多功能綜合射頻系統(tǒng)共用信號(hào)分辨性能研究

王 君，白華珍，邵 雷

（1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051；2.解放軍93655部隊(duì)，北京 101500）

0 引言

為了適應(yīng)現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境，現(xiàn)代的作戰(zhàn)飛機(jī)和作戰(zhàn)艦艇都必不可少地裝備許多雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗設(shè)備。雷達(dá)都盡可能采用各種抗干擾、抗反輻射導(dǎo)彈措施，才能保障自己的安全和正常功能的發(fā)揮；通信設(shè)備用于信息、情報(bào)的傳遞；電子對(duì)抗設(shè)備的作用是隨時(shí)監(jiān)視電磁環(huán)境，截獲信息、識(shí)別威脅、發(fā)出告警、引導(dǎo)各種有源和無源干擾設(shè)備干擾敵人的武器系統(tǒng)。雷達(dá)面臨的最大威脅是干擾和反輻射導(dǎo)彈的攻擊，但是如果有電子對(duì)抗設(shè)備的有機(jī)配合，就可以隱蔽地監(jiān)視整個(gè)電磁環(huán)境，在通信暢通的前提下，利用遠(yuǎn)方情報(bào)，保證雷達(dá)在最佳時(shí)機(jī)開機(jī)探測(cè)，并且電子戰(zhàn)裝備還可以干擾敵反輻射導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭，從而大大提高武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能和自我防護(hù)能力?？梢?，統(tǒng)一考慮雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗三方面，使其成為有機(jī)整體，發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，提高整體作戰(zhàn)能力。多功能綜合射頻系統(tǒng)設(shè)想實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)為一體的多功能綜合射頻系統(tǒng)研究方面，國(guó)內(nèi)開展了諸如通信、導(dǎo)航、識(shí)別綜合化系統(tǒng)技術(shù)（ICNIA）以及孔徑綜合等相關(guān)研究。在國(guó)外，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室較早地開展了這方面的預(yù)先研究，見文獻(xiàn)［1］。新的多功能綜合射頻系統(tǒng)具有雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)一體化綜合能力，是今后軍事電子系統(tǒng)及武器系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它涉及許多新概念、新技術(shù)，改變著傳統(tǒng)的單一化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于敵方很難從通信信號(hào)中分辨出雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。本文以多功能綜合射頻系統(tǒng)的共用信號(hào)為主要研究?jī)?nèi)容。

1 多功能綜合射頻系統(tǒng)共用信號(hào)模型

共用信號(hào)的設(shè)計(jì)直接決定了系統(tǒng)的功能及其實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)特殊的共用信號(hào)以實(shí)現(xiàn)將雷達(dá)信號(hào)隱藏于通信信號(hào)之中，提高信號(hào)的隱蔽性，增強(qiáng)電子對(duì)抗能力。雖然通信和雷達(dá)在本質(zhì)上不一樣，但在超寬帶通信和沖擊雷達(dá)應(yīng)用方面，他們所使用的信號(hào)形式與波形有許多相似之處，分析這種近似，會(huì)發(fā)現(xiàn)攜帶有傳輸信息的通信信號(hào)可以作為雷達(dá)信號(hào)使用，實(shí)現(xiàn)通信與雷達(dá)信號(hào)共用。并且信號(hào)的超寬帶和優(yōu)良的抗干擾性能使之成為雷達(dá)和通信系統(tǒng)共同追求的優(yōu)點(diǎn)。

脈沖幅度調(diào)制直接序列超寬帶信號(hào)（PAM DS UWB）與典型的脈沖位置調(diào)制跳時(shí)超寬帶信號(hào)（PPM TH UWB）可以表示為［2-3］

式中：

3）Ns是用來傳輸一個(gè)信息比特所用的脈沖數(shù)，也叫重復(fù)碼長(zhǎng)度，并且滿足Tb=NsTs。

4）在式（1）中，Ts是脈沖重復(fù)周期。二進(jìn)制PN碼序列的周期為Np，一般取Np=Ns，用此PN碼調(diào)制待傳輸?shù)亩M(jìn)制序列b，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制序列a={a0，a1，…，aN-1}，N=NbNs為脈沖總數(shù)，Nb為輸入信息的比特?cái)?shù)。

對(duì)于式（1）的PAM DS UWB信號(hào)，假設(shè)輸入數(shù)據(jù) b={1，1，0，0，1}，PN={-1，1}，則調(diào)制數(shù)據(jù)為 a={-1，1，-1，1，1，-1，1，-1，-1，1}，當(dāng) Ns=2，Ts=5 ns 時(shí)，PAM DS UWB 波形如圖 3（a）所示。對(duì)于式（2）的PPM TH UWB 信號(hào)，假設(shè)傳輸數(shù)據(jù)為 b=（bm）={0，1，0，0，1，1，0，1，0，0}，偽隨機(jī)跳時(shí)序列為c=（ci）={3，1，4，2，1}，其中 Ns=5，Tc=3 ns，Ts=18 ns，Nh=6，則 PPM TH UWB波形如圖2（b）所示。

信號(hào)的功率譜密度對(duì)選擇共用信號(hào)是重要的。PAM DS UWB信號(hào)的功率譜和PPM TH UWB信號(hào)的功率譜可以分別寫為［4-5］

對(duì)于式（3），輸入數(shù)據(jù) b={1，1，0，0，1}，Ns=127，Ts=5 ns時(shí)的PAM DS UWB功率譜如圖3（a）所示。對(duì)于式（4），b={0，1，…，1，0}，Ns=5，δ=0.25 ns，Ts=10 ns，Np=500，Nh=100時(shí)的PPM TH UWB信號(hào)的功率譜密度如圖 3（b）所示。

2 共用信號(hào)模糊函數(shù)比較

模糊函數(shù)是研究各種信號(hào)的分辨能力和雜波抑制能力的有力工具。非正弦信號(hào)廣義模糊函數(shù)的概念是由Hamuth提出的［6］。廣義模糊函數(shù)是距離-多普勒域的兩維自相關(guān)函數(shù)。為了獲得最大信噪比，雷達(dá)接收機(jī)通常采用匹配濾波器。根據(jù)匹配濾波理論，匹配濾波器的沖擊響應(yīng)為 h（t）=s（t0-t）。

當(dāng)將式（1）的 PAM DS UWB 信號(hào) sPAM（t）或者式（2）的 PPM TH UWB 信號(hào) sPPM（t）作為雷達(dá)信號(hào)使用時(shí)，則目標(biāo)回波信號(hào)可分別表示為式中：tr=2R/c是雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲。Td是由多普勒效應(yīng)引起的時(shí)間延遲［7］。<1表示信號(hào)傳播衰減因子。它決定于電波傳輸介質(zhì)，目標(biāo)幾何形狀及其材料等。為了簡(jiǎn)化分析，可以令常數(shù)為1。。相對(duì)于式（5）、式（6）的匹配濾波器的沖擊響應(yīng)分別為：

PAM DS UWB信號(hào)sPAM（t）的廣義模糊函數(shù)可以寫為

式中：

則式（12）為

將式（14）、式（15）代入式（10），可得 PAM DS UWB信號(hào)的模糊函數(shù)。

同理，可以推導(dǎo)出PPM TH UWB共用信號(hào)的廣義模糊函數(shù)的表達(dá)式為

采用如下的代換：

則式（16）可寫為

3 共用信號(hào)分辨性能仿真分析

根據(jù)式（10）和式（17），比較不同參數(shù)下 PAM DS UWB和PPM TH UWB信號(hào)模糊函數(shù)如圖4和圖5所示。是信號(hào)參數(shù)α，Ts和N的函數(shù)。對(duì)于 PAM DS UWB 信號(hào)，在 Nb=5，α=0.25 ns，Ns=10，N=50，而Ts=1 ns到Ts=10 ns和Ts=100 ns時(shí)的模糊函數(shù)如圖4所示。對(duì)于PPM TH UWB信號(hào)，在Nb=10，Nh=6，Ns=5，Np=50，δ=0.5 ns，N=50，而 Ts=6 ns到Ts=18 ns和Ts=60 ns時(shí)的模糊函數(shù)如圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，PAM DS UWB和PPM TH UWB信號(hào)都實(shí)現(xiàn)了“拇指”形狀的模糊函數(shù)［8］。當(dāng)增加Ts時(shí)，信號(hào)的分辨能力和雜波抑制能力提高，同時(shí)副瓣幅度降低，信號(hào)存在的模糊區(qū)域減小。因此，要獲得好的分辨性能，需要選擇盡可能大的Ts。但是作為共用信號(hào)，由于數(shù)據(jù)傳輸率的要求，共用信號(hào)的Ts需要優(yōu)化。

由于超寬帶信號(hào)的多普勒效應(yīng)表現(xiàn)為脈沖有效寬度和脈沖間隔的改變，且對(duì)于一個(gè)靠近系統(tǒng)的目標(biāo)產(chǎn)生的效果為Ts'>Ts，因此，多普勒效應(yīng)Td和脈沖間隔Ts以及目標(biāo)速度v、光速c之間的關(guān)系為Td=2Ts·v/c。同時(shí)，一體化系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸率Rb與脈沖間隔Ts、每比特脈沖數(shù)Ns之間滿足的關(guān)系為Rb=1/NsTs，Rb與 Td的關(guān) 系為 Rb=2/NsTd·v/c。 假 設(shè)v/c=10-6，Td=1 ns，則可以得到 Ts=0.5 ms，在 Ns=1 時(shí)的最大數(shù)據(jù)傳輸率為Rb=2 kb/s。相應(yīng)的，如果最大傳輸率為Rb=110 Mb/s，則脈沖間隔為Ts=9 ns。因此，共用信號(hào)的脈沖有效寬度Te、最大數(shù)據(jù)傳輸率、脈沖間隔、每比特脈沖數(shù)、多普勒效應(yīng)等參數(shù)之間有嚴(yán)格的約束關(guān)系，因此，一體化系統(tǒng)的共用信號(hào)參數(shù)必須優(yōu)化，才能滿足一體化使用的要求。

4 結(jié)論

新的多功能綜合射頻系統(tǒng)具有雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)一體化綜合能力，能夠發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，提高整體作戰(zhàn)能力。本文理論分析了多功能綜合射頻系統(tǒng)共用信號(hào)的分辨性能、雜波抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸與作用距離。仿真并比較了PAM DS UWB和PPM TH UWB兩種共用信號(hào)的性能。理論分析證明上述兩種信號(hào)具有作為共用信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。共用信號(hào)的信號(hào)處理方法將有待進(jìn)一步的研究。