1、基于FBMC信号的低截获雷达通信一体化波形设计李琬璐相征任鹏*(西安电子科技大学通信工程学院西安710071)摘要：针对正交频分复用(OFDM)雷达通信一体化波形方案中循环前缀引起的弱回波掩盖问题和敌方战场低截获概率问题，该文提出了基于滤波器组的多载波偏移正交幅度调制(FBMC-OQAM)的低截获雷达通信一体化波形设计方案。分别构建FBMC雷达通信一体化波形与目标检测概率、通信信道容量之间的数学模型，在保证一定系统雷达与通信性能的条件约束下，设计最小化系统总发射功率联合优化问题，优化各个子载波发射功率分配方案。该算法利用测量值和信道状态信息，对下一个脉冲的发射波形参数进行优化设计，实现自适应传
2、输。此外，从平均模糊函数角度分析了FBMC作为雷达信号的可行性和优势。仿真结果表明，与等功率分配方案相比，该文提出的功率分配方案可有效降低一体化系统总发射功率，从而实现低截获性能，并且FBMC波形可有效降低循环前缀引起的距离旁瓣，提高雷达分辨率与信息速率。关键词：雷达通信一体化；低截获概率；滤波器组多载波；通信容量；检测概率中图分类号：TN957文献标识码：A文章编号：2095-283X(2023)02-0287-10DOI:10.12000/JR22064引用格式：李琬璐,相征,任鹏.基于FBMC信号的低截获雷达通信一体化波形设计J.雷达学报,2023,12(2):287296.doi:10
3、.12000/JR22064.Reference format:LIWanlu,XIANGZheng,andRENPeng.Filterbankmulti-carrierwaveformdesignforlowprobabilityofinterceptingjointradarandcommunicationsystemJ.Journal of Radars,2023,12(2):287296.doi:10.12000/JR22064.Filter Bank Multi-carrier Waveform Design for Low Probability ofIntercepting Jo
4、int Radar and Communication SystemLIWanluXIANGZhengRENPeng*(School of Telecommunications Engineering,Xidian University,Xian 710071,China)Abstract:CyclicprefixesinjointradarandcommunicationsystemsbasedonOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)andlowprobabilityofinterceptionleadtoweakradarechomas
5、kingonthebattlefield.Toaddressthisproblem,alowprobabilityofinterceptionwaveformdesignschemebasedonFilterBankMulti-Carrier(FBMC)withOffsetQuadratureAmplitudeModulation(FBMC-OQAM)isproposedinthispaper.MathematicalmodelsfortheFBMCjointradarandcommunicationwaveform,targetdetectionprobability,andcommunic
6、ationchannelcapacityareestablished.Undertheradarandcommunicationperformanceconstraintsrequiredbythesystem,ajointoptimizationproblemofminimizingthetotaltransmittedpowerofthesystemisdesigned,andthesubcarrierandpowerallocationschemeareoptimized.Furthermore,theproposedalgorithmcanrealizeadaptivetransmis
7、sionwheretheparametersofthetransmittingwaveformcanbeoptimallydesignedforthenextpulsebyutilizingthemeasuredvaluesofthecurrentsignalandthechannelstateinformation.Moreover,thefeasibilityandadvantagesofFBMCastheradarsignalareanalyzedbasedontheaverageambiguityfunction.Theoreticalanalysisandsimulationexpe
8、rimentsshowthatthepowerallocationschemeproposedinthispapercaneffectivelyreducethetotaltransmittedpowerofthesystem,toachievelowinterceptionperformancecomparedwiththeequalpower收稿日期：2022-04-02；改回日期：2022-06-12；网络出版：2022-07-06*通信作者：任鹏*CorrespondingAuthor:RENPeng,基金项目：国家自然科学基金(61971320)FoundationItem:TheN
9、ationalNaturalScienceFoundationofChina(61971320)责任主编：原进宏CorrespondingEditor:YUANJinhong第12卷第2期雷达学报Vol.12No.22023年4月JournalofRadarsApr.2023allocation.TheFBMCwaveformcaneffectivelyreducethesidelobescausedbycyclicprefixes,whichimprovestheradarresolutionandinformationrate.Key words:JointRadarandCommunic
10、ation(JRC);Lowprobabilityofintercept;FilterBankMulti-Carrier(FBMC);Channelcapacity;Detectionprobability 1 引言随着电子技术和信息处理技术的深入发展与信息化作战多样化的需要，现代信息化军事战争对抗由单一的作战平台对抗向系统体系对抗转变。作战平台需要装备诸如侦察、探测、通信、干扰等各种电子作战设备，在电子作战平台上简单叠加大量的先进装备一定程度提高了现代军队的作战能力，但同时也会引起总体空间资源与能源资源紧张、电磁环境恶化及天线增加引起系统隐蔽性降低等问题。因此，探索和研究现代电子装备系统的综
11、合性多功能一体化系统是现代信息化战争中一个亟待解决的问题。在综合性多功能一体化系统中的各个电子装备的组建方式不再是简单的纵向堆积，而是各子系统共用各类系统资源实现多种电子装备功能，减小设备间干扰，降低系统功耗和体积，实现各个系统装备的横向一体化发展13。此外，多功能一体化系统除了应用于军事场景，在民用领域也用以解决电磁频谱拥挤问题，例如智能交通4、无人机5、室内定位等6，充满着巨大的市场机遇。雷达通信一体化(JointRadarandCommunic-ation,JRC)是实现多功能一体化系统的关键技术。近年来，雷达通信一体化系统波形设计问题引起了国内外专家学者的广泛关注79。目前，一体化波形
12、设计方法大致可以分为两类。第1类方法是利用雷达波形实现附加的通信功能。例如：广泛应用的线性调频信号(LinearFrequencyModulation,LFM)，文献10将通信符号通过一个扰动相位调制项附加在LFM信号上；文献11将多个相移键控符号或位序列嵌入到多发多收(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)LFM雷达信号中实现通信功能。文献12提出了一种基于LFM信号多载波雷达通信共享信号，主载波实现雷达功能，副载波通过改变调频率和初始频率参数调制通信信息。但是，上述基于LFM的方法通信速率较低。第2类方法是利用现有的通信信号来进一步发展或补充雷达功能。文献13,
13、14首先将正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)调制技术引入雷达领域，提出了多载波互补相位编码信号。此后，OFDM信号在数字传感领域也受到广泛的关注。文献15提出利用OFDM信号估计雷达参数。为了提高有限频谱资源的有效性，文献16分析了随机目标脉冲响应与接收信号之间的条件互信息，以及频率选择性衰落信道的数据信息速率。基于OFDM的雷达通信一体化系统相较于传统LFM雷达不存在距离速度耦合，通信速率更高。但是由于严格的子载波正交性要求，OFDM信号对频偏非常敏感。此外，OFDM系统需要引入循环前缀，消除符号间干扰与子载波间干扰。但由
14、于循环前缀的存在，不仅降低了雷达通信一体化系统的通信速率，而且一体化信号模糊函数将存在两个旁瓣峰值。如果弱回波出现在强回波旁瓣中，它们可能会被掩盖，降低目标探测性能。而基于滤波器组的多载波偏移正交幅度调制(FilterBankMulti-CarrierwithOffsetQuadratureAmplitudeModulation,FBMC-OQAM)信号，没有循环前缀，而是采用OQAM调制技术和高频谱效率的原型滤波器对抗符号间干扰和载波间干扰17，因此频带效率更高，对高时变信道鲁棒性更好。此外，FBMC-OQAM信号子载波间是非正交的，不需要严格的频率同步。因此，虽然FBMC信号复杂度高于OF
15、DM信号，但是OFDM信号需要严格的时间频率同步，因此提高了网络规划复杂度。另一方面，现有研究工作大多数集中在提高雷达探测与跟踪性能和通信速率问题，但在实际复杂作战环境中，低截获概率问题(LowProbabilityofIntercept,LPI)由于其显著增强作战效能是雷达系统设计中需要考虑的关键研究问题。目前，关于实现低截获性能系统的研究可分为以下几类：增大发射信号带宽；超低旁瓣的隐身天线设计；频率调制、相位编码等低截获波形；发射时间控制和频率控制18与功率管理19,20。本文将从功率管理角度研究低截获雷达通信一体化信号。综上所述，为解决现有OFDM雷达通信一体化技术中循环前缀影响探测性能
16、与信息速率问题，同时提升系统低截获性能，提出了基于FBMC-OQAM的低截获雷达通信一体化波形设计方案。考虑一体化系统中通信信道为低空或地面场景，如无人机、车辆交通等的频率选择性信道，探测目标为频率敏感目标。在保证系统所需的一体化系统探测性能与通信性能的条件约束下，优化分配各个子载波发射功率，实现发射总功率最小化，并从平均模糊函数288雷达学报第12卷角度分析了FBMC作为雷达信号的可行性和优势。仿真结果表明，本文所提波形方案可有效降低系统发射总功率，从而降低系统截获概率，并且可有效解决OFDM循环前缀引起的弱回波掩盖问题，提升通信速率。此外，可根据测量值和信道状态信息，自适应地调整下一个传输脉冲的发射波形参数。2 信号模型FBMC-OQAM信号模型如图1所示21，在FB-MC-OQAM系统的发射机处，N个并行输入复信号通过N个子信道滤波器传输后叠加。在第n个子载波上发送的第l个复信号可表示为Unl=nl+jnl,0 n N 1,0 l L 1(1)nlnlT/2其中，和分别表示第n个子载波上的第l个复信号的实部和虚部，符号的实部和虚部在时域上交错，其中T是FBMC-OQAM符号周期。
