基于有源相控阵雷达的通信系统

图 2 通信步骤时间图
3 雷达接收机作为通信接收机时遇到 的问题及解决办法
3. 1 问题一 :载波不同步
3. 1. 1 载波不同步的原因及影响 雷达接收机与通信接收机相比 ,同样都包括对 信号的放大 、滤波和变频等功能 ,不同点在于雷达接 收机中没有同步电路 [ 3 ] 。因为雷达总是试图接收 自己发射的脉冲信号 ,而雷达发射机和接收机的频 率源都是相同的 ,所以不需要同步电路 。
如果设信号是从 0时刻开始采样 ,则第一个采 样点相位偏移量为 θ,第 n个采样点的相位偏移量为
摘 要 :目前 ,飞机上装载的通信电台 ,其数据率在需要传输大容量的数据时无法满足要求 。用有 源相控阵雷达来接收通信信号 ,不仅利用了有源相控阵雷达天线高增益的特点 ,而且不用另外增加 天线 ,减少了成本 。针对这样一些优点 ,提出了一个基于有源相控阵雷达的通信方案 。通信系统以 一般的有源相控阵雷达系统为基础 ,从理论上分析了通信系统的构成及通信过程 ,并解决了雷达接 收机没有同步电路所带来的问题 。 关键词 :有源相控阵雷达 ;通信系统 ;系统设计 ;同步检波器 ;相位偏移 中图分类号 : TN958. 92 文献标识码 : A 文章编号 : 167325692 (2008) 022131205
0 引 言
目前 ,飞机上装载的通信电台 ,传输速度慢 ,在 需要传输大容量的数据时无法满足要求 。比如当飞 机收集了大量的数据后 ,用现有的数据链无法及时 地把数据传给地面 ,只有在飞机着陆后进行 ;还有在 进行任务交接时 ,支援飞机也不能把正在执行任务 的飞机上的历史文件下载并保存下来 。因此 ,我们
外 ,雷达虽然知道通信脉冲会在紧接触发脉冲的接 收窗内到达 ,但并不能准确判断会在什么时间到达 , 也无法做到刚好在脉冲到达时刻开始采样 ,直到脉 冲结束 。所以采样时间实际上会大于一个脉冲持续 时间 。这样 ,脉冲以外的噪声和干扰信号也会被采 样到 。为了尽量减少采样到的噪声和干扰信号 ,希 望采样的起始时间能够在脉冲的起始时间附近 。因 此 ,可以考虑接收端先根据位置信息估算出脉冲在 AB 间来回传播的时间 T, 然后在发射了触发脉冲 T 时间以后开始采样 。
第 2期 2008年 4月
基础理论
中国电子科学研究院学报 Journal of CAE IT
Vol. 3 No. 2 Ap r. 2008
基于有源相控阵雷达的通信系统
李 璐 1 ,李Fra Baidu bibliotek军 1 ,李超强 2
(1. 电子科技大学 通信与信息工程学院 ,成都 610054; 2. 中国电子科学研究院 ,北京 100041)
2. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)
Abstract: Now, the data rate of communication transm itter2receiver in aircraft cannot meet the require2 m ent of transm itting high2volume data. Active phased2array radar, to receive communication signals, not only takes advantage of the high2gain characteristic of active phased2array radar antenna, but also makes another antenna unnecessary, thus reducing the cost. Therefore, communication scheme based active phased2array radar is p roposed in this article. The communication system is based on a general active phased2array radar system. Its structure and communication p rocess are analyzed theoretically, and the p roblem due to the lack of synchronization circuit in radar receiver is resolved. Key words: active phased2array radar; comm unication system; system design; synchronization detector; phase drift
希望有一种更好的通信方式 ,能快速地传输大容量 的数据 。有源相控阵天线的发展将使这个设想成为 现实 。然而 ,仅仅是通过在飞机上加装一部有源相 控阵天线来进行通信 ,会带来很多麻烦 。首先是成 本的问题 ,一部有源相控阵天线的价格并不便宜 。 还有天线的安放位置问题 ,新装的天线必定会对其 他天线造成干扰 ,还会影响飞机的飞行 ,如增大阻力 等 。因此 ,利用现有的有源相控阵雷达天线来进行 通信似乎是一个更好的办法 。
的信号与参考信号相比 ,初始相位为 θ,那么同步检
波器的输出信号为
I =A cos ( 2πΔft + < +θ)
(1)
Q =A cos( 2πΔft + < +θ)
(2)
假设信号的采样率为 106 Sp s,Δf为 0. 2 MHz,则
相邻采样点之间的相位偏移可达到 2πΔfTs = 0. 4π, 即 72°。这会严重影响系统的抗噪声性能 。
A Com m un ica tion System Ba sed on Active Pha sed2array Radar
L I Lu1 , L I Guang2jun1 , L I Chao2qiang2
(1. Sem inary of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China;
现代有源相控阵雷达都是以脉冲方式发射信号 , 接收机也是间断接收雷达回波 ,所以发送端只能发射 脉冲信号。另外 ,为了尽量不影响雷达本身的工作 , 我们只利用雷达接收主要的数据信息 ,像控制信息和 确认信息等简短的信息用原来的通信电台来传送 。
为了简化系统设计 ,采用简单的停等协议 。也 就是发送一个脉冲 ,处理一个脉冲 。当一个脉冲正 确接收以后 ,就向发送端发射一个确认信号 ,然后等 待接收另一个脉冲 。如果收到的脉冲包含错误的数 据 ,就发射一个重传信号 。
李 璐 等 :基于有源相控阵雷达的通信系统
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R3 : A 向 B 发送一个数据脉冲 ; L3 : B 向 A 发送一个确认信号 ,表明已经正确接 收到数据脉冲 ; L2 到 L3 重复进行 ,直到所有数据都传输完毕 ; L4 :两架飞机传递必要的信息以拆除雷达数据链。 通信步骤时间图如图 2所示 。在图中可以看出 , 雷达在接收到通信脉冲以后 ,需要对脉冲进行信号 处理 ,还要经过发送确认信息和位置信息等过程才 能发射下一个触发脉冲 ,所以发送端连续发射通信 脉冲的时间间隔可能远远大于雷达脉冲周期 。另
假设采用 DPSK调制方式 ,则发射信号函数为 A cos (ω0 t + < ) , <为随机变量 ,取值 0或 π。
当发射机与接收机的载波完全同步时 ,雷达同 步检波器的输出分别为 A cos < 和 A sin < ,发射机 和接收机产生载波的振荡器是不同的 ,虽然总是希 望把两个振荡器的频率调到一致 ,但总是会有误差 , 这个误差可能很小 ,只有百万分之几 ,但也会使雷达 接收机采样到的信号有严重的相位偏移 ,对信号的 解调造成很大的影响 。另外 ,由于传播时延等原因 , 参考载波与接收到的信号也存在着初始相位的不 同 。如果发射机和接收机的频率误差为 Δf,接收到
图 1 系统方框图
2 通信过程
通信步骤如下 。 L1 :两架飞机传递必要的信息以建立雷达数据链 ; L2 : A 向 B 发送位置信息 ; R1 : B 调整雷达天线对准 A; R2 : B 向 A 发送一个 RF脉冲 ,以触发 A 向 B 发 送一个适应雷达接收机的数据脉冲 ;
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通信脉冲为了适应雷达接收机 ,应具有与雷达 脉冲同样的载波频率 。而雷达的工作频段通常比通 信电台的工作频段高得多 。而且为了适应高速率的 数据传输 ,需要更高的信道带宽 ,这是原来的通信电 台不具备的 。因此 ,在发送端需要添加额外的设备 以组成新的通信电台 。
系统方框图如图 1 所示 。A 为发送端 , B 为接 收端 。图中椭圆虚线内的部分为原来的通信电台 。 矩形虚线内为需要添加的部分 。在 A 端 ,计算机用 于存储数据和做一些信号处理的工作 。信号处理器 完成数据的封装 ,信道编码和调制等功能 ,以及对触 发脉冲做出响应 。收发信机包括发射机和用于检测 触发脉冲的设备 。至于天线 ,可以考虑在飞机上寻 找一根合适的天线 ,用射频开关把收发信机接到天 线上 。如果不行的话 ,就只能加装一根全向天线 。 在 B 端 ,信号处理器相应的完成解调 、信道解码和 数据解封等功能 。L1 、L2、L3 、L4 是原来的数据链 ,利 用飞机上原有的通信电台传递简短的控制信息 ; R2、R3 是雷达数据链 ,用来传递主要的数据信息 。
由于雷达必须工作在脉冲方式 ,当数据脉冲到 达接收端时 ,有可能雷达正好处于发射状态 ,这样就 无法正确接收 。那么 ,怎样才能使发射的数据脉冲 与雷达的接收同步呢 ? 我们采用了一种脉冲触发的 方式 。那就是雷达向发送端发射一个雷达脉冲来触 发发送端发射通信脉冲 。也就是说 ,发送端只有在 收到触发脉冲以后才会发射通信脉冲 ,而且 ,可以通 过控制通信距离来使得通信脉冲在紧接触发脉冲的 接收窗内到达接收端 。发送端对触发脉冲的判断采
收稿日期 : 2007208215 修订日期 : 2007212213
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1 系统结构
基本的出发点是利用雷达原有有源相控阵天线 收发信号 ,因此首先想到的是利用一个射频开关把 通信的收发信机与雷达天线相连 。但是这样做的缺 点很明显 ,第一 ,需要对雷达系统进行硬件改造 ,会 增加成本 ;第二 ,射频开关具有插入损耗 ,会降低雷 达回波的能量 ,这将严重影响雷达本身的工作 。因 此 ,引入软件无线电的思想 ,在尽可能靠近天线的地 方使用宽带的模数转换器 ,尽早地完成信号的数字 化 ,从而使通信功能尽可能地用软件来定义和实 现 [ 2 ] 。然而 ,为了避免对雷达系统硬件的改造 ,我 们不能修改雷达系统的模拟电路部分 ,只能利用其 原有的模数转换器 ,在后面添加通信用的高速数字 信号处理器 。发送端利用普通天线来发射通信信 号 ,接收端用有源相控阵雷达天线接收通信信号 。 在接收端 ,通信信号通过雷达接收机后 ,经采样和模 数转换送入高速数字信号处理器 。这样 ,只需要通 过软件控制发送的通信信号波形以适应雷达接收 机 。对数字信号处理器进行编程 ,以定义我们想要 的功能 ,就可以完成整个通信过程 。虽然 ,在通信过 程中 ,发送端的雷达仍然有可能受到通信信号的干 扰 。但是 ,在通信结束以后 ,雷达可以马上恢复正常 工作 ,不会受到新的通信系统的影响 。
用的是一种简单的能量检测方式 。也就是在一定的 频段内检测到一定的能量就作为接收到触发脉冲 。 当然 ,这种方法存在风险 ,很有可能把其他的干扰信 号当作触发脉冲 。所以 ,这种方法要配合确认机制 来使用 。也就是只有在收到确认信号或重传信号 , 并且发送了位置信息以后 ,检测到的能量才可以当 作触发脉冲 。