基于时分多址的多用户通信雷达一体化系统
阅读说明：本技术 基于时分多址的多用户通信雷达一体化系统 (Multi-user communication radar integrated system based on time division multiple access ) 是由 黄驿轩 胡苏� 叶启彬 胡泽林 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于通信雷达一体化技术领域,涉及一种基于时分多址的多用户通信雷达一体化系统。本发明按照时分原则,首先给用户分配不同发射时隙,每个用户在其发射时隙发射SC-FDE符号,在所有时隙进行雷达接收。在其所属发射时隙内,发送端先将待发送的二进制数据通过相位幅度调制或其他符号调制方式调制为数据符号,加循环前缀后发射入信道中。在接收端,将经过射频前端所得基带信号去CP后,再通过离散傅里叶变换、频域均衡和离散傅里叶逆变换得到数据符号,然后进行相应数据符号解调得到二进制数据。同时,其收发基带信号将被用于雷达处理以得到目标信息。该发明利用基于TDMA的SC-FDE有效实现具备较高数据率的多用户通信雷达一体化。(The invention belongs to the technical field of communication radar integration, and relates to a multi-user communication radar integrated system based on time division multiple access. According to the time division principle, different transmitting time slots are firstly allocated to users, each user transmits an SC-FDE symbol in the transmitting time slot, and radar reception is carried out in all the time slots. In the transmission time slot, the transmitting end firstly modulates binary data to be transmitted into data symbols through phase amplitude modulation or other symbol modulation modes, adds a cyclic prefix and then transmits the data symbols into a channel. At a receiving end, removing CP from a baseband signal obtained by a radio frequency front end, obtaining a data symbol through discrete Fourier transform, frequency domain equalization and inverse discrete Fourier transform, and then demodulating the corresponding data symbol to obtain binary data. Meanwhile, the transceiving baseband signals thereof are used for radar processing to obtain target information. The invention effectively realizes the integration of the multi-user communication radar with higher data rate by using SC-FDE based on TDMA.)
技术领域
本发明属于通信雷达一体化(Radar and Communication，RadCom)技术领域，涉及一种基于时分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)单载波频域均衡(SingleCarrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE)的多用户通信雷达一体化 (Multi-User Radar and Communication，MU-RadCom)系统。
背景技术
随着科技的不断发展，为了满足日益更新的电磁环境下的无线需求，同一平台上装配的电子设备逐渐增多，造成系统体积、能耗和重量增大，操作复杂，冗余加大，设备间的电磁干扰加重，系统性能下降等诸多问题。采用多功能综合一体化电子系统是解决上述问题的有效途径，通信雷达一体化就是其中最重要的发展方向之一。通信雷达一体化可通过信号复用方式和信号融合方式来实现，采用信号融合方式可实现雷达和通信共用同一波形，共享系统资源。以SC-FDE为基础的改进波形作为第四代移动通信上行传输波形被广泛应用。而传统脉冲多普勒(Pulse Doppler，PD)雷达采用线性调频(linear frequencymodulation，LFM) 信号，并不能有效加载数据。同时，如何在组网条件下实现多用户通信与雷达探测仍然是通信雷达一体化系统的难点所在。因此，多用户实现是通信雷达一体化领域中亟待解决的关键技术。
基于TDMA与SC-FDE的多用户通信雷达一体化系统以SC-FDE为发射波形，采用停/发体制，可将SC-FDE符号看作PD雷达的发射脉冲。在雷达处理端，用发射SC-FDE符号作为参考信号与回波信号一同进行雷达处理，即可完成对环境目标距离与速度的感知。而得益于SC-FDE 其特殊的信号调制方式，使得其可地在TDMA情况下实现多用户通信雷达一体化。
发明内容
本发明的目的是提出一种具备较高数据率的基于TDMA与SC-FDE的MU-RadCom系统。传统的SC-FDE并未被考虑用作雷达探测，而传统的PD雷达并不能有效加载数据。本发明提出了基于TDMA与SC-FDE的多用户RadCom系统，在保持通信较高数据率的条件下，通过对用户发射时隙的分配，完成RadCom系统的多用户实现。
基于TDMA与SC-FDE的MU-RadCom波形时频结构示意图如图1所示，每个用户搭载一个RadCom平台，每个平台只在其所属时隙发射SC-FDE符号。设用户数为Nu，相位幅度调制(Phase Amplitude Modulation，PAM)阶数为M，SC-FDE基础符号周期为T，循环前缀周期为Tcp，每个SC-FDE符号传输PAM符号数为N。则SC-FDE符号周期为 Tsym＝T+Tcp，采样率为Fs＝N/T，采样周期为Ts＝T/N。基于TDMA与SC-FDE的RadCom 系统框图如图2所示，其发射端数据处理过程如下：
1)设第i个用户传输的二进制数据经过M-PAM调制(或其他符号调制方式)后得到长度为N的数据符号i＝0,1,...,Nu-1。
2)将数据符号添加长度为Ncp的CP，以避免码间干扰，得到长度为N+Ncp的SC-FDE时域发射信号
同时，被送入雷达处理端作为参考信号。最后，通过数模转换(D/A)后，当此平台所属发射时隙时，SC-FDE信号被发射入信道中。
当非本平台所属时隙时，RadCom平台通信接收端数据处理过程如下：
1)首先对经过信道的信号进行接收，信号通过模数转换(A/D)后，去除CP，然后通过串并转换(S/P)，由离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)映射到频域得到频域接收信号进行频域信道均衡以补偿信道失真。频域均衡可采用最小均方误差(Minimum Mean-Squared Error，MMSE)均衡、迫零(Zero Forcing， ZF)均衡或最小二乘(Least Square，LS)均衡。MMSE与ZF均衡系数分别为
与其中，H[k]为信道冲击响应的频域表示，εb与N0分别为信号每比特能量与加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)的功率谱密度。均衡后的信号可表示为频域信号与均衡系数相乘的离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)：n＝0,1,...,N，其中IDFT(·)为IDFT操作。
2)将均衡后的信号进行并串转换(P/S)和M-PAM符号解调(或相应的其他符号解调方式)，得到二进制数据，即完成通信接收处理。
RadCom平台雷达处理端数据处理过程如下：
1)从本平台发射时隙初始开始，即是假设本平台发射时隙为t∈[0,Tsym)，对脉冲重复周期(Pulse Repetition Interval，PRI)内t∈[0,NuTsym)的回波信号进行接收，信号通过采样率为Fs＝N/T的A/D后，得到长度为Nu(N+Ncp)的离散接收信号
2)用参考信号为基准，与离散接收信号y作滑动相关运算，以提取环境目标的距离信息，得相关矢量其元素为
其中(·)*为共轭运算。
3)将Nf个长度为(Nu-1)(N+Ncp)+1的相关矢量z，分别按照每个z为一列排成矩阵形式，即得到如下的矩阵
对矩阵Mz的每一行分别进行Nf点的DFT操作，以提取环境目标的相关速度信息。
4)由上一步得到的矩阵元素的绝对值可画出三维雷达显示图，利用预设门限高度可在三维雷达显示图中判别目标的数目、距离与相关速度的信息，即完成雷达处理。
本发明采用的雷达处理方法可探测的目标最大距离为rmax＝(Nu-1)Tsymc/2，最大相对速度为vmax＝c/(2fcNuTsym)，其中c与fc分别为光速与载波频率，且此方法的距离分辨率为cT/(2N)，速度分辨率为c/(2NuNffcTsym)。
本发明的有益效果为：
本发明是在传统SC-FDE通信系统与传统PD雷达系统上提出的一种基于TDMA与SC-FDE 的MU-RadCom系统。该方法是以SC-FDE符号作为发射脉冲，通过TDMA完成多用户实现。每个用户的发射端在其所属发射时隙直接发射加CP后的符号数据到信道中。除了在去CP之后增加相应的频域均衡操作外，当非本平台时隙时执行通信接收，通信接收端数据解调处理为发射端的逆操作。雷达处理则利用脉冲重复周期内的接收信号和发送时隙内的发射信号，首先进行滑动相关，再进行阵列处理，得到环境目标的数量、距离与速度的信息。采用基于TDMA 与SC-FDE的MU-RadCom系统，可实现组网用户间各自的雷达探测与多用户通信。特别地，当符号调制方式为PAM时，其发射波形恒包络，可极大提升功率放大器效率。
附图说明
图1为基于TDMA与SC-FDE的多用户RadCom波形时频结构示意图(3用户)。
图2为基于TDMA与SC-FDE的RadCom系统框图。
具体实施方式
在发明内容部分已经对本发明的详细技术方案进行了描述，在此对本发明的核心内容进行总结描述。
在RadCom平台发射端，首先在其所属发射时隙内将二进制数据通过PAM或者其他符号调制方式调制映射成数据符号，在添加CP后，将所得信号分为两路：一路信号送入雷达处理端作为参考信号；另一路信号经过数模转换与天线发射到信道中，完成信号的发射。
在非本平台发射时隙时，RadCom平台的通信接收端，将天线接收的信号经过模数转换、去除CP、串并转换、DFT、频域均衡、IDFT、并串转换后，再进行PAM或者其他符号调制方式解调得到二进制数据，完成通信接收解调。
在脉冲重复周期内，RadCom平台的雷达处理端将天线接收的信号经过模数转换后，再送入雷达处理端进行雷达处理。在本发明的RadCom系统中，本地雷达处理采用的是基于发射信号与接收信号的滑动相关和DFT阵列处理。先将接收信号与参考信号作滑动相关，再将Nf个所得相关矢量按列排列为矩阵形式，然后将所得矩阵分行执行Nf点DFT，最后用所得矩阵的元素的绝对值画出三维雷达显示图像。根据设定的门限高度，可由三维雷达显示图像判断环境目标的数目、距离和相对速度信息。