結合常用的車載調頻連續波（FMCW）雷達和擴頻通信技術，針對通信與目標探測相結合的綜合波形設計、硬件實現等問題，研究了基于直接調制的調頻連續波（DM-FMCW）的一體化系統，通過仿真結合理論推導驗證信號合成方案的可行性，搭建一體化測試系統。結果表明：利用正交相移鍵控（QPSK）調制通信信號并不會影響雷達性能；一體化信號的通信誤碼率與QPSK 信號相同，雷達速度分辨率為0.1 m/s，距離分辨率為1 m。

0 前言

隨著數據時代的發展，智能交通及車聯網的概念被提出，這要求汽車兼具通信和目標探測的功能［1］。由于調頻連續波（FMCW）信號具有恒定包絡、短脈沖周期和高擴頻增益等特點，因此其具備高距離分辨率、高速度分辨率等優點，被廣泛應用于車載雷達系統。以FMCW 為基礎的通信及目標探測設備具有體積小、便捷程度高和共享頻譜資源等優點。

在各種方式下以FMCW 為基礎的雷達信號被用于調制通信信息，楊云飛等［2］針對連續相位調制（CPM）-線性頻率調制（LFM）波形中各符號內部調制了通信信息，調制方式采用CPM，使其對雷達性能的影響最低。在調制的通信信息的影響下會產生距離旁瓣調制，并導致波形具有隨機性，進而影響多普勒維的脈沖主旁瓣［3］。為此，還需要增加額外的距離旁瓣來進行抑制處理，以彌補雷達性能的損耗［4］。劉耀文等［5］提出將最小頻移鍵控（MSK）信號與LFM 信號相結合，將LFM 信號作為MSK 信號的載波，得到MSK-LFM 一體化信號，但此方案采用低階調制，通信速率不高，難以應用在實際通信中。

針對雷達與通信共存的情況，本文研究了兩者性能間的相互影響，設計并驗證了一款易于實現的車載一體化系統，分別采用π/4 相移的正交相移鍵控（QPSK）來調制幀頭信號和通信信號。

1 直接調制的調頻連續波（DM-FMCW）信號模型

所設計的一體化信號以連續波為基礎，將1 幀通信數據的長度與雷達脈沖重復時間所占用的長度相對應，即認為一個脈沖重復時間（PRT）內所包含的數據為1 幀信號，其包含多個通信符號，利用掃頻余弦（Chirp）信號承載通信信息，結合擴頻技術可提高信號積累的能量，減少噪聲對信號的干擾。信號總體以FMCW 為載波，可將其視為多個Chirp 信號的拼接，數據幀頭部分采用固定數量的符號承擔，其后的符號可以隨機調制通信信息。

作為載波的Chirp 信號sc(t)表示為：

式中：f0為信號的中心頻率；k為載波信號的調頻斜率，k=B/Tc，B為Chirp 信號的帶寬，Tc為Chirp 信號的掃頻時長；t為時間，t∈[0，Tc]。

在1 幀信號中，取5 個固定符號置于幀頭，用作信號同步，并采用π/4 相移的QPSK 對幀頭信號進行調制，以確定信號因信道影響而產生的相位旋轉角度。除幀頭外的所有符號均可用于加載通信信息，筆者采用QPSK 進行調制。采用2 種不同調制方式可以更好地區分幀頭和通信信號。

1 幀發送信號s(t)的表達式如下：

式中：M為用作幀頭的Chirp 信號個數；θm為π/4 相移QPSK 調制的第m個幀頭符號的信號相位；N為隨機調制的通信總符號數；φn為QPSK 調制的第n個通信信號相位。

2 一體化信號的通信解調

一體化信號發送后，經隨機信道的二次調制到達通信接收機，接收信號rc(t)被噪聲干擾，表示為：

式中：n(t)為高斯白噪聲。

采用與載波斜率相同的Chirp 信號對rc(t)進行脈沖壓縮處理。為便于理解，對1 幀信號中的第1 個符號進行處理，即m=0，故第1 個處理后的信號r0(t)表示為：

由式（4）可知，經脈沖壓縮處理后的輸出信號包絡近似為sinc 函數，其峰值點相位θ0即為Chirp 信號承載的通信信息。

觀察脈沖壓縮后信號的頻域并提取出頻譜峰值點上信號的相位，將其與幀頭固定相位信息進行對比，可完成幀同步并確定相位偏移。完成幀同步后，對通信部分信號進行解調，并補償相位偏移，可得到發送的通信信息。

3 一體化回波信號處理

假設在t=0 時，目標與雷達之間的距離為R，移動目標以速度v進行勻速徑向運動，τ為1 幀內信號經過的時延，此時1 幀目標回波信號rr(t-τ)可以表示為：

由于雷達信號接收機收發一體，因此無需對通信信號進行解調，可直接采用去斜率（dechirp）的方式去除一體化回波信號中的通信部分，為便于理解，對接收信號第i幀回波的第1 個符號rr(t-iTr-τ)進行處理，表示為：

式中：I為一次相干處理間隔（CPI）內的總幀數；Tr為雷達回波信號的累積時長；c為光速。

對雷達回波信號進行去通信處理，可得：

式中：xir(t)為每1 幀的回波信號。

將得到的xir(t)重排成快-慢時間維的回波矩陣，并對其快時間維進行脈沖壓縮，將脈沖壓縮后的回波矩陣進行相干積累，得到目標的速度信息。

4 試驗測試

4.1 仿真試驗

所設計的一體化波形仿真的信號帶寬為150 MHz，載波頻率為2.4 GHz，雷達積累脈沖數為300。目標距離雷達17 m，且以7 m/s 的速度與雷達相向而行。在不同進制數（M）和多普勒頻移（D）的情況下接收端解調隨機產生的通信信息，誤碼率曲線對比如圖1 所示。從圖1 可以看出：改變進制數會影響信號的誤碼率，在不改變多普勒頻移的情況下，進制數越高，誤碼率性能越差；對于相同進制數的信號，解調后的誤碼率性能受頻移的影響，頻移越大，誤碼率性能越差。

圖1 不同信噪比下的誤碼率

對回波信號的快時間維進行脈沖壓縮處理后可以得到目標的距離信息，再對快-慢時間維回波矩陣進行動目標檢測（MTD），可以得到目標的速度信息。圖2為經MTD 后的距離-多普勒圖的速度切面圖。

圖2 MTD 速度切面圖

4.2 實測結果分析

圖3為實測數據的解調結果，其中第3 列數據為隨機調制的通信信息所對應的解調結果，將其繪制成星座圖后發現，所有數據分布在星座點附近，說明解調效果良好。

圖3 通信解調結果

圖4為經MTD 處理之后的距離-多普勒實測圖。人體走動速度約為1.7 m/s，面向雷達而行，距離由遠及近。圖4 中的亮點表示所探測到的目標，亮度越高表示雷達接收到的目標回波信號的功率越強，此回波信號經處理后積累的能量也越多，故雜波對目標探測的干擾越小，更容易辨認出移動目標。

圖4 經MTD 處理后的距離-多普勒圖

5 結語

設計了基于DM-FMCW 的一體化波形，以FMCW 波形為載波，采用π/4 相移的QPSK 和QPSK 來調制加載信息，將其合成一體化信號。分別給出了通信解調和雷達回波處理方案，并搭建一體化系統。結果表明：調制通信信息不會影響雷達檢測性能，雷達距離分辨率為1 m，速度分辨率為0.1 m/s，通信誤碼率與QPSK 相同。根據此方案設計的一體化系統具有很好的實時性，可以為其他類似調制方式實現一體化提供參考，且所需硬件設備并不復雜，系統模塊占用空間小，適合用于車載雷達通信一體化。