现代电讯技术重要的应用，通常分别被赋予目标截获跟踪和信息传输交互的功能，并占用不同的频段。但随着系统内用频设备数量和频带资源需求不断上升，使得频谱显得过度拥挤，将系统内探测、通信等无线电设备进行一体化整合是未来重要的发展趋势［1～3］。

分时和分频是实现探测通信一体化最直接的手段，然而却存在系统资源利用效率低、能量分散等缺点，对原系统的整合提升效果有限［4～5］。近年来时频资源共享的探测通信一体化信号研究已取得了一定成果，总体可以归为两大类：一类为新体制探测通信一体化信号，调制方式包括线性调频（Linear Frequency Modulation，LFM）多载波和正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等，这些方案基于多载波技术，具有通信速率高的优点，但其功率峰均比较高，经过雷达非线性功放时出现畸变，导致探测和通信功能下降［7～10］；另一类为对基于现有雷达信号体制的一体化信号，如对LFM 信号进行二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）调制或最小频移键控（Minimum Shift Keying，MSK）调制，这类信号探测性能接近LFM 信号，且有利于在现有雷达上工程实现［11～14］。

论文对LFM 信号进行相位调制以构造探测通信一体化信号，并针对系统时频资源有限的特点，对一体化信号的调制、编码和同步进行了优化。仿真和试验结果表明，所设计的一体化信号在携带通信调制信息后仍能保持较好的探测性能，且易于在现有雷达中工程实现。

2 探测通信一体化架构

原理上，通信码元（MODEM）接入点可选择在原信息链路的任意位置，考虑到MODEM 和数据处理实施的便利性，结合常规雷达系统组成，分别对基带接入、低中频接入、高中频接入和射频接入进行对比［15］，如表1所示。

表1 一体化通信硬件方案性能对比

根据表1，直接使用现有一体化通信架构均存在一定的缺陷，考虑到目前任意信号波形产生技术已经有长足发展，在基带调制的实现便利性优势明显，故采用从基带调制通信码元。

3 探测通信一体化具体设计

3.1 发射调制

在雷达常用的LFM 信号基础上，采用连续相位调制（Continuous Phase Modulation，CPM），形成LFM-CPM一体化信号，调制流程如图1所示。

图1 信号调制流程

根据一体化信号调制流程，其信号基带由探测信号基带Sr（t）和通信信号基带Sc（t）共同组成。其中Sr（t）采用幅度为A、调频斜率为μ的LFM 信号，而Sc（t）采用连续相位调制：

其中，rect 为矩形窗函数，N 为一个脉冲内通信位数，T 为脉冲宽度，ϕ（t，a）为调相码。当调制阶数为M，调制指数为h，关联长度为L 时，ϕ（t，a）可表示为

其中：

ai为双极性幅度调制的通信符号序列，其取值范围为-（M-1）到M-1 之间的整数。带入Sr（t），一体化信号可以具体表述如下：

综上，LFM-CPM波形如图2所示。

图2 LFM-CPM信号频谱

在LFM-CPM 波形中，LFM 与脉冲式探测技术体制一致，CPM为恒包络调制对非线性饱和功放的适应性好。

3.2 发射编码

针对系统资源有限的特点，采用极化码可兼顾高编码效率和低译码延时［16～18］。极化码的构造规则较为固定，生成矩阵仅与码长相关并由码长唯一决定。因此极化码构造的主要研究内容是各个子信道的可信程度，论文采用密度进化法，通过输入概率密度函数，计算经过译码后的分布，判定各个子信道的容量。

3.3 接收解调

对基带过采样数字信号进行解调，解调过程主要包括包含通信信号提取、匹配滤波、码元检测、干扰滤除和信道译码等，流程如下。

1）信号提取：根据脉冲起始和脉宽对接收信号进行截取，然后将截取得到的信号与LFM 信号的共轭相乘，最后得到CPM基带信号；

2）匹配滤波：根据CPM 信号带宽对输出信号进行FIR滤波；

3）码元检测：采用最大似然检测方法，将接收数据与本地所有码组作滑动相关运算，取相关性最大的码组作为解调码元；

4）干扰检测与擦除：根据每个脉冲的信噪比来检测干扰脉冲，对存在干扰的脉冲进行擦除；

5）信道译码：将多脉冲数据复接后进行信道译码，得到解调数据。

4 验证

4.1 仿真验证

通过模糊函数评估一体化信号的探测性能［19～21］。由于连续相位调制具有恒模特性一体化信号的速度模糊函数与LFM 信号相同，但通信符号的引入影响了距离模糊函数。匹配滤波器下一体化波形与LFM信号探测性能对比如图3所示。

图3 Nb=80bit雷达脉冲性能仿真结果

从仿真结果可以看出距离模糊函数保持了单峰的特征。分别仿真单个脉冲传输不同比特数误码率性能，如图4所示。

图4 不同Nb条件下误码率仿真结果

综上，单脉冲传输数据量为80bit 可较好地兼顾探测与通信性能。

4.2 试验验证

4.2.1 试验系统

研制了探测通信一体化试验模块，并搭建如下试验系统。

如图5，试验模块将一体化信号发射至转发机，叠加多普勒频移后经过衰减器返回至试验模块接收端，对接收的信号进行通信码元分析。

图5 一体化通信试验系统

同时，通过试验模块内置存储器记录接收数据，对接收数据进行后处理，从而进一步评估通信和探测性能。

4.2.2 通信能力试验

采用传输灰度图的方式对通信能力进行验证。考虑到系统的单帧传输能力有限，需要将图片文件进行分包传输，发送图像和接收图像对比如图6。

图6 发送图像与接收图像

根据比对结果，发送和接收图像一致；同时码元分析表明，传输图像时无丢帧，瞬时传输速率为3.2Mbps。

4.2.3 探测能力验证

受限于试验条件，采用对一体化信号叠加多普勒频移，再进行信号脉压的方式进行一体化信号探测能力验证。当叠加3 马赫多普勒频移时，信号脉压结果如图7所示。

图7 脉冲压缩结果

试验结果表明，在目标叠加3 马赫径向速度时，一体化信号脉压主副瓣比大于12dB，接近常规LFM信号，从而实现了探测和通信一体化。

5 结语

论文在LFM 信号基础上，通过叠加CPM 调制实现探测和通信一体，并基于极化编码和前导同步提高编码效率、解码速度和时间利用率，通过仿真和试验验证了该一体化信号具有与常规LFM 类似的脉压性能，同时可实现脉冲式通信，有助于促进信息电子设备多功能一体化。