一种基于OFDM-Chirp的雷达通信一体化波形设计与处理方法学术研究报告

本文是基于2021年发表于《Journal of Radars》（雷达学报）第10卷第3期的学术论文“一种基于OFDM-Chirp的雷达通信一体化波形设计与处理方法”（英文标题：A New Method of Joint Radar and Communication Waveform Design and Signal Processing Based on OFDM-Chirp）。该研究由中国科学院的赵玉振、陈龙永*、张福博*、李焱磊、吴一戎（通讯作者为陈龙永和张福博）共同完成，作者单位包括中国科学院空天信息创新研究院、微波成像技术国家级重点实验室以及中国科学院大学。

学术背景与研究目的

本研究的科学领域属于雷达通信一体化（Joint Radar and Communication, JRC），也称为雷达-通信融合技术。近年来，随着频谱资源日益紧张以及对平台集成度、效率要求不断提高，如何设计一种既能完成雷达探测/成像又能实现高速数据传输的共享波形，成为研究热点。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）技术因其高频谱效率、灵活性和抗多径能力，被广泛应用于一体化波形设计。一种常见的思路是利用OFDM信号的奇偶子载波分别承载雷达信号（如线性调频信号，即Chirp信号）与通信数据。

然而，传统的OFDM一体化设计存在固有缺陷，这构成了本研究的出发点。首先，OFDM通信系统通常依赖循环前缀（Cyclic Prefix， CP）来对抗多径效应引起的载波间干扰（Inter-Carrier Interference， ICI）和符号间干扰（Inter-Symbol Interference， ISI）。但CP会降低能量利用率，并在雷达处理中引入虚假目标，影响成像质量。其次，传统的OFDM一体化信号对多普勒频偏极为敏感，微小的频率偏移就会严重破坏子载波间的正交性，导致雷达与通信性能双双恶化。此外，为进行信道估计和多普勒补偿，通信系统往往需要插入导频和训练序列，占用了宝贵的资源，进一步降低了频谱效率和能量效率。

基于此，本研究旨在解决上述问题，提出了一种创新的波形设计和处理方法。其核心目标是：1）避免使用CP以减少能量损失并消除由CP引入的雷达虚假目标；2）增强系统对多普勒频偏的鲁棒性；3）减少甚至免除对专用导频序列的依赖，以提升资源利用率和整体系统性能（包括峰值旁瓣比、积分旁瓣比和误码率）。研究最终期望设计出一种在资源受限场景（如机载救援探测与通信）下性能更优的一体化波形解决方案。

详细的研究流程与方法

本研究的工作流程主要包括理论建模、波形设计、信号处理算法创新以及仿真验证四个关键环节。

第一环节：理论分析与问题建模。 研究团队首先深入分析了传统OFDM-Chirp一体化波形的工作原理与性能瓶颈。他们明确指出，CP在通信中的积极作用（抗多径）与在雷达中的消极作用（产生虚假目标）构成了根本矛盾。同时，多普勒频偏不仅会破坏信号的正交性，导致能量泄露和相互干扰，还会使通信星座图发生旋转和弥散，并导致雷达脉冲压缩后主瓣位置偏移。这些分析为后续的创新设计提供了明确的问题导向。

第二环节：提出新颖的波形设计方案。 针对CP的问题，本研究提出采用“空白保护间隔”来替代传统的CP。其原理在于，空白保护间隔同样可以作为符号间的缓冲，将多径引起的其他符号的ISI排除在当前符号的积分窗外，从而消除ISI。对于ICI，关键在于保证在接收端解调时，积分时间窗内每个子载波的周期数为整数。通过仔细设计时间窗长度，使其大于符号持续时间但避免混叠，即使不使用CP，也能在不同子载波的积分区间内保持整数个周期，从而有效抑制ICI。这一设计从根本上避免了CP对雷达回波处理带来的负面影响，并提升了能量利用率，因为空白间隔不消耗发射能量。

第三环节：开发创新的信号处理算法。 这是本研究的核心贡献之一。研究团队提出了一套利用雷达信号先验信息进行系统同步和信道估计的算法，以减少对专用导频的依赖。 1. 多普勒频偏的估计与补偿： 论文提出了一种基于雷达信号辅助的多普勒估计算法。其基本原理是：在无频偏时，对接收信号中已知的雷达信号（Chirp信号）部分进行解调、频域抽取并与参考信号进行匹配滤波，输出功率应为最大值。当存在多普勒频偏时，子载波偏移会导致解调引入干扰噪声，降低匹配滤波的输出功率。因此，通过扫描或迭代不同的多普勒频率假设，寻找使得雷达信号匹配滤波输出功率最大的频偏值，即可得到精确的多普勒频偏估计。估计完成后，可在时域或频域对接收信号进行补偿。这种方法省去了传统通信系统中用于频偏估计的专门训练序列，节约了资源。 2. 一体化信道估计方法： 在补偿多普勒频偏后，雷达信号与通信信号恢复了正交性。研究提出利用已知的雷达信号作为“内置导频”，对其所在的子载波进行信道估计。由于信道响应在相邻频点上具有连续性，可以通过插值算法（如线性插值或更复杂的信道内插）来估计所有子载波（包括承载通信数据的子载波）上的信道响应，从而完成信道均衡。这一方法不仅避免了专用导频的开销，还能有效判断哪些子载波处于深度衰落，便于后续进行资源调度。

第四环节：全面的仿真实验与验证。 为了验证所提方法的有效性，研究团队在设定的参数（如带宽80 MHz，载频5.4 GHz，QPSK调制等）下进行了大量仿真。他们设计了对比实验，将所提出的新方法与传统的基于CP的OFDM一体化方法进行比较。 * 实验内容： 仿真考察了多普勒频偏对系统性能（雷达脉冲压缩、积分旁瓣比、通信误码率）的影响；展示了经过所提方法进行多普勒补偿和信道估计后，点目标成像结果和通信图像传输结果的改善；对比了在有无多径环境下，不同方法（直接解调、CP+导频、本文方法）的误码率性能；分析了所提OFDM-Chirp一体化波形与传统OFDM通信信号在峰均功率比（PAPR）上的差异。 * 研究对象与数据处理： 仿真的研究对象是设计的一体化信号本身及其在模拟信道（包含多普勒和多径效应）下的接收和处理过程。通过计算脉冲压缩后的峰值旁瓣比、积分旁瓣比，以及解调后的通信误码率等量化指标，对比不同方案的性能。仿真中设定的多径信道模型包含不同时延和功率的多条路径。

主要的研究结果及其分析

仿真实验为所提方法的优越性提供了强有力的数据支持，结果清晰地展现了本文方案在多方面的性能提升。

关于雷达探测性能的结果： 在多普勒补偿后，新方法在点目标成像上表现更佳。如图13和表2所示，传统方法（使用CP）的峰值旁瓣比（PSLR）为-10.94 dB，而本文方法的PSLR优化至-13.24 dB；传统方法的积分旁瓣比（ISLR）为-6.04 dB，本文方法则改善至-9.67 dB。这表明，使用空白保护间隔能有效避免CP在雷达处理中引入的旁瓣能量抬升，从而获得更清晰的成像质量，虚假目标更少。同时，图12的成像结果直观显示，经过新方法处理后，目标周围的模糊能量更少。

关于通信性能的结果： 在多径信道环境下，新方法的通信性能优势显著。如图16所示，在存在强多径（三条等功率路径）的场景下，传统方法即使使用CP并分配了1/4的子载波作为导频，其误码率性能在经过信道估计后虽有所改善，但仍不如本文提出的方法。而本文方法仅需利用雷达信号辅助进行信道估计，无需导频开销，却能获得更低的误码率。这验证了所提信道估计算法的有效性，并证明了节省导频资源带来的能量和频谱效率增益直接转化为通信可靠性的提升。

关于系统整体特性的结果： 首先，在多普勒敏感性方面，图11的仿真结果量化展示了多普勒频偏对雷达ISLR和通信误码率的严重影响，而图14则显示，通过所提的雷达辅助多普勒补偿算法，通信误码率可以从0.028大幅降至0.00071，通信图像传输质量得到极大恢复。其次，在峰均功率比方面，图17的仿真结果表明，由于线性调频信号的恒模特性，OFDM-Chirp一体化信号的PAPR在不同子载波数量下，均比单纯的OFDM通信信号低约4 dB。更低的PAPR意味着对功率放大器的线性度要求更低，有利于提高发射机的功率效率，具有重要的工程应用价值。

这些结果在逻辑上环环相扣：通过波形设计（空白间隔）解决CP带来的雷达虚假目标问题并提升能量效率；通过创新的信号处理算法（雷达辅助多普勒估计与信道估计）解决多普勒敏感性和导频开销问题，提升了系统鲁棒性和频谱效率；最终的仿真结果则从雷达、通信及系统整体特性三个方面，全面证实了这些设计协同作用带来的综合性能优势，直接支撑了研究的结论。

研究结论与价值

本研究成功提出并验证了一种基于OFDM-Chirp的、性能更优的雷达通信一体化波形设计与处理新方法。结论是：采用空白保护间隔替代循环前缀，并结合利用雷达信号先验信息进行多普勒补偿与信道估计的处理流程，能够有效避免循环前缀在雷达探测中引入的虚假目标，显著提升系统的能量利用率和频谱效率，并在峰值旁瓣比、积分旁瓣比和通信误码率等关键指标上均优于传统方法。

本研究具有重要的科学价值与应用价值。从科学上讲，它深入剖析了OFDM一体化波形在多径、多普勒环境下的性能退化机理，并提出了系统性的解决方案，丰富和发展了雷达通信一体化的波形设计理论。从应用上讲，该方法为实际系统（如文中提到的机载救灾平台）提供了一种更高效、更鲁棒的一体化波形设计方案，有助于减轻平台载荷、减少系统间干扰、提升在动态环境下的综合任务能力。

研究亮点

本研究的重要发现与创新性主要体现在以下几个方面： 1. 核心创新设计： 提出了以“空白保护间隔”替代“循环前缀”的一体化波形设计方案，从源头上解决了CP在雷达探测与通信功能间的矛盾，提升了能量效率并消除了雷达虚假目标。 2. 巧妙的信号处理算法： 创新性地提出并实现了利用雷达信号的先验信息（Chirp信号）来辅助进行高精度多普勒频偏估计和信道估计。这一“以雷助通”的思路，极大减少了对专用导频和训练序列的依赖，是提升频谱效率和系统效率的关键。 3. 性能的全面提升： 通过仿真实验，定量地、全面地展示了新方法在雷达探测质量（PSLR、ISLR）、通信可靠性（误码率）、以及对功率放大器友好性（PAPR）等多个维度的综合性能提升，验证了方案的整体优越性。 4. 极强的系统性： 研究不是孤立地改进某个环节，而是从波形结构到处理算法进行了一体化协同设计，形成了完整的技术闭环，具有很高的工程实现参考价值。