朱 平,胥文清

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 揚(yáng)州 225101;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北 武漢 430064)

0 引 言

雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)同探測(cè)是當(dāng)今世界各國(guó)雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)重大趨勢(shì),將跨平臺(tái)多雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)協(xié)同探測(cè)可以有效擴(kuò)大探測(cè)范圍,提高探測(cè)數(shù)據(jù)率,增強(qiáng)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的抗干擾能力。而目前隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,以及雷達(dá)與通信在硬件功能組成上諸多的相似性,在現(xiàn)有雷達(dá)硬件平臺(tái)上集成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能[1],將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多部雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享成為當(dāng)前的技術(shù)研究熱點(diǎn)。

本系統(tǒng)充分利用雷達(dá)硬件資源,對(duì)時(shí)間、碼型、帶寬等資源進(jìn)行綜合調(diào)度,采用在發(fā)射端對(duì)每部雷達(dá)的通信發(fā)射信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻編碼,接收端串行干擾抵消的處理方法,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多路信號(hào)的同時(shí)接收解調(diào),提高了時(shí)間利用率[2]。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行理論分析、算法仿真并與傳統(tǒng)的相關(guān)解調(diào)方法進(jìn)行了結(jié)果比對(duì)。仿真結(jié)果表明:采用串行干擾抵消算法能夠同時(shí)對(duì)接收到的多路功率不同的信號(hào)進(jìn)行有效解調(diào),其對(duì)弱信號(hào)的解調(diào)能力明顯優(yōu)于直接相關(guān)解調(diào)方法。

1 基于串行干擾抵消的多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于雷達(dá)硬件平臺(tái),與雷達(dá)分時(shí)復(fù)用硬件資源,通信可用時(shí)間資源較少,因此為統(tǒng)籌各部雷達(dá)的時(shí)間、頻率、帶寬等資源,采用碼分多址的多雷達(dá)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式,即對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每部雷達(dá)分配不同的擴(kuò)頻碼作為各部雷達(dá)的ID號(hào)進(jìn)行區(qū)分,同時(shí)利用該擴(kuò)頻碼調(diào)制要共享的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)[3]。采用這種方式一方面利用碼型的擴(kuò)頻增益,可以降低模塊發(fā)射功率,降低截獲概率,另一方面提高了構(gòu)建的無(wú)線傳輸系統(tǒng)的抗干擾能力。但采用該方式會(huì)導(dǎo)致在同一時(shí)刻接收到不同距離雷達(dá)傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào),即產(chǎn)生多址干擾,近距離的強(qiáng)信號(hào)會(huì)影響遠(yuǎn)距離弱信號(hào)的接收,使得遠(yuǎn)距離信號(hào)接收誤碼率增加,為此本文采用串行干擾抵消的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示,在由N部雷達(dá)構(gòu)成的多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)中,每部雷達(dá)分配不同的擴(kuò)頻碼,信號(hào)發(fā)射時(shí),各部雷達(dá)在同一時(shí)隙內(nèi)將要共享的信息擴(kuò)頻編碼調(diào)制,再進(jìn)行變頻、放大后經(jīng)由天線輻射出去;經(jīng)過(guò)空間無(wú)線信道傳輸后,在接收端基于串行干擾抵消原理,根據(jù)對(duì)接收到的各節(jié)點(diǎn)的功率大小的預(yù)估結(jié)果,從強(qiáng)信號(hào)到弱信號(hào)依次采用“判決-再造-消除”的處理過(guò)程,直至本時(shí)隙內(nèi)所有雷達(dá)輻射的信號(hào)被檢測(cè)出來(lái)。最后將接收到的其它雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)與本地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)的協(xié)同探測(cè)。

圖1 基于串行干擾抵消的多平臺(tái)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)框圖

2 基于串行干擾抵消的多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

2.1 串行干擾抵消原理

串行干擾抵消的基本原理是認(rèn)為要想從存在多址干擾的信號(hào)中提取所需雷達(dá)節(jié)點(diǎn)輻射的信號(hào),就必須首先恢復(fù)干擾信號(hào)(實(shí)質(zhì)上是其它雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)),然后從接收信號(hào)中減去恢復(fù)出來(lái)的多址信號(hào),就能得到所需雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。由于有用信號(hào)和多址干擾同時(shí)出現(xiàn),多址干擾信號(hào)的恢復(fù)和有用信號(hào)的提取一般需要經(jīng)過(guò)多次才能完成。因此串行干擾抵消多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)一般采用多級(jí)型多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法,即本級(jí)檢測(cè)利用前一級(jí)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)多址干擾進(jìn)行估計(jì),并將之從接收信號(hào)中抵消掉,以此降低本級(jí)的干擾,提高本級(jí)檢測(cè)的精度。反復(fù)地進(jìn)行“檢測(cè)、再生、抵消”的過(guò)程,直到檢測(cè)出所有有用信號(hào)。其中第一級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 串行干擾抵消檢測(cè)原理框圖

對(duì)于本文所述的多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),串行干擾抵消實(shí)現(xiàn)的步驟如下:

(1) 依據(jù)相鄰雷達(dá)的距離估計(jì)接收到的各雷達(dá)節(jié)點(diǎn)信號(hào)功率,并按功率從強(qiáng)到弱排列;

(2) 解調(diào)出接收功率最大的節(jié)點(diǎn)信號(hào)s1,并對(duì)s1進(jìn)行判決;

(3) 利用判決得到的信息、擴(kuò)頻序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行估計(jì),得到s1;

(4) 在接收信號(hào)r(t)中減去最強(qiáng)信號(hào)的估計(jì)s1,得到清除最強(qiáng)用戶信號(hào)的重構(gòu)信號(hào)r1(t);

(5) 將r1(t)作為第2級(jí)輸入,重復(fù)以上操作,得到清除次強(qiáng)用戶信號(hào)重構(gòu)信號(hào)。

依次類推,直到檢測(cè)完所有節(jié)點(diǎn)[4]。

2.2 基于串行干擾抵消的多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

以8部雷達(dá)組網(wǎng)為例進(jìn)行分析,首先進(jìn)行碼型選擇和分配,碼型選擇的基本原則如下:

(1) 易于產(chǎn)生,具有隨機(jī)性;

(2) 具有足夠長(zhǎng)的周期,使干擾者難以從擴(kuò)頻碼的一小段中重建整個(gè)碼序列,抗干擾能力強(qiáng);

(3) 自相關(guān)性能好;

(4) 互相關(guān)值接近零;

(5) 能產(chǎn)生足夠多的碼型數(shù)量,實(shí)現(xiàn)多部雷達(dá)的需求。

基于上述原則,目前常用的擴(kuò)頻碼型包括m碼和Gold碼,本文綜合考慮雷達(dá)數(shù)量、可用時(shí)隙、低截獲性能等因素,選擇了8組63位Gold碼作為擴(kuò)頻碼分配給各部雷達(dá)。Gold碼由2組長(zhǎng)度相同、速率相同、碼字不同的m碼模2相加后得到,由于1對(duì)m碼可產(chǎn)生2n+1個(gè)Gold碼,因此Gold碼型數(shù)量遠(yuǎn)大于m碼型,同時(shí)也具有更好的自相關(guān)、互相關(guān)性能[5]。

Gold序列的產(chǎn)生方法:設(shè)序列{a}和序列為長(zhǎng)N=2n-1的m序列優(yōu)選對(duì)。以{a}序列為參考序列,對(duì)序列移位i次,得到的移位序列{bi}(i=0,1,…,N-1),然后與{a}序列模二相加后得到新的長(zhǎng)度為N的序列{ci}。則此序列就是Gold序列,即:

(1)

本文仿真時(shí),根據(jù)63位即6級(jí)移位寄存器產(chǎn)生2組m序列本原多項(xiàng)式,即:

f1(x)=x6+x4+x3+x+1

(2)

f2(x)=x6+x5+x2+x+1

(3)

根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)步驟,產(chǎn)生的8組Gold序列分別為:

G1={-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,1,1}

G2={1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,-1}

G3={-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1}

G4={-1,1,-1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1}

G5={-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1}

G6={-1,1,1,1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1}

G7={-1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,-1}

G8={-1,1,1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1}

將本地雷達(dá)設(shè)置為第8號(hào)雷達(dá),設(shè)置接收到的其它7部雷達(dá)的信號(hào)信噪比分別為:30 dB、25 dB、20 dB、15 dB、10 dB、5 dB、0 dB;發(fā)射的7路基帶信號(hào)設(shè)置為:根據(jù)上述設(shè)置,模擬接收到的7個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)混合信號(hào)如圖3所示。

圖3 接收到的多雷達(dá)節(jié)點(diǎn)混合信號(hào)

根據(jù)上述設(shè)置可知,接收到的雷達(dá)1信號(hào)功率最強(qiáng),雷達(dá)2次之,依次類推,因此采用圖4所示的步驟,進(jìn)行串行干擾抵消的算法仿真。

圖4 同時(shí)接收到7個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)信號(hào)解調(diào)處理流程圖

R1={1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1}

R2={1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1}

R3={-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1}

R4={-1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1}

R5={-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1}

R6={1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1}

R7={-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1}

如圖4所示,首先依據(jù)本地雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果對(duì)接收到的信號(hào)功率進(jìn)行估計(jì),根據(jù)估計(jì)結(jié)果首先對(duì)接收到的最強(qiáng)信號(hào)功率即雷達(dá)1輻射的信號(hào)進(jìn)行同步、估計(jì)、檢測(cè),然后重建該信號(hào),并從接收信號(hào)中減去該信號(hào);重復(fù)該步驟依次對(duì)雷達(dá)2～雷達(dá)7輻射的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。仿真結(jié)果如圖5～圖12所示。

圖5 雷達(dá)1輻射信號(hào)檢測(cè)及抵消后信號(hào)

圖6 雷達(dá)2輻射信號(hào)檢測(cè)及抵消后信號(hào)

圖7 雷達(dá)3輻射信號(hào)檢測(cè)及抵消后信號(hào)

圖8 雷達(dá)4輻射信號(hào)檢測(cè)及抵消后信號(hào)

圖9 雷達(dá)5輻射信號(hào)檢測(cè)及抵消后信號(hào)

圖10 雷達(dá)6輻射信號(hào)檢測(cè)及抵消后信號(hào)

如圖5～圖11所示,采用7級(jí)串行干擾抵消電路進(jìn)行檢測(cè)后,可以將雷達(dá)1～雷達(dá)7輻射的通信信號(hào)依次提取出來(lái),信噪比較高,能夠檢測(cè)信號(hào)。

圖11 雷達(dá)7輻射信號(hào)檢測(cè)及抵消后信號(hào)

作為對(duì)比,對(duì)接收信號(hào)功率最弱的第7部雷達(dá)采用串行干擾抵消和直接采用相關(guān)處理2種情況進(jìn)行仿真對(duì)比。如圖12所示,解調(diào)時(shí)對(duì)接收信號(hào)采用串行干擾抵消對(duì)比處理,可見采用串行干擾抵消處理方式可以將信號(hào)有效提取,信噪比較高,不影響檢測(cè);而不采用串行干擾抵消,直接進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)時(shí),信號(hào)淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲信號(hào)中,完全無(wú)法檢測(cè)。

圖12 采用串行干擾抵消和直接相關(guān)處理結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于雷達(dá)硬件平臺(tái),在指定的通信時(shí)隙內(nèi),在發(fā)射端對(duì)每部雷達(dá)的通信發(fā)射信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻編碼調(diào)制,接收端采用串行干擾抵消的方法實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同時(shí)接收解調(diào),提高了時(shí)間利用率,其對(duì)弱信號(hào)的解調(diào)能力優(yōu)于直接相關(guān)解調(diào)法,且具有低截獲性、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),能夠應(yīng)用于跨平臺(tái)多雷達(dá)間探測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。