基于软件无线电的雷达嵌入式通信验证系统

雷达嵌入式通信（Radar-Embedded Communication,REC）是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段。相较于传统的隐蔽通信方式,REC具有其独特的优势,在军事和民用领域都有着非常广阔的应用前景。本文基于通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral,USRP）硬件平台和实验室虚拟仪器工作平台（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench,LabVIEW）开发了一套REC验证系统,并对系统的可靠性能和抗截获进行了测试分析,初步验证了REC的可行性。测试结果表明,相对于仿真结果,本系统具有一定的性能损失,但在可控范围内,且本系统更加贴近于真实场景,可以用作REC技术的试验平台,为REC从理论走向现实奠定基础。      

基于特征值矩阵参数优化的雷达嵌入式通信波形设计

雷达嵌入式通信（radar-embedded communication, REC）是一种使雷达与通信共用频谱的低截获概率（low probability of intercept, LPI）通信方式,通过在高功率雷达后向散射回波中嵌入低功率通信波形完成隐蔽通信。本文通过对成型注水（shaped water filling, SWF）波形的特征值矩阵幂指数a进行优化,提出了特征值矩阵幂指数可变的SWF波形,即SWF-a波形。本文推导了合作接收机和截获接收机对SWF-a波形的处理增益及增益优势,对其通信可靠性、LPI性能和综合性能进行了理论分析。最后以SWF-0.25、SWF和SWF-0.75波形为例,进行了仿真实验,实验结果与理论分析结果吻合,表明通过特征值矩阵幂指数优化可以满足REC波形不同方面的性能需求,具体地,适当减小参数a可以提高通信可靠性,而适当增大参数a可以提高LPI性能或改善综合性能,但对于LPI性能和通信可靠性能的同步提升,通过选择参数a是难以兼得的。     

基于稀疏贝叶斯学习的多频带雷达信号融合

针对多频带雷达信号融合,建立了多频带雷达信号表示模型,将多频带信号融合问题等价于一个信号表示问题。研究了基追踪算法在多频带信号融合中的局限性,研究表明:由于多个频带的稀疏分布,破坏了字典的相干性,使得基追踪算法可能无法收敛到真实的稀疏解。提出了基于稀疏贝叶斯学习的多频带信号融合方法,并证明了字典满足唯一表示性条件从而可以保证算法收敛到真实的稀疏解。实验表明:基于稀疏贝叶斯学习的多频带信号融合方法能够更加真实地反映目标散射特性。     

面向多目标多用户的雷达通信一体化恒模波形设计

双功能雷达通信一体化系统可以使硬件和频谱资源得到有效利用,是解决当前无线频谱资源紧张问题的一种有效途径。该文针对同时多目标探测与多用户通信场景,以雷达接收回波的信干噪比(SINR)为指标保障雷达的探测性能,采用通信多用户干扰(MUI)作为通信指标保证通信传输性能。与此同时,为保证发射端功率放大器工作在饱和区域,增加了波形恒模的约束条件。该文通过对波形以及滤波器的联合优化,提出了一种在满足通信MUI功率一定的情况下,最大化雷达多目标探测回波最小信干噪比(SINR)的波形设计优化模型。针对此优化问题,采用了交替迭代优化的方法来求解此问题。仿真结果表明,所设计的波形在多目标探测以及多用户通信场景下,通过调整通信MUI功率门限,可以在保证通信MUI功率性能前提下,实现对多目标回波最小SINR的优化。     

基于幅相控制的雷达-通信一体化系统稳健波形设计方法

为克服现有基于旁瓣电平控制的雷达-通信一体化系统对通信设备方向信息要求高的不足,同时有效提升雷达系统的通信信息传输能力,以多输入多输出（multiple input multiple output, MIMO）雷达为平台,研究了雷达-通信一体化系统发射加权矩阵的稳健设计方法。首先,为解决通信方向误差引起合成信号的畸变问题,以方向误差集内通信信号与期望信号的最差匹配性能为约束,构建了通信方向存在误差时的发射加权矩阵的稳健优化模型,并采用循环算法和凸优化方法对其进行求解;其次,利用通信方向多个合成信号的联合映射关系,提出了基于幅相控制的通信信息植入策略,由于利用了合成信号的幅相排列信息,相比传统方法能够更易实现通信信息的高速率传输;最后仿真实验表明了所提方法的有效性。     

基于多目标蚁狮优化的雷达通信一体化波形设计

传统的雷达和通信系统,二者相互独立,采用不同的信号形式,相互间存在电磁干扰,设计一种波形可用于雷达通信一体化系统,同时完成雷达和通信功能。通过分析一体化系统的雷达性能评价函数和通信性能评价函数构建多目标优化问题,引入多目标蚁狮优化算法到波形设计领域;通过多目标蚁狮优化算法对多目标优化问题进行处理,得到一体化波形性能最优的波形设计参数。仿真结果表明,依据此参数设计得到的一体化波形,能够兼顾雷达性能和通信性能。     

基于CNN的雷达嵌入式通信接收技术研究

雷达嵌入式通信(Radar-embedded Communication, REC)是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段。为了进一步提高REC系统中通信接收机的接收性能,提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)的REC合作接收机结构——CNN接收机,给出了CNN接收机的设计原理及详细结构,并对CNN接收机的接收性能进行了仿真和分析。结果表明,相较于传统REC合作接收机,CNN接收机具有更优的接收性能,REC系统可以使用功率更低的通信信号来保证相同的通信可靠性,以此来增加抗截获性能。     

一种基于OFDM-chirp的雷达通信一体化波形设计与处理方法

雷达通信一体化波形设计是近年来的研究热点.有学者提出利用正交频分复用(OFDM)信号的奇偶载波分别调制雷达与通信功能来实现一体化.但OFDM通信系统一般采用循环前缀(CP)来避免多径效应带来的载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI),这会降低能量利用率,并会形成虚假目标,影响雷达性能;此外,传统的OFDM一体化信号对...     

智能反射面辅助雷达通信双功能系统的多载波波形优化方法

雷达通信一体化是解决频谱资源拥挤问题的有效途径之一,而共享波形设计是同时实现雷达与通信功能的关键技术,该文旨在解决智能反射面(IRS)辅助雷达通信双功能(DRC)系统的多载波波形优化问题.首先,通过最大化传输功率、通信码字错误率(WEP)、旁瓣幅度与IRS反射系数约束下的雷达互信息(RMI),构建了双功能发射波形、IR...     

基于时间调制阵列的多波束雷达通信一体化结构及算法研究

为了实现多个电子平台的高效集成,同时缓解无线信道频谱资源紧缺问题,提出了一种结合了时间调制阵列(time-modulated array, TMA)技术和多波束赋形技术的空域多波束雷达通信一体化结构与算法。对传统基于空分的雷达通信一体化技术进行了改进,在增加通信波束的同时,实现了雷达与通信子系统发射功率的独立控制。所提结构由两组加权网络组成,第一组加权网络用于雷达探测,第二组加权网络结合周期性时间调制,用于多用户通信。所提方案可根据实际应用情况,在用户数量,波束控制自由度,硬件复杂度等多个指标之间进行权衡。仿真结果证实了所提结构与算法的有效性,雷达与通信能够独立完成各自的功能且没有相互影响。      

基于粒子群算法的超宽带脉冲波形设计

首先分析了在超宽带系统中高斯脉冲成形因子和微分阶数对其能量谱密度的影响,并在此基础上,为了提高高斯脉冲波形的频谱利用率,采用高斯导函数线性组合来产生脉冲波形,提出并分析了一种基于粒子群（PSO）优化算法的超宽带无线脉冲波形优化设计方法,仿真表明该方法产生的高斯导函数线性组合脉冲能够很好地满足FCC的频谱掩模限制。     

频谱拥挤环境中峰均功率比约束的认知雷达发射波形设计

复杂电磁环境的一个重要特征是频谱资源受限,合理使用有限的频谱资源是认知雷达发射波形设计必须考虑的问题。以峰值与平均功率比(PAR)为约束条件,设计认知雷达发射波形,最大化接收数据信噪比(SNR),最小化波形频谱在受干扰频段内功率。该问题是二次约束的多目标优化问题,采用Pareto优化方法,将两个目标函数通过加权构成一个目标函数,从而构成一个二次约束二次规划非凸优化问题。进一步采用半定规划松弛和随机化方法,可以获得最优发射波形,其性能与Pareto加权系数和PAR约束条件等有关。计算机仿真分析表明,发射波形设计在SNR和干扰抑制能力方面存在制约关系,并可以通过增大发射机动态范围进一步改善性能。     

检测性能约束下目标估计的波形优化设计

为了提高杂波背景下检测性能约束的扩展目标估计性能,提出一种基于凸优化和随机化方法的波形优化设计算法。文中考虑了实际雷达系统应用对目标检测性能的要求,定义了随机目标场景下的信杂噪比,并将之作为约束条件,以最大化接收回波与目标随机冲激响应之间的互信息作为优化准则,利用凸优化和随机化方法进行恒包络相位编码信号的设计。仿真实验结果表明,该算法获得的发射信号能够满足系统最低检测信杂噪比的要求,最大化互信息,提高了目标的估计性能,将扩展目标估计性能和检测性能有效统一起来。     

基于SCA架构的波形设计方法

SCA是一种广泛应用的设计软件无线电系统的标准体系架构.本文基于SCA架构,提出一种通用的波形设计方法,满足"一种波形适应多个平台,一种平台加载多种波形"的要求.     

峰均功率比约束下扩展目标波形优化

针对包络约束条件下扩展目标最优检测波形设计,提出了峰均功率比约束条件下最优检测波形优化方法。首先,建立了扩展目标信号模型;然后,通过将恒定包括约束转换成峰均功率比约束,推导出该约束下扩展目标最优检测波形优化模型;并将该非凸模型转换成易于求解的凸优化模型,由此获得了恒定包络和低起伏包络条件下的最优检测波形;最后,以某典型扩展目标为例,仿真对比了不同约束参数下波形的检测性能,验证了优化所得恒定包络、低起伏包络波形相比于传统Barker 码波形具有更好的检测性能。     

SDR OFDM Waveform Design for a UGV/UAV Communication Scenario

In the course of a national research project, EADS Innovation Works has developed a waveform on a self-designed hybrid Software Defined Radio (SDR) platform, consisting of an FPGA (Xilinx Virtex 5) and a GPP (Intel Atom). The waveform realizes a video link between an Unmanned Ground Vehicle (UGV) and its Ground Control Station (GCS). This link is established indirectly with an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) acting as a relay, in order to enable non-line-of-sight (NLOS) communication and to increase the communication range. Additionally, a direct video link from the UAV to the GCS is set up simultaneously as well as multiple low data rate control channels between the individual link partners. To cope with diverse operation areas, accompanied by a heterogeneous set of requirements, the waveform must offer outstanding adaptability and flexibility to maximize data rates in each scenario, while maintaining link robustness. The developed waveform is based on OFDM with freely customizable modulation parameters. Time Division Multiple Access (TDMA) is implemented on medium access layer to switch between the different users in the scenario (UGV, UAV, GCS). In this article, we give an overview of the waveform, its implementation on a hybrid platform and its validation for the intended field of application.     

A Multicarrier Phase-Coded Waveform Design Scheme for Joint Radar and Communication System

A Multicarrier phase-coded (MCPC)waveform design scheme with two steps for Joint radar and communication (JRC) system is developed.Firstly,an integrated MCPC waveform design method is addressed by simultaneously maximizing the Signal-to-clutter-to-noise ratio (SCNR) and the Shannon capacity,subject to both the Integrated sidelobe level ratio (ISLR) constraint and the energy constraint.This model is theoretically proved to be a convex optimization problem with respect to the absolute squares of the transmit weights corresponding to different subcarriers,of which the analytical result is also discussed.Subsequently,by further optimizing the phases of the transmit weights,minimizing the Peak to average power ratio (PAPR) for JRC system is recast as a Semidefinite programming (SDP) problem,which can be effectively solved with the Semidefinite relaxation(SDR) technique via Eigenvalue decomposition (EVD)or Complex Gaussian randomization (CGR).Numerical examples are provided to verify the effectiveness of the proposed scheme.     

Design of Low PAPR Fundamental Modulation Waveform for Transform Domain Communication System

To utilize white space spectrum in radio environment, transform domain communication system (TDCS) has been proposed to realize an overlay cognitive radio communication system by using spectrum bin nulling and frequency domain spreading. Being similar to OFDM systems, TDCSs still suffer from the problem of high peak to average power ratio (PAPR) in present of high power amplifier. In this paper, a distortionless PAPR reduction method is proposed for TDCS, namely clipping and phase replacement (CPR). Following this method, the clipping noise-dirty phase vector is replaced by an appropriate replacement, which is selected from the identical phase mapping space to avoid systematic performance degradation. Owing to the high computational complexity from exhaust search, an efficient implementation of CPR method is proposed through the iterative PAPR reduction and phase replacement. Moreover, some considerations for practical applications, such as imperfect spectrum sensing and the number of phase taps, are considered. Analytic and simulation results demonstrate that the distortionless CPR PAPR reduction method is a preferable candidate for TDCSs in both the single-user and multi-user scenarios.