文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173167
中文引用格式: 王鵬. 空空導(dǎo)彈雷達(dá)通信一體化波形設(shè)計(jì)及通信鏈路分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(4):94-98.
英文引用格式: Wang Peng. Integrated radar-communication waveform design and communication link analysis for air-to-air missile[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(4):94-98.
0 引言
在實(shí)際作戰(zhàn)條件下,為及時(shí)修正彈道及自身姿態(tài),空空導(dǎo)彈通常須具備數(shù)據(jù)鏈制導(dǎo)能力,傳統(tǒng)意義上這需要使用專(zhuān)門(mén)的天線(xiàn)及通信終端實(shí)現(xiàn)[1],但這種專(zhuān)用的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)系統(tǒng)占據(jù)了寶貴的彈上空間,同時(shí)也進(jìn)一步提升了空空導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。近年來(lái),隨著通信與雷達(dá)的射頻前端趨于相同,雷達(dá)通信一體化的高集成度解決方案開(kāi)始引起人們的重視,再加上實(shí)用化的相控陣導(dǎo)引頭已逐步出現(xiàn),如果在彈載相控陣體制下也能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化,無(wú)疑可以解決上述問(wèn)題,而且借助于彈載雷達(dá)的高增益特性,數(shù)據(jù)鏈的性能將大大改善,甚至可支持彈間自主通信及協(xié)同作戰(zhàn),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重要空中目標(biāo)的精確打擊。
雷達(dá)通信一體化概念早在20世紀(jì)60年代就已出現(xiàn)[2],但其真正引起學(xué)者的重視則是在軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)[3]理念提出之后。此后,ROBERTON M于2003年提出了利用LFM波形實(shí)現(xiàn)通信載波的思路,并同時(shí)使用一路正掃頻和負(fù)掃頻波形分別完成雷達(dá)與通信功能[4],但二者并非嚴(yán)格的正交波形,必須采用收發(fā)分離天線(xiàn),同時(shí)也沒(méi)有考慮通信與雷達(dá)波形之間的能量分配問(wèn)題。Han Liang等人則提出了雷達(dá)與通信時(shí)分復(fù)用的設(shè)計(jì)方案[5],較好地解決了二者的相互干擾問(wèn)題,缺點(diǎn)是時(shí)隙分配周期較長(zhǎng),而且仍然采用收發(fā)獨(dú)立天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。NOWAK M團(tuán)隊(duì)提出了LFM與PSK復(fù)合調(diào)制機(jī)制[6],它利用小相位跳變策略使通信調(diào)制對(duì)雷達(dá)模糊函數(shù)的影響降低至可控范圍內(nèi),但這種方案對(duì)接收端的采樣率要求較高,而且PSK本身并非連續(xù)相位調(diào)制技術(shù),即使小相位調(diào)制也會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)分辨率的顯著降低。針對(duì)以上研究現(xiàn)狀,本文提出了一種利用基帶波形的特性值分解技術(shù)構(gòu)建雷達(dá)通信復(fù)合波形的設(shè)計(jì)策略,采用類(lèi)似CDMA碼分復(fù)用的機(jī)制保證雷達(dá)與通信波形之間的正交性,并對(duì)彈載環(huán)境下的通信收發(fā)鏈路及設(shè)計(jì)余量進(jìn)行了詳細(xì)分析,結(jié)果表明AWGN信道下的典型BER性能仿真與經(jīng)典的FSK調(diào)制性能基本相當(dāng),是一種通用性很強(qiáng)的雷達(dá)通信復(fù)用機(jī)制。
1 一體化波形構(gòu)建
在波形設(shè)計(jì)上,為了使探測(cè)距離最大化,雷達(dá)型空空導(dǎo)彈多選擇高占空比簡(jiǎn)單脈沖或LFM脈壓波形,重頻可達(dá)50 kHz~500 kHz,其中LFM可以實(shí)現(xiàn)距離與速度分辨率的去耦,抗截獲性能也優(yōu)于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單脈沖波形,得到了更為廣泛的應(yīng)用,因此本文也選擇LFM波形作為基礎(chǔ)雷達(dá)波形。考慮到彈載雷達(dá)信號(hào)處理能力及典型目標(biāo)尺寸,LFM掃頻帶寬設(shè)定為20 MHz,掃頻持續(xù)時(shí)間為6 μs,對(duì)應(yīng)時(shí)寬帶寬積為120。
LFM頻譜形狀接近于矩形且主要能量集中在掃頻帶寬內(nèi),但仍存在著一定的頻譜過(guò)渡帶,按照BLUNT S D等人的研究成果[7],如果能充分利用該過(guò)渡帶區(qū)域?qū)崿F(xiàn)通信信息的調(diào)制,可以達(dá)到優(yōu)秀的保密通信性能,且減少了通信與雷達(dá)波形之間的干擾。在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)BLUNT S D的設(shè)計(jì)思路作了進(jìn)一步推廣,同時(shí)也不局限于頻譜過(guò)渡帶區(qū)域。事實(shí)上,按照數(shù)字信號(hào)處理理論,對(duì)基帶波形進(jìn)行時(shí)域過(guò)采樣的同時(shí),相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字頻率域的擴(kuò)展,這種擴(kuò)展后的帶寬可以靈活地分配給通信調(diào)制波形,需要說(shuō)明的是這種分配方式并非傳統(tǒng)的頻分復(fù)用機(jī)制,而是通過(guò)對(duì)雷達(dá)波形的基帶自相關(guān)矩陣作特征值分解得到,以下介紹詳細(xì)的設(shè)計(jì)策略:
記雷達(dá)波形脈沖持續(xù)時(shí)間為T(mén)spon,基礎(chǔ)Nyquist采樣頻率為fs,過(guò)采樣率為M,則原始的LFM基帶波形時(shí)域表達(dá)式如式(1)所示(其中l(wèi)en=Tspon·fs·M):
矩陣S可以看成是列向量base_IQ數(shù)據(jù)在len范圍內(nèi)不斷進(jìn)行滑窗移位構(gòu)成的所有非零列向量集合,該矩陣的維數(shù)為len×(2len-1),無(wú)法進(jìn)行通常意義上的特征值分解,但它的自相關(guān)矩陣R=S·S′為len×len方陣,可以方便地進(jìn)行特征值分解,并按照其特征值大小進(jìn)行排序,如對(duì)前述20 MHz帶寬LFM信號(hào)分別進(jìn)行2倍和4倍過(guò)采樣,得到的矩陣R特征值分解排序結(jié)果如圖1所示。
可以看到,特征值的分布樣式與過(guò)采樣率有著密切關(guān)系,2倍過(guò)采樣率下,整個(gè)R矩陣共有240個(gè)特征值,其中后半部分約120個(gè)特征值幅度顯著高于前半部分,這與奈奎斯特采樣率下的120個(gè)復(fù)基帶信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)量保持一致;當(dāng)采樣率提高至4倍過(guò)采樣后,則只有最后約120個(gè)特征值幅值占據(jù)主要地位。在過(guò)采樣處理下,幅度較小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量可視作整個(gè)矩陣頻譜中的次要分量,以這些次要的特征向量為生成基,構(gòu)建通信波形,則可以使通信與雷達(dá)波形之間的相關(guān)性大為減少,類(lèi)似于CDMA系統(tǒng)。
如果選擇2倍過(guò)采樣率,可得到前述LFM波形參數(shù)下矩陣S對(duì)應(yīng)最小特征值的特征向量,將其作為通信波形的復(fù)基帶信號(hào),它與原LFM基帶信號(hào)的時(shí)域波形及自相關(guān)、互相關(guān)曲線(xiàn)分別如圖2、圖3所示??梢钥吹?,通信波形的能量遠(yuǎn)小于雷達(dá)波形(二者功率比為1:240,與基帶采樣點(diǎn)數(shù)量保持一致),這正是希望得到的結(jié)果,因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中,雷達(dá)為雙程衰減,而通信是單程衰減,為保證雷達(dá)通信一體化體制下的探測(cè)性能基本不受影響,應(yīng)使雷達(dá)波形占據(jù)絕大部分能量。另一方面,雖然特征值分解的計(jì)算復(fù)雜度較高,但雷達(dá)波形對(duì)發(fā)射系統(tǒng)通常是已知的,這種特征值分解完全可以事先利用高性能計(jì)算工具(如MATLAB、Eigen3等工具)完成,并不會(huì)占用寶貴的彈上處理資源。
從圖3中二者各自的相關(guān)特性曲線(xiàn)上可知,LFM的自相關(guān)函數(shù)十分陡峭,這正是脈沖壓縮波形的基本特性,通信波形的自相關(guān)函數(shù)峰值略小,但仍然遠(yuǎn)高于二者的互相關(guān)曲線(xiàn),這再次證實(shí)了次要特征向量與原LFM波形之間有著良好的正交性,而且雖然圖中并未給出,但實(shí)際上不同特征向量之間的互相關(guān)性也很低,從而可以很好地支持后續(xù)的通信解調(diào)算法。
完成特征值分解后,即可直接選擇特征值幅度最小的一組特征向量作為通信波形基元。記原始LFM波形和特征值排序后的特征向量分別為radar_bb和[eig_v1,eig_v2,eig_v3…],首先可根據(jù)期望的通信比特率選擇每個(gè)雷達(dá)脈沖應(yīng)調(diào)制的通信比特?cái)?shù)量BitNoPerPulse,由于彈載雷達(dá)重頻遠(yuǎn)高于地面雷達(dá),即使每個(gè)脈沖中僅包含數(shù)個(gè)比特信息,整個(gè)通信系統(tǒng)的比特傳輸速度也可達(dá)數(shù)百甚至上兆bps,這已經(jīng)能夠很好地滿(mǎn)足彈載雷達(dá)通信的需要;然后根據(jù)BitNoPerPulse從[eig_v1,eig_v2,eig_v3…]中選擇合適的特征向量作為通信波形生成基元,并最終得到通信復(fù)基帶信號(hào),如一種最直接的思路是直接將eig_v1作為通信波形,并采用對(duì)極調(diào)制方式,此時(shí)調(diào)制信息0與調(diào)制信息1時(shí)的復(fù)基帶信號(hào)表達(dá)式可分別表示為:
式中,ModRatio為能量調(diào)整因子,默認(rèn)為1,如果通信波形輻射能量不夠,可以利用該參數(shù)提高通信功率,從而可以保證接收端足夠的信噪比。當(dāng)ModRatio取1時(shí),原20 MHz帶寬LFM波形加入通信調(diào)制前后的頻譜差異如圖4所示??梢悦黠@看到,調(diào)制后信號(hào)的頻譜變化主要是在20 MHz附近的高頻區(qū)域,其他大部分區(qū)間(包括圖中未畫(huà)出的0~18 MHz區(qū)域)調(diào)制前后基本無(wú)變化,選擇不同的特征向量,調(diào)制前后的頻譜差異也有所不同,但通信波形的能量基本都是在高頻部分。因此當(dāng)采用這種雷達(dá)嵌入通信調(diào)制策略時(shí),必須對(duì)原始雷達(dá)波形產(chǎn)生子系統(tǒng)的帶通濾波器進(jìn)行一定程度的修正,以防止通信能量被大幅衰減。
2 通信鏈路分析及性能仿真
以空空導(dǎo)彈Ka波段相控陣導(dǎo)引頭為應(yīng)用背景,按照目前的技術(shù)水平,可對(duì)雷達(dá)通信一體化設(shè)計(jì)下的各個(gè)鏈路環(huán)節(jié)開(kāi)展分析。考慮天線(xiàn)口面及T/R模塊性能的限制,法線(xiàn)方向發(fā)射峰值EIRP約為90 dBm。在實(shí)際應(yīng)用中,通常需要將發(fā)射主波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),而使可用的波束旁瓣對(duì)準(zhǔn)合作接收機(jī),避免其陷入方向圖零陷區(qū)域,這可通過(guò)對(duì)發(fā)射DBF波束形成方程施加約束并利用凸集優(yōu)化求解得到[8]。這種旁瓣波束電平通常比主瓣低10~15 dB,當(dāng)然如果主波束能同時(shí)覆蓋目標(biāo)與合作接收機(jī),就可以避免該旁瓣電平損失,這里以最壞情況考慮,此時(shí)可認(rèn)為旁瓣波束的發(fā)射EIRP約為75 dBm。
天線(xiàn)接收同樣需要采用DBF技術(shù)以實(shí)現(xiàn)同時(shí)跟蹤目標(biāo)及其他合作導(dǎo)彈,接收G/T值一般為0~2 dB,取中間值1 dB,可建立如表1所示的通信鏈路分析表,其中典型作用距離選擇30 km,主要是考慮到實(shí)際彈載雷達(dá)通常在末制導(dǎo)距目標(biāo)20 km左右時(shí)才會(huì)開(kāi)機(jī)??梢钥吹?,整個(gè)系統(tǒng)的EbN0設(shè)計(jì)余量約10 dB,且數(shù)據(jù)速率可達(dá)2 Mb/s,已經(jīng)可以滿(mǎn)足許多實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的需要,而且隨著新一代大功率TR模塊逐步出現(xiàn)[9],再加上先進(jìn)前向糾錯(cuò)編碼(FEC)技術(shù)的突破[10],整個(gè)系統(tǒng)的最高通信容量仍有相當(dāng)?shù)纳仙臻g。
除了收發(fā)鏈路分析與估計(jì),接收機(jī)解調(diào)是整個(gè)系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵,如果只采用一個(gè)特征向量作為通信基元,可采用如式(3)所示的對(duì)極調(diào)制策略,此時(shí)相當(dāng)于通信中的BPSK調(diào)制,只是調(diào)制波形更為復(fù)雜,在不考慮干擾的情況下,其BER性能與BPSK完全相同。當(dāng)然,這種對(duì)極調(diào)制策略的缺點(diǎn)也同樣存在,它必須采用精確的載波恢復(fù)算法來(lái)保證相干解調(diào)的正常工作,而在彈載雷達(dá)這種復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下,穩(wěn)健的載波同步算法仍不成熟,因此可考慮采用多個(gè)特征向量構(gòu)成的通信基元,由于各通信基元之間良好的正交性,這種符號(hào)映射方式的性能與經(jīng)典的FSK調(diào)制相當(dāng),當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中同時(shí)還存在著LFM雷達(dá)波形,它相當(dāng)于一定的加性干擾,這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際解調(diào)BER性能略低于FSK。
為驗(yàn)證這種雷達(dá)通信復(fù)合波形的通信性能,構(gòu)建了AWGN信道下的通信調(diào)制解調(diào)模型, 其與理想的FSK調(diào)制BER性能對(duì)比曲線(xiàn)如圖5所示。可以看到,要達(dá)到相同的BER,復(fù)合波形所需EbN0比理想2FSK高約2 dB,這正是雷達(dá)波形的干擾所帶來(lái)的,提高基帶信號(hào)的過(guò)采樣率可減少此類(lèi)干擾,有助于進(jìn)一步改善BER性能。
3 結(jié)論
本文重點(diǎn)研究了相控陣體制下空空導(dǎo)彈雷達(dá)通信一體化波形的設(shè)計(jì)及通信性能仿真分析,對(duì)Blunt等人的研究成果作了進(jìn)一步推廣,提出了一種通用性較強(qiáng)的雷達(dá)波形嵌入通信調(diào)制方案,較好地解決了二者的相互干擾問(wèn)題。本文的另一個(gè)主要工作是依據(jù)現(xiàn)有的彈載相控陣天線(xiàn)典型參數(shù),完整地分析了整個(gè)彈載雷達(dá)通信系統(tǒng)的收發(fā)鏈路,并證實(shí)了這種復(fù)合化波形的可行性,而現(xiàn)有的多數(shù)文獻(xiàn)則主要從雷達(dá)模糊函數(shù)角度分析[11],未能涵蓋鏈路估計(jì)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。最后通過(guò)仿真模型驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的一體化復(fù)合波形BER性能,具有較好的工程價(jià)值。
收發(fā)同步是研究團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將要重點(diǎn)解決的問(wèn)題,傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)通常采用PLL實(shí)現(xiàn),但彈載雷達(dá)脈沖壓縮波形并非傳統(tǒng)的單音頻載波,經(jīng)典的PLL模型難以直接適用,但可考慮在發(fā)射波形中加入特殊的同步頭信息,最終設(shè)計(jì)出一種適用于脈沖體制下的鎖相環(huán),從而實(shí)現(xiàn)載波相位同步。
參考文獻(xiàn)
[1] 張俊寶,張蓬蓬,宋琛.空空導(dǎo)彈彈載數(shù)據(jù)鏈技術(shù)發(fā)展淺析[J].飛航導(dǎo)彈,2014(9):82-84.
[2] MEALEY R M.A method for calculating error probabilities in a radar communication system[J].IEEE Transactions on Space Electronics and Telemetry,1963,9(2):37-42.
[3] MITOLA J,MAGUIRE G Q.Cognitive radio:Making software radios more personal communication[J].IEEE Personal Communications,1999,6(4):13-18.
[4] ROBERTON M,BROWN E R.Integrated radar and communications based on chirped spread-spectrum techniques[C].IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2003,1:611-614.
[5] Han Liang,Wu Ke.Joint wireless communication and radar sensing systems-state of the art and future prospects[J].IET Microwaves,Antennas & Propagation,2013,7(11):876-885.
[6] NOWAK M,WICKS M,Zhang Zhiping.Co-designed radar-communication using linear frequency modulation wave-form[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems,2016,31(10):28-35.
[7] METCALF J G,SAHIN C,BLUNT S D.Analysis of symbol-design strategies for intrapulse radar-embedded communications[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2015,51(4):2914-2931.
[8] HASSANIEN A,AMIN M G,ZHANG Y D,et al.Dual-function radar-communications: Information embedding using sidelobe control and waveform diversity[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2015,64(8):2168-2181.
[9] 陳熾,胡濤,陳俊,等.星載氮化鎵功率放大器設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2014,34(5):440-445.
[10] ABBAS S M,F(xiàn)an Youzhe,Chen Ji,et al.High-throughput and energy-efficient belief propagation polar code decoder[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI) Systems,2017,25(3):1098-1111.
[11] 李曉柏,楊瑞娟,程偉.基于頻率調(diào)制的多載波Chirp信號(hào)雷達(dá)通信一體化研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013,35(2):406-412.
作者信息:
王 鵬
(信陽(yáng)師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院,河南 信陽(yáng)464000)