一种通信感知一体化系统及波形设计方法与流程

本发明属于移动通信和雷达感知领域，尤其涉及一种通信感知一体化系统和波形设计方法。

背景技术：

1、随着通信数据速率的爆发式增长，对频谱资源的需求越来越大，低频段频谱资源非常紧张，开展毫米波乃至太赫兹频段技术研究是大势所趋。目前毫米波和太赫兹频段主要应用于雷达感知系统，用于实现目标探测感知、定位和跟踪等功能。雷达感知系统与通信系统相比，两者在系统架构上具有很大的相似性，其均由发射机、接收机、天线和数字信号处理模块等构成。因此，开展通信感知一体化研究，不仅可以实现硬件资源共享，提高系统利用率，降低整个系统的复杂性，实现装备小型化、通用化和多功能化，而且利用雷达感知系统的一些优良性能进行通信，如高发射功率、高接收灵敏度以及天线的强方向性等都有益于提升通信系统性能。现有通信感知一体化技术中，一类方案采用雷达感知和通信功能分时工作的模式，两种功能无相互干扰，但缺点是频谱利用率低，且雷达感知和通信的时间分配矛盾难以解决；另一类方案是采用复杂的波形设计实现通信感知一体化功能，可同时实现雷达感知和通信，但波形设计复杂，数字信号处理难度大、时延大，难以同时兼顾通信和感知性能。随着雷达和通信系统工作频率向毫米波和太赫兹等高频段发展，系统相位噪声的影响更加显著，严重限制了接收机信噪比，同时，多普勒效应和通信载波频率偏移会导致严重的通信信号载波间干扰和码间干扰，限制通信速率。

技术实现思路

1、技术问题：为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种通信感知一体化系统及波形设计方法，系统同时发射和接收通信及雷达感知信号，采用时频复用工作方式，在保证通信和感知性能的同时，显著提高频谱利用率，降低信号处理难度；实现通信、感知信号相位噪声抵消，消除多普勒效应和载波频率偏移对通信性能的影响。

2、技术方案：本发明的一种通信感知一体化系统及波形设计方法，该系统与波形协同设计，该系统发射信号为包括通信和感知信号的通感一体化合成信号，通信和感知信号波形采用时频复用工作方式，即通信和感知信号“同时不同频，同频不同时”，通信信号和感知信号在该系统工作过程中使用相同频段，在该频段内通信和感知信号的频率随时间按设计规律变化，尽可能充分利用频谱资源。

3、所述的感知信号波形包括调频连续波fmcw信号和脉冲调制信号，所述的通信信号波形包括幅度调制信号、相位调制信号、正交幅度调制信号。

4、所述的系统主要包括：发射天线、发射链路、本振链路、接收天线、接收链路、数字信号处理模块；数字信号处理模块分别连接发射链路输入端、本振链路控制端和接收链路输出端；发射链路用于将来自数字信号处理模块的通信信号和来自本振链路的感知信号合成，得到通信感知一体化波形信号，经过发射天线辐射出去；接收链路通过接收天线接收通信感知一体化信号，一体化信号中的感知信号与本振信号混频得到包含目标信息的感知基带信号，一体化信号自混频得到通信基带信号，感知基带信号和通信基带信号输出到数字信号处理模块。

5、所述数字信号处理模块，采用fpga或dsp实现，用于产生发射通信基带信号和本振控制信号，协同控制通信和本振产生的感知信号时频关系，实现时频复用的通感一体化波形，协同控制的参数包括通信和感知信号时序、带宽、信号重复周期、信号功率；所述数字信号处理模块用于处理接收到的感知基带信号和通信基带信号，提取目标距离、速度、角度的感知信息和通信信息。

6、所述发射链路包括混频器、滤波器、合路器、功率放大器电路，其中，混频器将通信基带信号调制到来自本振的载波上，与来自本振的感知信号按功率关系合成得到通信感知一体化信号，一体化信号直接通过天线发射，或再次经过变频搬移到更高频率进行发射；感知信号与通信信号采用时频复用工作模式，两种信号保持频率差，便于接收链路滤波和信号提取；为了保证感知距离和通信信号低失真，感知信号功率高于通信信号功率。

7、所述接收链路包括低噪声放大器、功分器、混频器、滤波器、合路器电路，其中，混频器分为感知信号混频器和通信信号混频器；感知信号混频器的本振信号与发射信号相参；通信信号混频器的本振信号和射频输入信号均来自通感一体化信号，通过自混频得到通信信号和感知信号的差频信号，即通信基带信号。

8、所述通信信号和感知信号是相参的，两者来自同一个本振源或者相参本振源；对于感知信号，利用收发信号相参特性混频实现与距离相关的相位噪声抵消效果；对于通信信号，基于所述系统，利用一体化信号中通信信号载波和作为本振的感知信号相参特性混频实现通信信号的相位噪声抵消，消除收发系统和空间信道的附加相位噪声影响，抵消效果与通信距离无关；基于所述系统中通信信号混频机制还可以消除多普勒频移、载波频率偏移对通信信号的影响。

9、所述通信信号和感知信号能同时发射和接收，通过时频复用实现全双工工作，或灵活配置为时分复用或频分复用。

10、有益效果：本发明的通信感知一体化系统及波形设计方法具有以下优点：

11、1、与现有技术中采用雷达感知和通信功能分时工作模式的系统方案相比，现有技术方案频谱利用率低，且雷达感知和通信的时间分配矛盾难以解决；在本发明中，通信及雷达感知信号通过时频复用工作方式，可同时发射和接收通信和感知信号，在保证通信和感知性能的同时，显著提高了频谱利用率；

12、2、与现有技术中采用复杂的波形设计实现通信感知一体化功能的系统方案相比，现有技术方案波形设计复杂，导致数字信号处理难度大，且雷达感知和通信信号相互干扰较大；而本发明通过系统方案和波形联合设计，通过时频复用工作方式，可以利用传统通信和感知信号波形实现通信感知一体化功能，显著降低了数字信号处理难度，且雷达感知和通信信号相互干扰小；

13、3、与现有技术相比，本发明提出的通信感知一体化信号合成方法，保证了感知信号和通信信号载波的相参性，通信和感知接收链路利用相参混频实现射频前端系统和空间信道附加相位噪声抵消，提高了基带输出信号的信噪比；通信信号混频方案还可以消除多普勒效应和载波频率偏移影响。

技术特征：

1.一种通信感知一体化系统及波形设计方法，其特征在于，该系统与波形协同设计，该系统发射信号为包括通信和感知信号的通感一体化合成信号，通信和感知信号波形采用时频复用工作方式，即通信和感知信号“同时不同频，同频不同时”，通信信号和感知信号在该系统工作过程中使用相同频段，在该频段内通信和感知信号的频率随时间按设计规律变化，尽可能充分利用频谱资源；

2.根据权利要求1所述的通信感知一体化系统及波形设计方法，其特征在于，所述数字信号处理模块，采用fpga或dsp实现，用于产生发射通信基带信号和本振控制信号，协同控制通信和本振产生的感知信号时频关系，实现时频复用的通感一体化波形，协同控制的参数包括通信和感知信号时序、带宽、信号重复周期、信号功率；所述数字信号处理模块用于处理接收到的感知基带信号和通信基带信号，提取目标距离、速度、角度的感知信息和通信信息。

3.根据权利要求1所述的通信感知一体化系统及波形设计方法，其特征在于，所述发射链路包括混频器、滤波器、合路器、功率放大器电路，其中，混频器将通信基带信号调制到来自本振的载波上，与来自本振的感知信号按功率关系合成得到通信感知一体化信号，一体化信号直接通过天线发射，或再次经过变频搬移到更高频率进行发射；感知信号与通信信号采用时频复用工作模式，两种信号保持频率差，便于接收链路滤波和信号提取；为了保证感知距离和通信信号低失真，感知信号功率高于通信信号功率。

4.根据权利要求1所述的通信感知一体化系统及波形设计方法，其特征在于，所述接收链路包括低噪声放大器、功分器、混频器、滤波器、合路器电路，其中，混频器分为感知信号混频器和通信信号混频器；感知信号混频器的本振信号与发射信号相参；通信信号混频器的本振信号和射频输入信号均来自通感一体化信号，通过自混频得到通信信号和感知信号的差频信号，即通信基带信号。

5.根据权利要求1所述的通信感知一体化系统及波形设计方法，其特征在于，所述通信信号和感知信号是相参的，两者来自同一个本振源或者相参本振源；对于感知信号，利用收发信号相参特性混频实现与距离相关的相位噪声抵消效果；对于通信信号，基于所述系统，利用一体化信号中通信信号载波和作为本振的感知信号相参特性混频实现通信信号的相位噪声抵消，消除收发系统和空间信道的附加相位噪声影响，抵消效果与通信距离无关；基于所述系统中通信信号混频机制还可以消除多普勒频移、载波频率偏移对通信信号的影响。

6.根据权利要求5所述的通信感知一体化系统及波形设计方法，其特征在于，所述通信信号和感知信号能同时发射和接收，通过时频复用实现全双工工作，或灵活配置为时分复用或频分复用。

技术总结
本发明公开了一种通信感知一体化系统及波形设计方法，系统包括：数字信号处理模块、发射链路、接收链路、本振、发射天线和接收天线；通过系统与波形协同设计，实现通信和感知信号波形时频复用工作方式，可以充分利用传统通信和感知信号同时实现高性能通信和感知，并显著提高感知和通信实时性和频谱利用率；利用提出的通信感知一体化合成波形的相参性，结合系统方案，实现了感知信号相位噪声抵消，消除了相位噪声、多普勒效应和载波频率偏移对通信信号的影响，显著改善了感知和通信基带信号性能指标，降低了信号处理难度。

技术研发人员：刘志强,吴旭,夏海洋,刘欢,李连鸣
受保护的技术使用者：网络通信与安全紫金山实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12