通信雷达一体化波形设计及信号处理
摘要：近年来我国社会会发展迅速，科技不断进步。随着现代信息技术的快速发展，人工智能、大数据等技术与传统的电子信息领域深度融合，催生出沉浸式体验、全息传送、拓展现实、数字孪生等一系列新兴业务，这些新兴业务的实现往往依赖于多种传统的信息技术手段。业务量的增加本质上是对带宽资源需求的扩张，而在频谱拥塞问题日益严重的今天，更好地推进信息技术需要发展一体化技术。得益于先进的数字信号处理技术，雷达感知和无线通信系统可以采用相似的架构实现，这使感知通信一体化成为可能。该技术通过共享收发系统，实现更有效、更紧凑的硬件设计，能够显著提升资源利用效率，因此受到了许多研究机构的关注。
关键词：通信雷达；一体化；波形设计；信号处理 引言
作为使用无线频谱的两种典型方式，通信和雷达在各自领域内取得了深入发展。近年来，为提高平台智能化水平，在同一平台中同时配置通信和雷达两种功能的需求日益强烈。传统意义上，配置通信和雷达功能，需要两套硬件，但这极大地增加了硬件成本，也给系统集成带来了较大困难。近年来，通信雷达一体化设计理念被提出，其基本思想是：前端共用射频通道及天线，后端采用统一数字处理硬件。由于该方法能够将通信和雷达功能在同一硬件平台中实现，因此能够极大地降低硬件成本、减小系统集成复杂度，从而近年来得到了广泛关注。
1雷达通信一体化基本概念及其优势
雷达通信一体化是指在同一软件或者硬件平台上实现雷达探测和无线通信两种功能。2021年，WeijieYuan等人提出，在车联网场景中，路边小基站通过接收到的回波信号估计车辆的位置和速度等各种运动相关参数，借助这些信息，在基站发射端预测雷达信道参数，在下一次发送一体化信号之前做预处理来补偿雷达信道的路径损耗和多普勒频移，车辆接收到基站发射的信号后可以绕过复杂的
信道估计进行下行传输。2015年，DCiuonzo等人为了实现在雷达感知过程中的隐蔽通信，采用了一种经济有效的方法，将通信信号嵌入雷达回波，以掩盖通信数据传输。
2一体化信号调制技术研究现状
2.1基于扩频调制技术的一体化信号设计
扩频调制技术采用伪随机码，例如M-序列，调制发射信号可以获得近似最优相关特性。因此，基于单载波扩频信号的无线通信与雷达测距很早就引起关注。将扩频信号应用到通信与距离检测中，以获得高动态测量范围。为解决V2V通信与测距中简单伪随机码，例如PN-序列、相关性差引起的测距问题，EoE-序列并应用到V2V通信与测距中，取得了良好的测距性能。利用正交信号结合扩频技术作为雷达通信一体化发射信号，雷达与通信信号分别采用不同的伪随机码调制，以保证接收端能够区分雷达信号与通信信号。总结基于单载波扩频调制技术的雷达通信一体化方法，从通信角度分析，应用码分多址技术实现多用户通信是可能的，但是扩频因子会降低数据传输速率;从雷达角度分析，长序列的伪随机码，例如M-序列，可以获得较好的性能，但是动态测量距离受限于伪随机码的正交性能，同时应用扩频信号进行目标测速，巨大的计算量成为扩频调制信号雷达应用的一个主要劣势。
2.2基于阵列技术的一体化信号设计
阵列技术广泛使用在雷达与通信应用领域。从雷达角度分析，多天线阵列雷达可以提高空间分辨率、抗干扰能力和目标检测能力。从通信角度分析，多天线阵列通信技术，例如MIMO，可以利用多径传播提高信道容量。所以基于阵列天线结构的雷达通信一体化信号方法也很有吸引力。将MIMO技术与OFDM信号结合，通过每个阵元发射不同子波段OFDM信号构建雷达通信一体化信号。将MIMO技术应用到FMCW信号波形发射中提高通信速率，同时引入空时编码技术保证正、负斜率Chirp信号的正交性。2种基于MIMO技术雷达通信一体化阵列设计及信号优化方法。一种是将阵元划分两部分，分别对应雷达目标检测与通信应用，在该设计框架下，雷达信号设计在通信信道的零空间;另外一种则是所有阵元直接发射
雷达与通信共用信号，在这种设计框架下雷达目标被当作虚拟的通信用户，一体化信号设计问题转化为优化不同用户功率分配问题。DM信号在雷达通信一体化应用中呈现出固有的优势，因为从通信角度分析，DM信号作为通信调制信号明显地可以实现信息传输，而根据DM信号特点，目标回波信号的BEＲ可以指示空间目标的存在与否，进而可以提供雷达目标追踪及目标监视功能。该方案为雷达通信一体化信号设计研究提供了新思路。
3接收端信号处理技术 3.1通信信号接收处理技术
在一体化波形共用的场景中，接收端雷达回波和通信信号共存，接收机需要对同时接收到的雷达回波和通信信号进行分离，并且在通信接收端需要抑制雷达回波的干扰，从而降低通信接收端的误码率。根据雷达和通信系统是否共享相对位置、传输波形和信道状态等信息，可以将通信接收端分为协作和非协作2种模式。针对协作模式，雷达干扰是高幅度窄脉冲的周期性干扰，所以可以将这种情况下的雷达干扰看作加性信号。基于单载波系统，研究雷达系统对通信接收机性能的影响，并进一步考虑了脉冲干扰相位的不确定性，设计的二维信号星座能够更好地处理未知雷达干扰，在不同的条件约束下实现了传输速率最大化、误码率最小化。低功率雷达干扰优化设计的星座趋向于同心六边形，高功率情况下趋向于非等间距脉冲幅度调制（PAM,pulseamplitudemodulation）形状，而中等功率情况下介于二者之间。这些结果的发现对通信雷达的协同有重要作用。针对非协作模式，基于多未知雷达干扰通信接收端的模型，提出基于压缩感知和原子范数约束的优化算法，实现了在雷达信号稀疏情况下，恢复通信原始信号并消除雷达干扰的目的。
3.2雷达信号接收处理技术
雷达接收端常通过数字信号处理方法降低通信信号和各类杂波干扰对感知性能的影响，实现对探测目标参数的高分辨估计。降低干扰方面，雷达接收端的干扰主要包括一体化波形中的通信信息、其他一体化系统的干扰以及传输过程中的各类杂波。将杂波视为加性噪声，讨论杂波干扰对雷达估计速率的影响。采用相
关接收机近似发射信号以去除杂波，显著降低了噪声水平。同时，也有很多针对多用户和多系统场景下降低干扰的研究。上述讨论是基于干扰强度低于信号强度的情形，当干扰信号过强时，传统的滤波算法存在信号失真的风险，可用CLEAN算法和匹配追踪等贪心算法，通过投影、迭代的方式消除干扰分量，当干扰在时域、频域或空域满足稀疏条件时，能够十分有效地去除干扰。考虑多普勒频移较低的情形，选择OFDM一体化波形的部分子载频进行处理，实现时延和多普勒估计。基于FFT的脉冲压缩方法与匹配滤波等效，有效地提取目标的距离和速度信息。为进一步提高分辨率，将接收回波投影到子空间，实现对目标参数的超分辨估计。基于数据符号的圆周相关能够有效抑制模糊函数、拓展雷达探测距离，接收端常用提高探测性能的各类滤波器，结果表明基于圆周相关的滤波器总体表现更好。将机器学习方法用于一体化系统的目标参数估计也受到研究人员的关注，这类方法能够有效降低太赫兹传输中面临的信号损伤、非线性干扰等问题，但往往对信噪比有一定的要求。
结语
随着信号处理以及智能硬件设备的不断更迭，在同一嵌入式小型设备上集成具有通信和感知能力的技术似乎变得不那么遥远。不论是在以雷达感知为主的场景下附加通信功能，还是在以通信为主的场景下附加雷达感知功能，都将提升系统的智能化，这是十分令人振奋的。随着社会信息化程度的不断深化，感知通信一体化程度必将越来越高，功能也越来越丰富，未来有望得到广泛应用，并发挥重要作用。
参考文献
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