航海雷达通信一体化信号峰均比抑制.pdf

第44卷第2 期2023年6 月D0I:10.13340/j.jsmu.2023.02.005上海海事大学学报Journal of Shanghai Maritime UniversityVol.44No.2Jun.2023文章编号：16 7 2-9 49 8(2 0 2 3)0 2-0 0 2 5-0 5航海雷达通信一体化信号峰均比抑制应士君，张东阳（上海海事大学商船学院，上海2 0 130 6）摘要：为解决基于正交频分复用（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，O FD M）的雷达通信一体化信号中固有的峰均比（peak-to-averagepowerratio，PA PR）较高的问题，将OFDM信号数据块结合P4码进行系数加权，提出一种改进的选择映射（selected mapping，SLM）算法（记为PSLM算法）。该算法对信号分组形成OFDM信号数据块，生成与数据块数量相等的P4码，将其量化后移位形成具有若干列的相位旋转因子矩阵。利用该矩阵对每个数据块中的信号进行加权后再进行逆快速傅里叶变换，选择PAPR最低的信号通过雷达发射端发射出去。仿真结果表明，该算法在降低计算复杂度的同时可以实现PAPR抑制，且采用该算法后的一体化信号具有类似图钉形的模糊函数。关键词：雷达通信一体化；P4码；峰均比（PAPR)中图分类号：U666.14PAPR suppression of marine radar and communication文献标志码：Aintegration signalsYING Shijun,ZHANG Dongyang(Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract:In order to solve the problem of the high peak-to-average power ratio(PAPR)in radar andcommunication integration signals based on the orthogonal frequency division multiplexing(OFDM),OFDM signal data blocks are weighted with P4 code,an improved selected mapping(SLM)algorithm,called PSLM algorithm,is proposed.The algorithm groups signals to form OFDM signal data blocks,andgenerates P4 codes,and the number of P4 codes is equal to the number of data blocks;after quantizationof P4 codes,it is shifted to form a phase rotation factor matrix with several columns.The signal in eachdata block is weighted by the matrix before performing the inverse fast Fourier transform,and the signalwith the lowest PAPR is selected and transmitted through the radar transmitter.Simulation results showthat,the algorithm not only reduces the computational complexity,but also supresses PAPR,and theintegration signal using the algorithm is of the fuzzy function similar to the thumbtack shape.Key words:integration of radar and communication;P4 code;peak-to-average power ratio(PAPR)收稿日期：2 0 2 2-0 1-0 6 修回日期：2 0 2 2-0 3-2 5基金项目：上海市科技创新计划（2 0 DZ2252300)作者简介：应士君（19 6 6 一），男，江苏宜兴人，教授，博士，研究方向为船舶通信与导航，（E-mail)http:/hyxb 260引言为确保商船的航行安全，国际海上人命安全公约强制要求商船配备多种通信和导航设备，而航海雷达被誉为船长的“眼睛”，在驾驶台的作用尤为重要。传统的雷达传感与无线通信是相互独立的，可能会造成电磁频谱拥挤和设备穴余等问题。另外,当船舶航行在恶劣天气和复杂海况中时，微弱的回波信号可能会被海杂波淹没从而影响船舶航行安全，因此国际海事组织（internationalmaritimeorganization，I M O）主张在S波段发展雷达通信波形共享技术。目前，波形共享的实现方式主要有2 种。一种方式是基于线性调频信号的雷达通信波形共享，如：文献 2 中，雷达信号采用线性调频脉冲串信号，通信信号经过扩频调制加载到雷达脉冲上形成雷达通信混合信号，通过雷达发射端发射出去，但在接收端通过分离技术将通信信号和雷达信号分离出来的难度较大,其效果受分离算法的影响并且存在多普勒敏感问题 3;文献 4在线性调频信号的基础上研究了雷达通信波形共享的方法，将最小频移键控调制到线性调频信号上，但其模糊函数为不完美的图钉形,因此与线性调频信号相比,容易造成多普勒失配。另一种方式是基于正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)的雷达通信一体化波形,具有频谱利用率高、分辨率高、抗干扰能力强等特点，逐渐受到研究学者的关注 5。目前,基于 OFDM的雷达通信一体化波形的设计难点主要在于降低通信数据对雷达的影响以及对峰均比（peak-to-average power ratio，PAPR)的抑制 6。针对OFDM信号PAPR较高的问题，常用的方法有：限幅法 7、选择映射（selectedmapping,SLM）算法 8、部分传输序列法 9、编码法 10、预留子载波法等 。SLM算法是一种概率类算法,可以避免由信号畸变带来的误码率 12,通过改变相位信息来选择低PAPR信号，因此不会产生额外噪声。SLM算法可适用于任何数目的子载波系统，且无须考虑调制方法 13，但需要占用频带资源传输边带信息，会增加系统穴余度，影响信息传输速率。文献 14在概率类算法的基础上设计了一种PAPR抑制算法，该算法通过生成长度与子载波数量相等的Logistic混沌序列,对一体化信号进行相位加权来降低信号的PAPR，但是混沌序列对使用的初值和可变参数极其敏感，且子载波数量越多，需要生成越长的混沌序列，为正确解调需要占用频带资源。文献 6 为解决一体化信号PAPR较高的http:/hyxb 上海海事大学学报问题,提出恒包络OFDM信号，使用频率或相位调制使信号的包络恒定。一体化信号具有良好的模糊函数性能,形状类似图钉，但使用该方法后频谱利用率降低，只有当一体化信号的输人信噪比大于10dB时,才能避免出现输出信噪比急剧下降的门限效应。本文基于文献 15设计一种将映射通信信息的相位编码序列调制到OFDM信号各个子载波上的一体化信号，在进行雷达探测时能够进行数据传输。为解决PAPR较高的一体化信号进人功率放大器的非线性区域可能产生的信号畸变等问题，提出一种结合P4码的改进SLM算法（记为PSLM算法）,在实现一体化信号PAPR抑制的同时可对系统计算的复杂度进行优化。最后，通过仿真验证采用该算法后一体化信号的可行性和PAPR抑制算法的有效性。1信号设计基于相位编码OFDM的雷达通信一体化信号是将通信信息融入不同排列方式的相位编码序列。首先，在发送端将基带信息映射为P4码序列后进行串并变化形成并行数据，利用逆快速傅里叶变换(inverse fast Fourier transform,IFFT)进行 OFDM 调制,将并行数据调制到N个子载波上，然后将N个子载波通过并串变换叠加到一起，搬移到高频载波上由雷达发射端发射出去。为提高雷达的探测距离，一体化信号采用大时宽带宽积信号，回波信号在接收端使用脉冲压缩技术提高长脉冲信号的距离分辨力16。为在接收端正确解调基带信息，回波信号需要在接收端利用快速傅里叶变换进行OFDM解调，得到映射通信信息的P4码序列，按照映射规则进行解码得到十进制数d，即第n个子载波对应的相位编码序列较初始序列移d，位,然后将其转化为二进制,通过并串变换得到基带信息。一体化信号脉冲结构如图1所示，N-1,0N-1,1：1.01.10.00.1T0M-1T,图1一体化信号脉冲结构图1中:n,m为每个脉冲的第n（n=0,1,第44卷N-1,M-11,M-10,M-10M-1第2 期N-1)个子载波上的第m（m=0,1,M-1）个码元，携带通信信息的相位编码序列通过IFFT调制到相互正交的子载波上；f为子载波间隔；T，为脉冲周期;T为完整OFDM符号持续时间。一体化信号第p个脉冲的表达式可表示为N-1 M-1s,(t)=Z Z.ampexp(j2mf.(t-mT,-pT,)n=om=0rect(t-mT,-pT.)T.J1,0tT,rect=o,其他式中:p=0,1,N,-1为脉冲数;f,=nAf为第n个子载波的频率;mn,p为第p个脉冲的第n个子载波的第m个码元；n为第n个子载波的权重；rect()为矩形窗函数。在雷达通信一体化系统中，通信速率是衡量信号优劣的重要指标。假设一体化信号的N=128，T+Tg=13 s,M=16,d=0.4(d为占空比),通信dN速率S=T+T.-log2M=15.75 Mb/s,其中 T为基本OFDM符号宽度,T。为循环前缀。2 PSLM 算法2.1PAPR若OFDM信号子载波的相位出现一致，子信道的信号叠加后会产生较大的瞬时峰值功率 14，可能会造成通信信号的非线性失真和发射功率的损耗，影响雷达性能。因此,较高的PAPR是基于OFDM的雷达通信一体化信号的一个主要缺点17。对一体化信号进行采样，采样频率为N/T，得到离散时间信号s,（k）。定义PAPR为一个OFDM周期内最大信号功率与平均功率的比值，其单位采用dB的表达式如下：TpAP=10 1g式中,E()为求期望。PAPR具有随机性，一般用互补累计分布函数分析OFDM信号PAPR的分布情况 18,计算系统中PAPR超过门限值ro的概率，得到P(TpAP ro)=1-P,(TpAp To)=1-(1-exp(-ro)2.2PAPR抑制实现SLM算法通过对子载波的相位信息优化降低信号的PAPR,将串并变化后的数据复制为U组,通应士君，等：航海雷达通信一体化信号峰均比抑制信号数据块对角矩阵R。(1)R=diag(Ai,A2,A,)对OFDM信号数据块进行相位旋转时，为不破(2)坏OFDM信号子载波的正交性,选择自相关性良好且具有抗多普勒频移能力的P4码序列。P4码是一种常用的多相编码,其表达式为m=m(m-1)(m-1-E)E式中:E为码元个数;m=1,2,E。生成与R中OFDM信号数据块相等的D位P4码,将其量化形成长度为D的相位旋转因子序列P4,l=1,2，,D 后,组成相位旋转因子矩阵F，量化后的取值空间为（-1,1,利用F对矩阵R进行系数加权,即IR,F,d=1,2，,D,R a 表示OFDM信号矩阵的第d个子矩阵。P4i循环移位可产生D!个相位旋转因子序列,D!组修改后的信号可表示为Zx=(RFx,R,Fx,RDF.),x=1,2,D!其中,F，为第x个相位旋转因子矩阵。式(7)的一组信号经过IFFT可表示为(R.F)=ZrfDy=IFFT(由式(3)可知,使PAPR最小的相位旋转因子序列可表达为P4i=arg min为在接收端恢复出相应的相位旋转因子序列，(3)E(Is,(k)12)(4)27过与U组不同的相位旋转因子点乘对相位进行修改，数据经过IFFT转化为时域信号后，选择PAPR最低的信号作为发送信号。本文在SLM算法的基础上提出一种PSLM算法，将N个携带通信数据的信号分为D个OFDM信号数据块A；，i=1,2，D,每个数据块A；包含N/D个信号，构建OFDM(5)(6)(7)(8)maxraJd=1发射端只需发射OFDM信号数据块个数和最优相位旋转因子序列对应的二进制编号即可。另外,引人阈值和对相位旋转因子分组的思想,将生成的D位P4码分为G组,相位旋转因子序列以组为单位进行循环移位，从G！+1组备选信号中选择PAPR最低的信号。为防止PAPR过高的一体化信号进入功率放大器的非线性区域，可根据功率放大器的线性区域设置阈值rt。增大阈值后，若OFDM信号的PAPR低于阈值，则选择该信号作为发射信号；反之,则选择PAPR最低的信号作为发射信号http:/hyxb (9)283仿真及分析通过计算机仿真验证表1一体化信号仿真参数本文提出的一体化信号的数值可行性以及设计的PAPR载频f。抑制算法的有效性。一体带宽B化信号仿真参数的设置见子载波数量N128表1。脉冲宽度T208us模糊函数是衡量雷达脉冲周期T,550us波形的重要性能指标,反映了设计的雷达波形的分辨力、测量精度等性能19。采用PSLM算法抑制一体化信号的PAPR后，一体化信号的模糊函数如图2 所示：在模糊函数的原点处有较高的峰值，频率旁瓣类似Sinc 函数，旁瓣的归一化幅度均小于0.2,且离原点越远,幅度越小,形状类似图钉。图3为距离模糊函数，主峰突出且明显高于旁瓣。仿真结果表明,采用该算法后一体化信号仍具有良好的距离分辨力和测距精度。仿真场景中,航海雷达量程为4nmile,3个目标相对雷达的距离分别为50 0 0、7 110、7 130 m（场景1），雷达检测仿真结果如图4所示：有3个峰值，且峰值的位置与3个目标的位置一致，说明一体化信号可以检测并分辨出3个目标。将3个目标相对雷达的距离分别设置为50 0 0、7 110、7 12 0 m（场景2）,其中2 个目标之间的距离小于距离分辨力，仿真结果如图5所示：只有2 个峰值，即只能检测到2个目标。1.0r0.5福100:80.60A00归一一化多普勒顿移*0.201.00.50一化时间延迟归图2一体化信号的模糊函数1.0r0.80.60.40.20图4雷达距离输出（场景1）图5雷达距离输出（场景2)对比混沌序列分组算法与PSLM算法的PAPR抑制性能,结果如图6 所示：采用混沌序列分组算法（将混沌序列分为2 组）时，rpAp6.25dB的概率由原始信号的1下降到了0.93；采用PSLM算法时，在http:/hyxb 上海海事大学学报D=2时概率由原始信号的1下降到了0.7 8,在D=16时概率由原始信号的1下降到了0.6 10-3。因此,PSLM算法具有良好的PAPR抑制性能，且参数OFDM信号数据块越多，抑制效果越明显。图7 仿3CHz真了相位旋转因子序列分组对PAPR抑制性能的影10MHz响(D=16)：当G=2时rpAp7dB的概率由原始信号的0.95下降到了0.4,在G=4时概率由原始信号的0.95下降到了0.910-3。这表明，相位旋转因子序列分组越多,PAPR抑制性能越好。图8 展现了PAPR阅值r分别等于6.8 dB和7.0 dB时的PAPR抑制性能仿真曲线（D=16,G=4）。从图8可以看出，引入阈值可以抑制一体化信号的PAPR，但阈值越大,PAPR抑制效果越弱。图9对比了PSLM算法与传统SLM算法的计算复杂度，经2 种算法处理后的一体化信号的rpAPro的概率越大，计算时间越长，但PSLM算法所需计算时间较短。100(o.dvd.i)d10-110-210-310-4024681012ro/dB图6 不同算法的PAPR抑制效果100(odvd.)d10-210-310-4024681012ro/dB图8 不同阅值的PAPR抑制效果1510(o.idva.)d10-110-210-3L0.30.40.50.60.70.80.91.0归一化时间图92 种算法的计算复杂度对比原始信号一不设置阅值r=6.8i-7.0-PSLM算法-SLM算法第2 期4 结 论为同时进行雷达探测和无线通信工作，设计了一种利用P4码循环移位映射基带信息,将其调制到雷达脉冲的各个子载波上的雷达通信一体化信号。提出改进的SLM算法（记为PSLM算法）抑制一体化信号中较高的PAPR,通过仿真不同数量的OFDM参考文献：1J LIU Y J,LIAO G S,YANG Z W,et al.Design of integrated radar and communication system based on MIMO-OFDM waveformJ.Journal ofSystems Engineering and Electronics,2017,28(4):669-680.D0I:10.21629/JSEE.2017.04.06.【2】李佳洋毫米波直升机雷达通信一体化研究D，成都：电子科技大学，2 0 12.【3】胡朗，薛广然，唐尧，等多载频相位编码雷达通信一体化研究J电讯技术，2 0 14，54（10）：1391-1395.D0I：10.396 9/j.i s s n.10 0 1-893x.2014.10.014.【4】杨慧婷：基于线性调频信号的雷达通信共享信号研究D西安：西安电子科技大学，2 0 18.5 STURM C,ZWICK T,WIESBECK W.An OFDM system concept for joint radar and communications operations CJ/VTC Spring 2009-IEEE69th Vehicular Technology Conference.IEEE,2009:1-5.D0I:10.1109/VETECS.2009.5073387.【6】何估明基于OFDM的雷达通信一体化信号设计D成都：电子科技大学，2 0 17.7 WANGY C,LUO Z Q.Optimized iterative clipping and filtering for PAPR reduction of OFDM signals J.IEEE Transactions onCommunications,2011,59(1):33-37.D0I:10.1109/TCOMM.2010.102910.090040.8 JEON H B,NO J S,SHIN D J.A low-complexity SLM scheme using additive mapping sequences for PAPR reduction of OFDM signalsJJ.IEEETransactions on Broadcasting,2011,57(4):866-875.D0I:10.1109/TBC.2011.2151570.9 KU S J,WANG C L.A new side-information free PTS scheme for PAPR reduction in OFDM systemsC/2012 IEEE 8th International Conferenceon Wireless and Mobile Computing,Networking and Communications.IEEE,2012:108-112.D0I:10.1109/WiM0B.2012.6379061.10 LU G,WU P,ARONSSON D.Peak-to-average power ratio reduction in OFDM using cyclically shifted phase sequences J.IETCommunications,2007,1(6):1146-1151.D01:10.1049/iet-com:20060038.11 PARK K,PARK IC.Low-complexity tone reservation for PAPR reduction in OFDM communication systemsJ.IEEE Transactions on Very LargeScale Integration Systems,2012,20(10):1919-1923.D0I:10.1109/TVLSI.2011.2164104.12】张翼基于OFDM的雷达通信一体化波形设计D成都：电子科技大学，2 0 18.13孔德廷，OFDM系统中降低峰均比算法研究D成都：电子科技大学，2 0 11.14李哲雷达通信一体化信号设计与处理技术研究D北京：北京邮电大学，2 0 2 1.15 LIU Y J,LIAO G S,YANG Z W,et al.Multiobjective optimal waveform design for OFDM integrated radar and communication systemsJ.Signal Processing,2017,141:331-342.D0I:10.1016/j.sigpro.2017.06.026.16】夏阳，宋志勇，卢再奇，等，多载频相位编码雷达信号自适应脉冲压缩方法J系统工程与电子技术，2 0 16，38（9)：2 0 2 8-2 0 32.17 LI C,BAO W M,XU L P,et al.Radar communication integrated waveform design based on OFDM and circular shift sequenceJ.MathematicalProblems in Engineering,2017,2017:9840172.D0I:10.1155/2017/9840172.18】李梦姣雷达通信一体化波形设计研究D成都：电子科技大学，2 0 18.19】田旋旋基于雷达通信一体化机制的车辆情境信息感知方法研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 18.应士君，等：航海雷达通信一体化信号峰均比抑制29信号数据块和不同的相位旋转因子序列分组对PAPR抑制性能的影响,验证了算法的有效性。仿真结果表明,通过增加数据块和相位旋转因子序列分组,可达到更好的PAPR抑制效果,并且与传统SLM算法相比,降低了系统计算的复杂度。同时，仿真了采用PSLM算法后一体化信号的模糊函数，结果表明其具有良好的测距精度和距离分辨力。(编辑赵勉)http:/hyxb