论文部分内容阅读
随着电子信息技术的快速发展,无线通信和雷达探测在频段使用、硬件/系统架构以及信号处理方面都趋于相似。综合考虑频谱效率、硬件成本效益和新业务应用,未来智能车联网（Internet of Vehicles,Io V）和第六代无线通信（The Sixth Generation,6G）对通信和雷达一体化（Fusion of Communications and Radar,Rad Com）技术的需求持续增长。得益于能满足高速通信需求、较小距离分辨率需求和能消除通信与雷达波形的相互干扰,波形共用体制的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）Rad Com波形成为Rad Com最优候选波形之一。针对波形共用体制的OFDM Rad Com波形面临的高峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio,PAPR）问题、存在频谱干扰条件下的Rad Com波形设计问题和时间-频率域多用户组网问题,本文主要研究波形共用体制的OFDM Rad Com波形设计及信号处理。具体研究内容和贡献如下:（1）针对传统OFDM Rad Com波形固有的高PAPR问题,本文考虑以部分频谱资源为代价以降低波形PAPR。本文首先提出了一种灵活的基于子载波分配的通用波形设计架构,即全部子载波用于雷达探测,其中任意子载波用于通信,剩余子载波用于优化波形。然后,本文基于此通用波形设计架构提出了三种采用数值优化的低PAPR波形设计方法。时域波形PAPR的上界与其频域信号的非周期综合旁瓣水平（Aperiodic Integrated Side-lobe Level,AISL）线性相关。由此,本文将波形PAPR优化问题转换为了频域信号DFT结果的功率谱优化问题,进而提出了部分保留Gerchberge-Saxton算法和部分保留Majorization-Minimization算法。同时,时域波形PAPR优化问题还可以表示为时域能量谱的∞-范数优化问题。由此,本文将波形PAPR优化问题转换为时域能量谱的l-范数优化问题,提出了l-范数循环算法。仿真结果表明,三种波形设计算法都能在不影响通信和雷达性能的前提下有效降低OFDM Rad Com波形PAPR。（2）基于OFDM Rad Com系统恒定包络一体化波形设计需求,本文提出了一种基于相位调制的恒包络正交频分复用（Constant Envelope Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CE-OFDM）Rad Com波形设计方案。在发射端,该方案首先将一半子载波加载正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）符号而另一半用于其共轭对称,再通过离散傅里叶逆变换（Inverse Discrete Fourier Transfor-mation,IDFT）得到纯实数OFDM波形,最后通过非线性相位调制得到CE-OFDM Rad Com波形。该方案以一半频谱资源为代价,通过线性/非线性信号处理获得了0 d B波形PAPR,完美解决传统OFDM Rad Com波形高PAPR难题。仿真结果表明,当调制指数被恰当选择时,CE-OFDM Rad Com系统可得到优良的通信性能和雷达探测性能。（3）针对环境中存在数目和宽度未知的突发频谱干扰时,传统OFDM Rad Com系统无法同时完成通信和雷达功能的问题,本文提出了一种基于频谱感知的非连续正交频分复用（Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing,NCOFDM）Rad Com波形设计方案。该方案首先通过频谱扫描和基于子载波的功率谱检测算法对频谱进行判别,得到以1表示可用、0表示不可用的频谱效用序列。在发射端,再根据频谱效用序列在可用子载波上进行通信符号加载,然后通过IDFT得到NC-OFDM Rad Com波形。该方案通过实时的频谱感知、子载波功率谱检测与不可用子载波置0等信号处理方法使得Rad Com系统能够规避频谱干扰。仿真结果表明,NC-OFDM Rad Com系统能够在存在频域干扰的环境中实现通信与雷达功能,其频谱干扰数量和干扰占比越少,系统通信性能和雷达探测性能越好。（4）针对OFDM Rad Com多用户组网问题,本文提出了一种基于连续波分时多址（Time Division Multiple Address,TDMA）的OFDM Rad Com时间-频率域多用户组网方案。该方案中每个用户在其所分配的时隙中发射OFDM Rad Com波形,而在其余时隙中发射固定的ZC序列。每个用户先通过对已知的Zadoff-Chu（ZC）序列进行串行干扰消除（Successive Interference Cancellation,SIC）,将所得通信信号解调以完成通信,再进行通信波形重构并消除,最后对回波进行雷达处理。仿真结果表明,基于连续波TDMA的OFDM Rad Com系统通过干扰消除后能够有效实现通信与雷达功能,其用户数越少和信号干扰功率比（Siganl-to-Interference Ratio,SIR）越大,系统通信性能和雷达探测性能越好。