本发明属于通信雷达一体化技术领域，涉及一种基于恒定包络正交频分复用的多用户通信雷达一体化系统。本发明在MU‑RadCom发送端先将待发送的二进制数据通过正交幅度调制，并将发送给不同用户的数据符号放入特殊域上对应用户分配位置，再通过离散傅里叶逆变换、相位调制与加循环前缀后得到CE‑OFDM符号，最后将此CE‑OFDM符号发射入信道。在通信接收端，将经过射频前端得到的基带信号进行CE‑OFDM系统发射过程的逆过程，即可解调出数据符号，不同用户根据其分配的特殊域上位置进行符号抽取，并进行QAM解调得到二进制数据。同时，发射端的发射与接收回波的频域信号被用于雷达处理以得到目标信息。本发明能有效实现具备较高数据率的多用户通信雷达一体化。
1.基于恒定包络正交频分复用的多用户通信雷达一体化系统，恒定包络正交频分复用符号周期为T，子载波间距为△f＝1/T，用户数为Nu，采用正交幅度调制，调制阶数为M，每个恒定包络正交频分复用符号可传输的符号数为Ns，子载波数为Nsub＝2Ns+2；其特征在于，将恒定包络正交频分复用系统的多用户数据符号分配在特殊域的数据段上，定义长为Nsub的特殊域Ω0＝{0,1,...,Nsub‑1}，长为Ns的数据段为特殊域的子集，即Ω＝{1,...,Ns}∈Ω0；
Ω定义为特殊域数据段上分配给第i个用户的通信数据符号集合，Ni为分配给第i个用户的通信数据符号数目，有 间彼此正交：其中Φ为空集；采用如下三种方式
(1)每个用户在特殊域的数据段上依次分配一段连续的子数据位置集合，不同用户的子数据位置集合依次彼此相邻；
(2)每个用户在特殊域的数据段上按照不同初始位置与指定相同间隔进行数据符号排列，每个用户的数据符号位置不连续且等间隔分布；
(3)将特殊域的数据段随机地分为互不重叠的与用户数等同数量的子数据位置集合，每个用户分配一个子数据位置集合；
S1、设发给第i个用户的二进制数据经过M‑QAM调制后得到长度为Ni，方差为σd 的符号iS2、将要发给不同用户的数据符号按照各自分配的Ω 进行排列，得到长度为Ns的数据行矢量d；将数据行矢量d共轭变换并倒序排列后得到行矢量 将d与 按照以下规则放置，得到特殊域上的符号分布为将上式补零后得到长度为N的过采样特殊域符号模块
其中 为Nz个0组成的行矢量，N＝2Ns+Nz+2；此时，系统采样率为fs,1＝N/T，过采样倍数为J＝N/Nsub；
S3、将获得的 进行串并转换与IDFT变换，得到长度为N的实数OFDM符号将其乘上归一化常数 再乘上调制指数h并进行相位调
制，然后进行并串转换和添加长度为Ncp的CP，得到恒定包络正交频分复用时域发射信号其中，A为信号幅度，当k<0时s[k]＝s[N+k]；
S4、将恒定包络正交频分复用时域信号通过数模转换发射至信道中，同时，以采样率为fs,2＝Nsub/T的时域信号为雷达参考信号，其对应的频域信号被送入雷达处理端，其中DFT(·)为离散傅里叶变换；
多用户通信接收机结构和RadCom系统通信接收机结构完全相同，多用户通信接收端数据处理过程如下：S5、对经过信道的信号进行接收，信号通过模数转换后，去除CP，然后通过串并转换，由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；频域均衡采用最小均方误差均衡或迫零均衡，最小均方误差均衡与迫零均衡均衡系数分别为其中，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的功率谱密度，均衡后的信号表示为频域信号与均衡系数相乘的IDFT：其中IDFT(·)为IDFT运算；
S6、将均衡后的信号进行相位解调，即相位提取与相位接卷绕，然后进行DFT操作与并i串转换，第i个用户再根据公式(1)与其分配的Ω ，在所得相位结果中提取分配给第i个用户的位置上的数据符号，然后通过对应的QAM解调为二进制数据，即完成通信接收处理；
S7、对经过信道的回波信号进行接收，信号通过模数转换后，按照采样率为fs,2＝Nsub/T采样，去除CP，然后通过串并转换，由DFT映射到频域得到通信雷达一体化频域接收信号S8、将Nf个恒定包络正交频分复用号对应的通信雷达一体化频域发射信号S与通信雷达一体化频域接收信号Yr，分别按照每个完整的恒定包络正交频分复用频域符号为一列的方式排成矩阵形式，即得到如下的矩阵与
S9、将MS中所有幅度为0的元素变为1，进行矩阵元素一一对应的点除操作，得到商矩阵M＝MYr/MS；
S10、对商矩阵M的每一列分别进行Nsub点的IDFT操作，以提取环境目标的距离信息；再对商矩阵M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；
S11、由步骤S10得到的矩阵元素的绝对值画出三维雷达显示图，利用预设门限高度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。
基于恒定包络正交频分复用的多用户通信雷达一体化系统
技术领域
[0001] 本发明属于通信雷达一体化(Radar and Communication，RadCom)技术领域，涉及一种基于恒定包络正交频分复用(Constant Envelope Orthogonal Frequency‑Division Multiplexing，CE‑OFDM)的多用户通信雷达一体化(Multi‑User RadCom，MU‑RadCom)系统。
背景技术
[0002] 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。正交频分复用(Orthogonal Frequency‑Division Multiplexing，OFDM)是目前应用比较广泛的通信与雷达波形。传统基于OFDM的RadCom系统可在单平台上实现通信与雷达探测两种功能，但如何在多用户、多平台条件下实现通信与雷达探测仍是RadCom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。
[0003] 除此以外，基于OFDM的RadCom系统在具备高分辨探测与高数据率通信优点的同时，存在固有PARR过高的问题。CE‑OFDM系统可将实数OFDM符号经过相位调制后，得到PAPR恒定为0dB的信号，然后在接收端进行相位解调就可恢复出实数OFDM符号。在RadCom平台收发端，用发射CE‑OFDM符号作为参考信号与回波信号一同进行经典频域雷达处理，即可完成对环境目标距离与速度的感知。CE‑OFDM不仅可以完美解决传统OFDM系统固有的PAPR过高的问题，降低发射功率的需求，而且由于其特殊的信号调制方式，可在特殊域的数据段上以不同的分配原则采用不同分配方式实现MU‑RadCom。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提出一种具备较高数据率与低PAPR的基于CE‑OFDM的MU‑RadCom系统。传统的基于OFDM的RadCom系统在具备高数据率的同时，不仅存在固有PAPR过高导致功率放大器效率低下的问题，还未考虑RadCom的多用户实现。本发明提出了基于CE‑OFDM的MU‑RadCom系统，在保持通信较高数据率的条件下，通过对在特殊域数据段上的符号位置分配，完成CE‑OFDM RadCom系统的多用户实现。
[0005] 设基础CE‑OFDM符号周期为T，子载波间距为Δf＝1/T，用户数为Nu，正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制阶数为M，每个CE‑OFDM符号可传输的符号数为Ns，子载波数为Nsub＝2Ns+2。在CE‑OFDM系统中，除了QAM，还可以采用其他任意符号调制方式，例如相位幅度调制(PAM)等。
[0006] CE‑OFDM系统的多用户数据符号分配在特殊域的数据段上，与传统OFDM系统不同。设有长为Nsub的特殊域Ω0＝{0,1,...,Nsub‑1}。设长为Ns的数据段为特殊域的子集，即是Ωi
＝{1,...,Ns}∈Ω0。Ω 定义为特殊域数据段上分配给第i个用户的通信数据符号集合，Ni为分配给第i个用户的通信数据符号数目，有 间彼此正交：
其中Φ为空集。图1为一个CE‑OFDM
符号中特殊域上三种分配原则下多用户符号配分配示意图。根据实际需求，可按照不同的分配原则在特殊域数据段上采用不同分配方式为每个用户分配符号位置，其不同分配原则如下：
[0007] 1)采用连续分配原则，每个用户在特殊域的数据段上依次分配一段连续的子数据位置集合，不同用户的子数据位置集合依次彼此相邻。
[0008] 2)采用等间隔分配原则，每个用户在特殊域的数据段上按照不同初始位置与指定相同间隔进行数据符号排列，每个用户的数据符号位置不连续且等间隔分布。
[0009] 3)采用随机分配原则，将特殊域的数据段随机地分为互不重叠的与用户数等同数量的子数据位置集合，每个用户分配一个子数据位置集合。
[0010] 4)其他可行的配分原则。
[0011] 实则CE‑OFDM多用户符号分配方式多种多样，除了连续分配、等间隔分配和随机分配以外，还有其他许多方式，此处不一一说明。基于CE‑OFDM的RadCom系统结构示意图如图2所示，RadCom平台发射端数据处理过程如下：
[0012] 1)设发给第i个用户的二进制数据经过M‑QAM调制后得到长度为Ni，方差为 的符号
[0013] 2)将要发给不同用户的数据符号按照各自分配的Ωi进行排列，得到长度为Ns的数据行矢量d。将数据行矢量d共轭变换并倒序排列后得到行矢量 将d与 按照以下规则放置，得到特殊域上的符号分布为
[0014]
[0015] 将上式补零后得到长度为N的过采样特殊域符号模块
[0016]
[0017] 其中 为Nz个0组成的行矢量，N＝2Ns+Nz+2。此时，系统采样率为fs,1＝N/T，过采样倍数为J＝N/Nsub。
[0018] 3)将以上步骤获得的 进行串并转换(S/P)与IDFT变换，得到长度为N的实数OFDM符号 将其乘上归一化常数 以保证其方差为1。再乘上调制指数h并进行相位调制，然后进行并串转换(P/S)和添加长度为Ncp的CP，以避免码间干扰，得到CE‑OFDM时域发射信号
[0019]
[0020] 其中，A为信号幅度，当k<0时s[k]＝s[N+k]。最后，将CE‑OFDM时域信号通过数模转换(D/A)发射至信道中。同时，以采样率为fs,2＝Nsub/T的时域信号为雷达参考信号，其对应的频域信号 被送入雷达处理端，其中DFT(·)为离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)。
[0021] 第i个用户的通信接收机示意图如图3所示，多用户通信接收机结构和RadCom平台通信接收机结构完全相同，其通信接收端数据处理过程如下：
[0022] 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S/P，由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)均衡或迫零(Zero Forcing，ZF)均衡，MMSE与ZF均衡系数分别为
[0023] 与
[0024] 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IDFT： 其中IDFT(·)为IDFT运算。
[0025] 2)将均衡后的信号进行相位解调，即是相位提取与相位接卷绕(Unwrap)，然后进i行DFT操作与P/S，第i个用户再根据公式(1)与其分配的Ω ，在所得相位结果中提取分配给第i个用户的位置上的数据符号，然后通过对应的QAM解调为二进制数据，即完成通信接收处理。
[0026] RadCom平台雷达处理端数据处理如下：
[0027] 1)对经过信道的回波信号进行接收，信号通过A/D后，按照采样率为fs,2＝Nsub/T采样，去除CP，然后通过S/P，由DFT映射到频域得到RadCom频域接收信号
[0028] 2)将Nf个CE‑OFDM符号对应的RadCom频域发射信号S与RadCom频域接收信号Yr，分别按照每个完整的CE‑OFDM频域符号为一列的方式排成矩阵形式，即得到如下的矩阵[0029]
[0030] 与
[0031]
[0032] 3)将MS中所有幅度为0的元素变为1，进行矩阵元素一一对应的点除操作，得到商矩阵
[0033] 3)对商矩阵M的每一列分别进行Nsub点的IDFT操作，以提取环境目标的距离信息；再对前一步得到的矩阵的每一行分别进行Nf点的DFT操作，以提取环境目标的相关速度信息。
[0034] 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。
[0035] 设CP时间为Tcp，则完整CE‑OFDM符号时间为Tsym＝T+Tcp，且子载波间距为Δf＝1/T。本发明采用的雷达处理方法可探测的目标最大距离为rmax＝Tc/2，最大相对速度为vmax＝c/(2fcTsym)，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c/(2NsubΔf)，速度分辨率为c/(2NffcTsym)。
[0036] 当Nsub＝1024，Nf＝256，M＝4时，设典型道路环境中有三个车辆目标：目标1，距离160m，速度130m/s；目标2，距离200m，速度140m/s；目标3，距离240m，速度130m/s。基于CE‑OFDM的RadCom系统三目标雷达探测图如图4所示，由图可知，基于CE‑OFDM的RadCom系统可以明显发现三个分离的目标，且其探测的距离与速度较为精准。而通过设计不同的系统参数，基于CE‑OFDM的RadCom系统可以适用于各种不同的环境。当采用连续分配原则进行多用户数据符号分配与MMSE均衡，Nu＝3与M＝4时，图5为基于CE‑OFDM的RadCom系统在典型莱斯信道中以连续分配原则的用户0、用户1与用户2的接收误码率仿真图，其中εb/N0为平均比特信噪比。由图可知，3个用户都能够在莱斯信道中以较为优良的误码率性能完成通信接收。
[0037] 本发明的有益效果为：
[0038] 本发明是在传统的基于OFDM的RadCom系统上提出的一种基于CE‑OFDM的低波形PAPR的多用户通信雷达一体化系统。该系统是在传统的基于OFDM的RadCom系统基础上，于特殊域数据段上以不同数据符号分配原则完成多用户数据符号分配，可采用连续分配、等间隔分配、随机分配等原则。在发射端完成数据符号特殊排列与IDFT后得到实数OFDM信号，并将其相位调制，得到恒包络发射信号，之后通过与传统OFDM系统相同的射频前端将信号发射到信道中。多用户通信接收端的数据解调处理为发射端的逆操作，除了在相位解调之前增加了频域均衡操作外，在符号解调之前多用户会根据其分配的数据符号位置集合进行数据符号提取，以达到通信多用户实现。雷达处理则利用接收和发送频域信号进行阵列处理，得到环境目标的数量、距离与速度的信息。采用基于CE‑OFDM的多用户RadCom系统，可实现雷达探测与通信多用户，并可降低功率放大器中的非线性失真与极大提升功率放大器效率。
附图说明
[0039] 图1为一个CE‑OFDM符号中特殊域上三种分配原则下多用户符号位置分配示意图；
[0040] 图2为基于CE‑OFDM的RadCom系统结构图；
[0041] 图3为基于CE‑OFDM的RadCom系统多用户通信接收机结构图；
[0042] 图4为基于CE‑OFDM的RadCom系统典型道路环境中三目标雷达探测图；
[0043] 图5为基于CE‑OFDM的RadCom系统在典型莱斯信道中以连续分配原则的3用户接收误码率仿真图。
具体实施方式
[0044] 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。
[0045] 在RadCom平台发射端，首先按照连续分配、等间隔分配、随机分配或其他分配原则确定用户数据符号分配方式，将二进制数据通过QAM或者其他符号调制方式调制映射成数据符号，根据不同用户在特殊域上分配的位置插入数据符号，完成多用户信息加载。将所得信号依次经过串并转换、IDFT和相位调制，分为两路：一路信号经过DFT变换到频域，送入雷达处理端进行频域雷达处理；另一路信号经过并串转换、添加循环前缀、数模转换，最后通过天线发射到信道中，完成信号的发射。
[0046] 在多用户和RadCom平台的通信接收端，将天线接收的信号经过模数转换、去除循环前缀、串并转换、DFT、频域均衡、IDFT、相位解调、DFT和并串转换后，再根据此用户分配的特殊域符号位置进行数据符号提取，再进行QAM或者其他符号调制方式解调得到二进制数据，完成多用户信息接收。
[0047] 在RadCom平台的雷达处理端处理过程中，将天线接收的信号经过模数转换、去除循环前缀、串并转换和DFT之后，再送入雷达处理端进行频域雷达处理。在本发明的RadCom系统中，本地雷达处理采用的是基于频域发射信号与频域接收信号的阵列处理。先将Nf个对应的发射频域信号按照一个完整CE‑OFDM符号为一列的方式排列为矩阵形式，再将Nf个对应的接收频域信号排列为同样的矩阵形式并将其中的零置为一，然后进行两矩阵元素的一一对应的点除，即是接收矩阵点除发射矩阵，之后则将接收矩阵先分列执行Nsub点IDFT，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。
