結(jié)合常用的車載調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)和擴(kuò)頻通信技術(shù)，針對(duì)通信與目標(biāo)探測(cè)相結(jié)合的綜合波形設(shè)計(jì)、硬件實(shí)現(xiàn)等問題，研究了基于直接調(diào)制的調(diào)頻連續(xù)波（DM-FMCW）的一體化系統(tǒng)，通過(guò)仿真結(jié)合理論推導(dǎo)驗(yàn)證信號(hào)合成方案的可行性，搭建一體化測(cè)試系統(tǒng)。結(jié)果表明：利用正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制通信信號(hào)并不會(huì)影響雷達(dá)性能；一體化信號(hào)的通信誤碼率與QPSK 信號(hào)相同，雷達(dá)速度分辨率為0.1 m/s，距離分辨率為1 m。
0 前言
隨著數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，智能交通及車聯(lián)網(wǎng)的概念被提出，這要求汽車兼具通信和目標(biāo)探測(cè)的功能［1］。由于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）信號(hào)具有恒定包絡(luò)、短脈沖周期和高擴(kuò)頻增益等特點(diǎn)，因此其具備高距離分辨率、高速度分辨率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于車載雷達(dá)系統(tǒng)。以FMCW 為基礎(chǔ)的通信及目標(biāo)探測(cè)設(shè)備具有體積小、便捷程度高和共享頻譜資源等優(yōu)點(diǎn)。
在各種方式下以FMCW 為基礎(chǔ)的雷達(dá)信號(hào)被用于調(diào)制通信信息，楊云飛等［2］針對(duì)連續(xù)相位調(diào)制（CPM）-線性頻率調(diào)制（LFM）波形中各符號(hào)內(nèi)部調(diào)制了通信信息，調(diào)制方式采用CPM，使其對(duì)雷達(dá)性能的影響最低。在調(diào)制的通信信息的影響下會(huì)產(chǎn)生距離旁瓣調(diào)制，并導(dǎo)致波形具有隨機(jī)性，進(jìn)而影響多普勒維的脈沖主旁瓣［3］。為此，還需要增加額外的距離旁瓣來(lái)進(jìn)行抑制處理，以彌補(bǔ)雷達(dá)性能的損耗［4］。劉耀文等［5］提出將最小頻移鍵控（MSK）信號(hào)與LFM 信號(hào)相結(jié)合，將LFM 信號(hào)作為MSK 信號(hào)的載波，得到MSK-LFM 一體化信號(hào)，但此方案采用低階調(diào)制，通信速率不高，難以應(yīng)用在實(shí)際通信中。
針對(duì)雷達(dá)與通信共存的情況，本文研究了兩者性能間的相互影響，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一款易于實(shí)現(xiàn)的車載一體化系統(tǒng)，分別采用π/4 相移的正交相移鍵控（QPSK）來(lái)調(diào)制幀頭信號(hào)和通信信號(hào)。
1 直接調(diào)制的調(diào)頻連續(xù)波（DM-FMCW）信號(hào)模型
所設(shè)計(jì)的一體化信號(hào)以連續(xù)波為基礎(chǔ)，將1 幀通信數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度與雷達(dá)脈沖重復(fù)時(shí)間所占用的長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)，即認(rèn)為一個(gè)脈沖重復(fù)時(shí)間（PRT）內(nèi)所包含的數(shù)據(jù)為1 幀信號(hào)，其包含多個(gè)通信符號(hào)，利用掃頻余弦（Chirp）信號(hào)承載通信信息，結(jié)合擴(kuò)頻技術(shù)可提高信號(hào)積累的能量，減少噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。信號(hào)總體以FMCW 為載波，可將其視為多個(gè)Chirp 信號(hào)的拼接，數(shù)據(jù)幀頭部分采用固定數(shù)量的符號(hào)承擔(dān)，其后的符號(hào)可以隨機(jī)調(diào)制通信信息。
作為載波的Chirp 信號(hào)sc(t)表示為：
式中：f0?為信號(hào)的中心頻率；k?為載波信號(hào)的調(diào)頻斜率，k=B/Tc，B?為Chirp 信號(hào)的帶寬，Tc?為Chirp 信號(hào)的掃頻時(shí)長(zhǎng)；t?為時(shí)間，t?∈[0，Tc]。
在1 幀信號(hào)中，取5 個(gè)固定符號(hào)置于幀頭，用作信號(hào)同步，并采用π/4 相移的QPSK 對(duì)幀頭信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以確定信號(hào)因信道影響而產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)角度。除幀頭外的所有符號(hào)均可用于加載通信信息，筆者采用QPSK 進(jìn)行調(diào)制。采用2 種不同調(diào)制方式可以更好地區(qū)分幀頭和通信信號(hào)。
1 幀發(fā)送信號(hào)s(t)的表達(dá)式如下：
式中：M?為用作幀頭的Chirp 信號(hào)個(gè)數(shù)；θm?為π/4 相移QPSK 調(diào)制的第m?個(gè)幀頭符號(hào)的信號(hào)相位；N?為隨機(jī)調(diào)制的通信總符號(hào)數(shù)；φn?為QPSK 調(diào)制的第n?個(gè)通信信號(hào)相位。
2 一體化信號(hào)的通信解調(diào)
一體化信號(hào)發(fā)送后，經(jīng)隨機(jī)信道的二次調(diào)制到達(dá)通信接收機(jī)，接收信號(hào)rc(t)被噪聲干擾，表示為：
式中：n(t)為高斯白噪聲。
采用與載波斜率相同的Chirp 信號(hào)對(duì)rc(t)進(jìn)行脈沖壓縮處理。為便于理解，對(duì)1 幀信號(hào)中的第1 個(gè)符號(hào)進(jìn)行處理，即m=0，故第1 個(gè)處理后的信號(hào)r0(t)表示為：
由式（4）可知，經(jīng)脈沖壓縮處理后的輸出信號(hào)包絡(luò)近似為sinc 函數(shù)，其峰值點(diǎn)相位θ0?即為Chirp 信號(hào)承載的通信信息。
觀察脈沖壓縮后信號(hào)的頻域并提取出頻譜峰值點(diǎn)上信號(hào)的相位，將其與幀頭固定相位信息進(jìn)行對(duì)比，可完成幀同步并確定相位偏移。完成幀同步后，對(duì)通信部分信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并補(bǔ)償相位偏移，可得到發(fā)送的通信信息。
3 一體化回波信號(hào)處理
假設(shè)在t=0 時(shí)，目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離為R，移動(dòng)目標(biāo)以速度v?進(jìn)行勻速?gòu)较蜻\(yùn)動(dòng)，τ?為1 幀內(nèi)信號(hào)經(jīng)過(guò)的時(shí)延，此時(shí)1 幀目標(biāo)回波信號(hào)rr(t-τ)可以表示為：
由于雷達(dá)信號(hào)接收機(jī)收發(fā)一體，因此無(wú)需對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，可直接采用去斜率（dechirp）的方式去除一體化回波信號(hào)中的通信部分，為便于理解，對(duì)接收信號(hào)第i?幀回波的第1 個(gè)符號(hào)rr(t-iTr-τ)進(jìn)行處理，表示為：
式中：I?為一次相干處理間隔（CPI）內(nèi)的總幀數(shù)；Tr為雷達(dá)回波信號(hào)的累積時(shí)長(zhǎng)；c?為光速。
對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行去通信處理，可得：
式中：xir(t)為每1 幀的回波信號(hào)。
將得到的xir(t)重排成快-慢時(shí)間維的回波矩陣，并對(duì)其快時(shí)間維進(jìn)行脈沖壓縮，將脈沖壓縮后的回波矩陣進(jìn)行相干積累，得到目標(biāo)的速度信息。
4 試驗(yàn)測(cè)試
4.1 仿真試驗(yàn)
所設(shè)計(jì)的一體化波形仿真的信號(hào)帶寬為150 MHz，載波頻率為2.4 GHz，雷達(dá)積累脈沖數(shù)為300。目標(biāo)距離雷達(dá)17 m，且以7 m/s 的速度與雷達(dá)相向而行。在不同進(jìn)制數(shù)（M）和多普勒頻移（D）的情況下接收端解調(diào)隨機(jī)產(chǎn)生的通信信息，誤碼率曲線對(duì)比如圖1 所示。從圖1 可以看出：改變進(jìn)制數(shù)會(huì)影響信號(hào)的誤碼率，在不改變多普勒頻移的情況下，進(jìn)制數(shù)越高，誤碼率性能越差；對(duì)于相同進(jìn)制數(shù)的信號(hào)，解調(diào)后的誤碼率性能受頻移的影響，頻移越大，誤碼率性能越差。
圖1 不同信噪比下的誤碼率
對(duì)回波信號(hào)的快時(shí)間維進(jìn)行脈沖壓縮處理后可以得到目標(biāo)的距離信息，再對(duì)快-慢時(shí)間維回波矩陣進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD），可以得到目標(biāo)的速度信息。圖2為經(jīng)MTD 后的距離-多普勒?qǐng)D的速度切面圖。
圖2 MTD 速度切面圖
4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析
圖3為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的解調(diào)結(jié)果，其中第3 列數(shù)據(jù)為隨機(jī)調(diào)制的通信信息所對(duì)應(yīng)的解調(diào)結(jié)果，將其繪制成星座圖后發(fā)現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)分布在星座點(diǎn)附近，說(shuō)明解調(diào)效果良好。
圖3 通信解調(diào)結(jié)果
圖4為經(jīng)MTD 處理之后的距離-多普勒實(shí)測(cè)圖。人體走動(dòng)速度約為1.7 m/s，面向雷達(dá)而行，距離由遠(yuǎn)及近。圖4 中的亮點(diǎn)表示所探測(cè)到的目標(biāo)，亮度越高表示雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)的功率越強(qiáng)，此回波信號(hào)經(jīng)處理后積累的能量也越多，故雜波對(duì)目標(biāo)探測(cè)的干擾越小，更容易辨認(rèn)出移動(dòng)目標(biāo)。
圖4 經(jīng)MTD 處理后的距離-多普勒?qǐng)D
基金項(xiàng)目：?浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（ZG220202）。
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