【無線射頻通信】-大牛干貨·車載雷達(dá)通信系統(tǒng)詳解

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----大牛干貨·車載雷達(dá)通信系統(tǒng)詳解2023年6月25日出版的《中興通訊技術(shù)》，是中興通訊股份有限公司無線經(jīng)營部朱伏生總工。

雷達(dá)通信的概念約在21世紀(jì)初被提出來[1-5]，雷達(dá)通信一體化概念的提出則是為了適應(yīng)將來高科技戰(zhàn)斗。雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)作為電子戰(zhàn)平臺的基本組成部分，在事方面的作用至關(guān)重要。長期以來，這些系統(tǒng)都是各自縱向進(jìn)展，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，各系統(tǒng)間的差距漸漸削減，于是系統(tǒng)間的橫向一體化進(jìn)展問題開頭受到關(guān)注，即從橫向上對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行融合，使其具備通用性和多功能性。假如能實現(xiàn)雷達(dá)通信一體化，不僅能夠削減電子戰(zhàn)平臺的體積和電磁干擾，更可以提升戰(zhàn)場指揮效率。

雖然雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)由于用途的不同在工作方式、功能實現(xiàn)和信號特征等方面都存在顯著差異，但從系統(tǒng)原理來看，雷達(dá)技術(shù)和通信技術(shù)都與電磁波在空間的放射和接收有關(guān)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，兩者的硬件系統(tǒng)都包括天線、放射機、接收機和信號處理器等模塊；從技術(shù)的進(jìn)展趨勢來看，雷達(dá)由傳統(tǒng)硬件器件實現(xiàn)的功能正在由數(shù)字信號處理來取代完成。同時，通信系統(tǒng)的載頻也轉(zhuǎn)移到微波領(lǐng)域，與傳統(tǒng)雷達(dá)使用的頻率處于同一數(shù)量級。因此，雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)到軟件算法處理都正在趨同。雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的一體化首先是以共用相同的硬件平臺為基礎(chǔ)。最簡潔的是時分共享的方式，利用選通開關(guān)，雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)分時復(fù)用天線、放射機和接收機等硬件平臺，但是這種方式下兩個系統(tǒng)都不行能連續(xù)長時間地占用資源，否則就會影響另一個系統(tǒng)的性能；而本系統(tǒng)也由于工作時間有限而使得系統(tǒng)性能受限。

另一種硬件平臺共享的方式主要用于相控陣?yán)走_(dá)，將二維陣列分成多個子陣，每個子陣工作，用于實現(xiàn)雷達(dá)或通信功能，但是由于子陣的功率受限，雷達(dá)和通信系統(tǒng)的性能都會受到影響。因此，這種硬件共享、實現(xiàn)雷達(dá)和通信功能的一體化技術(shù)由于資源受限不僅對系統(tǒng)性能有影響，而且限制了系統(tǒng)效率的提升。因此，近年來雷達(dá)通信一體化的討論開頭關(guān)注信號方面的融合，即在同一硬件平臺上利用同一信號實現(xiàn)雷達(dá)和通信功能。車載雷達(dá)通信系統(tǒng)利用車輛已經(jīng)裝載的毫米波雷達(dá)以及雷達(dá)通信一體化技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)車載雷達(dá)探測和車間通信功能，而且不會額外增加汽車的硬件模塊，也不會由于通信功能的引入而使得汽車的電磁環(huán)境更加簡單，既降低成本又可以提高頻譜利用率。因此，車載雷達(dá)通信系統(tǒng)將會成為雷達(dá)通信一體化技術(shù)從事應(yīng)用轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域的重要突破之一。

1、車載雷達(dá)通信系統(tǒng)的討論意義

車載雷達(dá)通信系統(tǒng)正面對巨大的市場機遇。一方面，各國政府對交通平安的重視升級，自動緊急剎車、前向碰撞告警、車道偏離告警等汽車平安技術(shù)不斷被納入相關(guān)的法律法規(guī)。另一方面，自動駕駛成為全球討論的熱點，更在「中國制造2025」中上升為國家之一。

目前業(yè)界采納的高級駕駛幫助系統(tǒng)僅依靠搭載的攝像頭、紅外、激光雷達(dá)等各種車載傳感器來為單車智能駕駛供應(yīng)幫助。而與高級駕駛幫助系統(tǒng)相比，車載雷達(dá)通信系統(tǒng)是在車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)上一體化實現(xiàn)現(xiàn)代通信技術(shù)，在實現(xiàn)雷達(dá)探測功能的同時建立車聯(lián)網(wǎng)的通信連接，使汽車同時具備簡單環(huán)境感知、信息共享、智能化決策等功能，為智能駕駛供應(yīng)最有效的保障。車載雷達(dá)通信系統(tǒng)不僅具有毫米波雷達(dá)的探測優(yōu)勢，即在車輛對四周環(huán)境感知的功能上具有全天候、全天時、高精度、高辨別率的特點，而且可以通過車載雷達(dá)通信系統(tǒng)建立的車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)車輛自身及其四周環(huán)境信息的傳遞與共享，車輛可以獲得超視距范圍的環(huán)境認(rèn)知，從而使車輛具有了「視覺+聽覺」的力量。因此，車載雷達(dá)通信系統(tǒng)是支持智能駕駛和才智交通最基礎(chǔ)、最有效的手段。

并且，隨著5G通信時代的來臨，通信的頻段已不限制于6GHz以下，而是擴展到十幾吉赫茲到幾十吉赫茲的微波波段。而車載雷達(dá)通信系統(tǒng)可使用全球統(tǒng)一的頻譜，即24GHz、77GHz、79GHz頻段。這些頻段與5G高頻通信頻段和微波通信頻段接近。因此，基于雷達(dá)技術(shù)和通信技術(shù)的同源性，通過討論車載雷達(dá)通信系統(tǒng)，不僅使得車-車間通過車載雷達(dá)建立車車通信聯(lián)網(wǎng)成為可能，而且可對5G高頻通信技術(shù)的討論供應(yīng)技術(shù)積累。

2、車載雷達(dá)通信系統(tǒng)的討論現(xiàn)狀

2.1雷達(dá)通信一體化的評價指標(biāo)

雷達(dá)通信一體化的評價指標(biāo)包括雷達(dá)指標(biāo)和通信指標(biāo)。通常雷達(dá)指標(biāo)主要涉及雷達(dá)對目標(biāo)的距離、速度、角度等各方面的測量要求，主要包括測量范圍、測量精度、辨別率等指標(biāo)。通信指標(biāo)主要為信噪比、數(shù)據(jù)速率等，且通信功能的引入不能降低雷達(dá)的探測性能。以下主要介紹雷達(dá)指標(biāo)。

2.1.1距離

（1）雷達(dá)作用距離雷達(dá)的作用距離可由雷達(dá)方程來得出，雷達(dá)方程將雷達(dá)的作用距離和雷達(dá)放射、接收、天線和環(huán)境等各因素聯(lián)系起來，可以反映雷達(dá)各參數(shù)對雷達(dá)作用距離的影響程度?；纠走_(dá)方程為：

其中，R_max是雷達(dá)的最大作用距離，P_t是雷達(dá)放射功率，G_t和G_r分別是放射天線和接收天線的增益，是雷達(dá)截面積，S_sim是雷達(dá)接收機最小可檢測信號功率。

（2）測距范圍測距范圍包括最小可測距離和最大單值測距范圍。最小可測距離是指雷達(dá)能測量的最近目標(biāo)距離。對于脈沖雷達(dá)來說，收發(fā)天線是共用的，在放射脈沖寬度的時間內(nèi)，接收機無法接收目標(biāo)回波，在放射脈沖結(jié)束后將天線收發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)也需要肯定的時間t_0，接收機也不能接收目標(biāo)回波。因此，雷達(dá)的最小可測距離為：

雷達(dá)的最大單值測距范圍由脈沖重復(fù)周期T_m打算。為保證單值測距，通常應(yīng)選取T_m2R_max/c，其中R_max是被測目標(biāo)的最大作用距離。當(dāng)雷達(dá)重復(fù)頻率不能滿意單值測距的要求時，將產(chǎn)生距離模糊。

（3）距離辨別率距離辨別率通常是指同一方向上兩個大小相同的點目標(biāo)之間的最小可區(qū)分距離。對于簡潔的脈沖雷達(dá)信號，脈沖越窄，距離辨別力越好。對于簡單的脈沖壓縮信號，打算距離辨別率的是雷達(dá)信號的有效帶寬B，有效帶寬越寬，距離辨別率越好。距離辨別率可表示為：

（4）測距精度測距精度是指雷達(dá)對被測目標(biāo)距離測量的精確?????度，一般用均方根誤差來表示。理論上，單個強散射點距離的最小均方根誤差可以表示為：

其中，E/N_0為信噪比。可以看出：雷達(dá)的測距精度與信號帶寬和信噪比成反比。

2.1.2速度

依據(jù)多普勒頻率，其中v_r為徑向速度，測速精度可以表示為：

速度辨別率為：

其中，是信號持續(xù)時間，正比于信號時寬?？梢钥闯觯簻y速精度和速度辨別率都與信號時寬成反比，且信號波長越短，測速精度和速度辨別率越高。

2.1.3角度

角度的測量與天線孔徑有關(guān)，若天線的半功率波束寬度為：

則方位角或俯仰角的測量精度可以表示為：

2.2雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)的波形設(shè)計

雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)就是找到合適的信號能同時完成信息的傳遞和雷達(dá)探測功能。雷達(dá)和通信的參數(shù)都跟信道特性有關(guān)，最主要的信道特性是多普勒頻率和最大多徑時延，并且由于回波經(jīng)受了二倍的傳播路徑，因此這些特性對雷達(dá)的影響更大。除了信道的物理特性外，還有一些只針對雷達(dá)性能的限制，主要跟雷達(dá)的模糊函數(shù)有關(guān)。

傳統(tǒng)雷達(dá)波形設(shè)計的目的是得到具有最優(yōu)自相關(guān)特性的波形來保證雷達(dá)探測性能。雷達(dá)波形的選擇要考慮3共性能因素：目標(biāo)距離、多普勒和方位角。對于車載雷達(dá)來說，在交通密集的區(qū)域，波形應(yīng)能有效地對抗干擾和噪聲。而通信的主要性能指標(biāo)包括：掩蓋范圍、時延、數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)容量等。通信波形的選擇是要保證能對抗各種信道衰落以及多用戶干擾從而正確的解調(diào)解碼出通信信息。

考慮到現(xiàn)有雷達(dá)的實現(xiàn)技術(shù)和現(xiàn)有的通信技術(shù)，車載雷達(dá)通信一體化信號的主要討論方向有：基于線性調(diào)頻的雷達(dá)通信[4]、基于擴頻的雷達(dá)通信[6-9]、基于OFDM的雷達(dá)通信[10-11]。當(dāng)然，這些技術(shù)還可進(jìn)一步與多天線[7]、波束賦形等技術(shù)結(jié)合起來。

2.3基于線性調(diào)頻的雷達(dá)通信

基于線性調(diào)頻的雷達(dá)通信主要分為2類：基于準(zhǔn)正交波形疊加的方案[4-5]和基于單一波形的方案[11-13]。在單一波形方案中，又可分成2類：基于波形分別方案[9，14]和基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的方案[6]。

2.3.1基于準(zhǔn)正交波形疊加的方案

在基于準(zhǔn)正交波形疊加的方案[4-5]中，雷達(dá)信號和通信信號使用相互「正交」的波形，例如：雷達(dá)探測可以使用Down-Chirp信號（頻率隨時間線性下降），通信數(shù)據(jù)可以使用Up-Chirp信號（頻率隨時間線性上升），并使用2個「正交」的匹配濾波器分別提取期望的信號。用戶之間的數(shù)據(jù)可以通過不同的調(diào)頻斜率、不同的放射時間、不同的起始頻率等來區(qū)分。此方案中，雷達(dá)信號為：

通信信號為：

雷達(dá)信號和通信信號在一個雷達(dá)脈沖內(nèi)是基本正交的。

圖1、基于準(zhǔn)正交波形疊加的方案的示意圖（DQPSK：四相相對相移鍵控）

基于準(zhǔn)正交波形疊加的方案的示意圖如圖1所示。

2.3.2基于波形分別方案

圖2、基于波形分別的方案的示意圖

基于波形分別方案的示意圖如圖2所示[13]。在放射端，編碼后的通信信息調(diào)制到雷達(dá)波形上放射。在接收端，通過分別器將雷達(dá)信號和通信信號進(jìn)行分別之后再分別進(jìn)行處理。分別的方法包括同態(tài)濾波、白化等。

2.3.3基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的方案

圖3、基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的方案的示意圖（FRFT：分?jǐn)?shù)傅里葉變換）

基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換（FRFT）方案的示意圖如圖3所示[11]。雷達(dá)信號和通信信號是同一個，通信數(shù)據(jù)調(diào)制在不同的初始頻率的Chirp信號上，接收端使用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換分別把通信數(shù)據(jù)和雷達(dá)信號提取出來。

2.3.4基于擴頻的雷達(dá)通信

為了獲得較好的通信性能，可以考慮使用具有良好自相關(guān)特性的擴頻信號來作為雷達(dá)通信一體化的信號。系統(tǒng)只放射一個擴頻信號，一方面，系統(tǒng)利用自己放射的信號回波進(jìn)行目標(biāo)探測，實現(xiàn)雷達(dá)功能；另一方面系統(tǒng)通過該放射信號給另外的系統(tǒng)放射通信數(shù)據(jù)。用戶之間的數(shù)據(jù)通過不同的擴頻碼來區(qū)分。一個雷達(dá)接收到的信號[7]為：

用本地碼與接收到的雷達(dá)信號做相關(guān)之后得到：

在對公式進(jìn)行簡化之后，當(dāng)=2R/c_0-(k-i)T時，可得到相關(guān)峰值。此時，k=i+2R/(c_0*T)，進(jìn)而知道了目標(biāo)的距離、使用的擴頻碼，可以進(jìn)一步解調(diào)出數(shù)據(jù)，并得到目標(biāo)速度（從碼相位推出）。

2.3.5基于OFDM的雷達(dá)通信

OFDM信號[10]也是目前雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)波形設(shè)計的討論內(nèi)容之一。OFDM信號作為雷達(dá)信號，具有圖釘狀的模糊函數(shù)，同時具有距離和多普勒的高辨別率，而沒有距離多普勒耦合問題，可以地處理距離和多普勒信息。

但OFDM信號對多普勒頻移更加敏感，會破壞回波子載波之間的正交性，從而需要頻偏估量與補償。另外，OFDM信號具有較高的峰值平均功率比（PAPR），假如要獲得較高的放射功率，則要盡量降低信號的PAPR并采納大動態(tài)范圍的線性放大器。

圖4、基于OFDM方案的示意圖（FFT：快速離散傅里葉變換；IFFT：離散傅里葉逆變換）

基于OFDM信號的雷達(dá)通信示意如圖4所示[10]。雷達(dá)信號和通信信號是同一個，一個雷達(dá)收到的自己的回波為[7]：

用其跟本地放射的信號相除，然后經(jīng)過一系列離散傅里葉逆變換（IDFT）/離散傅里葉變換（DFT）運算之后，即可得到距離（R）和速度（f_D）。

其他雷達(dá)收到上述信號后，進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）運算、解調(diào)、解碼之后即可得到通信數(shù)據(jù)。

2.4仿真/測試結(jié)果

目前，雷達(dá)通信一體化信號的討論主要集中在調(diào)頻連續(xù)波、擴頻信號、正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）信號這3種類型，相關(guān)的討論和仿真也多是基于這3種類型。

2.4.1雷達(dá)性能

2.4.1.1線性調(diào)頻方案的仿真/測試結(jié)果

文獻(xiàn)[4]中，使用了Up-Chirp信號（雷達(dá)）和Down-Chirp信號（通信）（它們基本正交），Chirp信號的調(diào)頻率為40MHz/s，系統(tǒng)帶寬為80MHz，脈沖時間為2s（頻率從最低到最高所需要的時間），處理增益（時寬帶寬積）為22dB，數(shù)據(jù)調(diào)制方式是/4-DQPSK；射頻頻率為10GHz。

從文獻(xiàn)[4]中的仿真結(jié)果可知：當(dāng)信號與干擾加噪聲比（SINR）超過15dB時，檢測概率可達(dá)到85%（或更高），從而可以檢測出大多數(shù)目標(biāo)。

文獻(xiàn)[5]中，使用了Up-Chirp信號（雷達(dá)）和Down-Chirp信號（通信）（它們基本正交），Chirp信號的調(diào)頻率為1GHz/s，載波頻率為750MHz，系統(tǒng)帶寬為500MHz，脈沖時間為0.5s（頻率從最低到最高所需要的時間），處理增益（時寬帶寬積）為24dB；數(shù)據(jù)調(diào)制方式是二進(jìn)制相移鍵控（BPSK），射頻頻率為75MHz，放射功率為27dBm。

從文獻(xiàn)[5]的測試結(jié)果可知：其雷達(dá)通信系統(tǒng)能牢靠地區(qū)分出10m之外的2個相隔63cm的目標(biāo)。另外，文獻(xiàn)[5]還提到，其目標(biāo)檢測概率為99%。

2.4.1.2直接序列擴頻方案的仿真/測試結(jié)果

文獻(xiàn)[11]中，使用的仿真設(shè)置為：使用m序列來擴頻（SF=15，31，63，127，255）；碼片速率為48MCps；信號帶寬為96MHz；數(shù)據(jù)長度為256個符號，數(shù)據(jù)調(diào)制方式為BPSK。從文獻(xiàn)[11]的仿真結(jié)果可知：當(dāng)SINR超過0dB時，峰值旁瓣（PSL）（SF=255）達(dá)到40dB，從而能有效地區(qū)分出2個不同的目標(biāo)。

2.4.1.3OFDM方案的仿真/測試結(jié)果

文獻(xiàn)[7]中，使用的仿真設(shè)置為：載波頻率為5.9GHz，全相位OFDM子載波個數(shù)為512，CP長度為1.4s，加入CP后的全相位OFDM符號長度為23.8s，系統(tǒng)帶寬為91.5MHz，一幀內(nèi)的全相位OFDM符號個數(shù)為177，一幀的時間長度為4.25ms，子載波間隔為180kHz。從文獻(xiàn)[7]的仿真結(jié)果可知：當(dāng)SINR超過0dB時，距離的均方誤差（MSE）幾乎接近于0，從而能有效地區(qū)分出2個不同的目標(biāo)；當(dāng)SINR超過0dB時，Doppler頻移的MSE約為100Hz（等價于5m/s，18km/h），從而能有效地區(qū)分出2個不同的運動速度。

從上面的仿真結(jié)果可以看出：3種雷達(dá)通信的方案能有效地檢測出目標(biāo)。

2.4.2通信性能

2.4.2.1線性調(diào)頻方案的仿真/測試結(jié)果

文獻(xiàn)[4]中，使用了Up-Chirp信號（雷達(dá)）和Down-Chirp信號（通信）（它們基本正交），Chirp信號的調(diào)頻率為40MHz/s，系統(tǒng)帶寬為80MHz，脈沖時間為2s（頻率從最低到最高所需要的時間），處理增益（時寬帶寬積）為22dB，數(shù)據(jù)調(diào)制方式是/4-DQPSK；射頻頻率為10GHz。

從文獻(xiàn)[4]的仿真結(jié)果可知：當(dāng)SINR超過11dB時，誤碼率（BER）低于0.1%，從而可以滿意一般的通信性能需求。

2.4.2.2直接序列擴頻方案的仿真/測試結(jié)果

文獻(xiàn)[7]中，使用的仿真設(shè)置如下：載波頻率為2MHz，采樣頻率為20MHz，使用m序列來擴頻，擴頻因子為15或31，碼片寬度為1s，數(shù)據(jù)調(diào)制方式為差分相干二進(jìn)制相移鍵控（DBPSK），數(shù)據(jù)長度為2000個符號。

從文獻(xiàn)[7]的仿真結(jié)果可知：當(dāng)SINR超過3dB時，BER（SF=15的）低于0.1%，從而可以滿意一般的通信性能需求。

2.4.2.3OFDM方案的仿/測試真結(jié)果

文獻(xiàn)[10]中，使用的仿真設(shè)置如下：載波頻率為5.9GHz，全相位OFDM子載波個數(shù)為512，CP長度為1.4s，加入CP后的全相位OFDM符號長度為23.8s，系統(tǒng)帶寬為91.5MHz，一幀內(nèi)的全相位OFDM符號個數(shù)為177，一幀的時間長度為4.25ms，子載波間隔為180kHz。

從文獻(xiàn)[10]中的仿真結(jié)果可知：當(dāng)SINR超過8.2dB時，BER低于0.1%，從而可以滿意一般的通信性能需求。

從上面的仿真結(jié)果可以看出：3種雷達(dá)通信的方案在不太高的SINR下能較好地傳輸數(shù)據(jù)。

2.5試驗/測試系統(tǒng)

2.5.1基于線性調(diào)頻的雷達(dá)通信試驗系統(tǒng)

圖5、基于線性調(diào)頻的雷達(dá)通信試驗系統(tǒng)（LHCP：左旋圓偏振；PRBS：偽隨機二進(jìn)制序列；RHCP：右旋圓偏振）

如圖5所示[5]：該系統(tǒng)的工作頻率為750MHz，帶寬為500MHz，距離辨別率為63cm，雷達(dá)檢測概率為99%，虛警為7%。在1Mbit/s速率下的BER為0.002（這時雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為150kHz，雷達(dá)脈沖時間寬度1.5ns）。

2.5.2基于直接序列擴頻的雷達(dá)通信測試系統(tǒng)

圖6、基于直接序列擴頻的雷達(dá)通信測試系統(tǒng)（信號處理板卡）

圖6為（南京理工高校）基于直接序列擴頻的雷達(dá)通信測試系統(tǒng)（信號處理板卡），由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）等組成[8]。該系統(tǒng)使用30MHz中頻、31位m序列擴頻，通信速率為129kbit/s，PSL為13dB。

2.5.3基于OFDM的雷達(dá)通信試驗系統(tǒng)

圖7、OFDM超寬帶合成孔徑雷達(dá)試驗系統(tǒng)

邁阿密高校研制了超寬帶合成孔徑雷達(dá)，并使其成為通信雷達(dá)一體化系統(tǒng)，圖7為他們在試驗室研制的OFDM超寬帶合成孔徑雷達(dá)試驗系統(tǒng)[15-16]。

2.6小結(jié)

從以上的仿真和試驗系統(tǒng)可以看出：車載雷達(dá)通信系統(tǒng)可以使用多種信號來實現(xiàn)，最簡潔的是使用目前最常用的雷達(dá)信號調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），通信信息直接調(diào)制在該信號上，也可以使用現(xiàn)有的通信信號，比如擴頻信號和OFDM信號。依據(jù)仿真驗證：

24GHz車載雷達(dá)通信系統(tǒng)的雷達(dá)作用距離可達(dá)100m，通信距離則在500m以上，數(shù)據(jù)的傳輸速率最高可達(dá)20Mbit/s（采納OFDM信號）；

使用77GHz車載雷達(dá)通信系統(tǒng)的話，雷達(dá)的測距范圍和有效的通信距離基本相當(dāng)，可達(dá)250m，峰值數(shù)據(jù)速率為20Mbit/s（采納OFDM信號），而距離和速度的辨別