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未来雷达传感与无线通信数据融合的多功能收发机 JABER MOGHADDASI, (Student Member, IEEE), AND KE WU, (Fellow, IEEE)Poly-Grames Research Center, Centre de Recherche en Eacute;lectronique Radiofreacute;quence, Department of Electrical Engineering,Eacute;cole Polytechnique de Montreacute;al, University of Montreal, Montreal, QC H3T 1J4, CanadaCorresponding author: J. Moghaddasi (jaber.moghaddasi@polymtl.ca)
摘要：本文研究和开发了一种用于未来雷达传感与无线电通信（RadCom）综合数据融合业务的统一可重构多功能收发器。这一最新架构的替代方案将所有雷达传感和雷达通信功能前所未有地集成在一个时分平台上。此外，除了提供更大的数据通信能力外，它还能够提供具有更高测距分辨率的移动和静态对象的定位功能。探讨了雷达与无线电系统的设计和性能不兼容问题。提出了一种系统的自上而下的方法，包括逐步的方法论、构建块设计考虑和系统级仿真。为了验证该方案的有效性，在FCC专用短程通信（DSRC）频段开发了一个低频原型，并对其性能进行了评估。由于这种统一的收发机可以在智能交通基础设施中找到应用，因此根据未来汽车雷达网络的要求设计并测试了系统演示器。通过各种系统级测量，该方案在雷达和无线电功能方面都表现出了吸引人的特点。在雷达模式下，增加的角度探测能力和改进的距离分辨率，使系统适合驾驶辅助应用。在无线通信模式下，系统演示器在25mb/s的数据速率下具有很强的通信能力。
关键词：智能交通系统（ITS）、多功能收发器、软件定义系统、定位技术、雷达传感、无线电通信、射频车载技术。
引言
20世纪90年代，智能交通系统（ITS）的概念和技术首次被引入和研究[1]。它包含广泛的技术，支持两个不可或缺的功能，即环境传感和感官数据通信服务，包括车辆对车辆（V2V）通信。智能交通系统的发展虽然已有二十多年的历史，但还没有达到预定的目标和潜力。这是因为成功地销售其对低成本、高效率和小尺寸车辆产品的需求，同时实现各种所需的功能，还需要使用不同昂贵的传感器和无线电系统。在一个平台上组装不同的系统模块不应该是最佳解决方案。因此，通过收发一体化发展传感器融合技术[2]和综合雷达通信（无线电）设备[3]的重大研究活动已经开始发挥作用。雷达通信统一的概念主要来源于文献[4]，为了简单起见，本文将其进一步发展并称之为“RadCom”。有趣的是，寻找与多功能系统相关的最有效的解决方案在几个不同的方向上取得了进展。所有报告结果的区别方面与涉及波形和相关收发器架构的集成方案相关。此外，这种功能集成可以通过多载波扩频技术[5]-[13]在部分频率域内进行，或者通过时分技术[14]-[16]在时域内进行。基于时域或频域的集成方案具有特定的优点或缺点，根据所需的功能和系统的可容忍的成本或复杂性。已经报告的方案的性质及其利弊可以在[15]中找到。时分比分频的主要优点是有效利用频率资源，特别是在狭窄的可用频带附近。利用前一种方法，可以将整个频带分配给雷达感知，以支持在雷达周期内获得良好的分辨率，而将同一频带划分为几个较窄的段，以便在其不同的小区之间进行通信。然而，时域积分方案的主要缺点是同步的必要性。实际上，同一系统小区中的单元应使用相同的载波频率，并且系统小区中所有单元的参考时钟信号应同步。这可以通过使用全球定位系统（GPS）的定时信息，甚至使用诸如网络时间协议等其他技术来实现。集成域中的一部分，在所有的ADCOM系统中，都包含了无线传感器和通信的众所周知的技术。为了避免高昂的成本和复杂度，射频组件统一或共享技术的应用仍然是收发器架构发展的主要挑战。当需要向这些多功能系统添加更多功能时，这个问题变得相当重要。在大多数报告的雷达通信方案中，雷达相关功能仅限于距离和速度估计，很少通过附加的角度检测功能来解决完全目标定位问题，而这是汽车雷达系统不可或缺的功能，在[18]提出的具有脉冲位置调制（PPM）操作信号和完全定位能力的雷达通信系统中，采用了时差（TDOA）技术，并通过[19]中的仿真讨论了将多输入多输出（MIMO）结构的正交频分复用（OFDM）雷达通信系统结合起来的概念。利用至少两个接收通道进行角度检测所需的现有技术。因此，在RADCOM系统中加入它们可能不利于增加实现的复杂性，除非分离不是不可避免的，否则收发器的每个部分是统一的或共享的。在这项工作中，我们的重点是开发在时域集成的RadCom系统，在专用短程通信（DSRC）频带（那里有非常窄的带宽）周围有一个预期的应用。利用多普勒和BeatSignal的相位差法，增加了角度检测功能，提出了一种新的收发器结构，针对Tx块的隐式性和紧凑性，采用软件实现了Tx块中的一些关键部分，并采用交换技术实现了Rx块中的组件共享。此外，本文还对时域集成雷达通信波形的特点进行了深入的研究，并对能够满足所提出的雷达通信收发机的预期指标的技术进行了简要的分析。分析了雷达与无线信道和系统的严重不兼容问题，提出了一种新的收发机结构和原型。通过系统级仿真和测试，验证了整个收发机的功能。作者在文献[20]中介绍了这项工作的早期成果，本文对其进行了全面的讨论，并给出了大量的测量结果和细节。最后，总结了现有系统的局限性以及雷达通信系统进一步研究和发展的能力。
系统构架
2.1 信号调制方案图
图1显示了使用数字示波器（Agilent-DSO81204B）探测并由矢量信号分析仪（Agilent-VSA89600）商业软件分析的我们的时域雷达通信系统的工作信号的功率谱密度（PSD）的频谱图。该信号由现场可编程门阵列（FPGA）和直接数字合成器（DDS）组合产生。图1（a）中的信号的频率与时间关系图表明，它由梯形FMCW（TFMCW）组成，该梯形FMCW后面是频带中间的单个频率载波。TFMCW可以偶尔出现作为用于感测环境的雷达周期，而单频载波属于通信周期，并且可以由如图1（b）所示的信息数据进行相位调制。在下面的表达式中，该波形可视为时间的函数。
A
A
STx(t) = Re times; A
其中Г是斜率，tc是时隙持续时间，f1和f2分别是下侧和上侧。应当注意，用于通信的载波位置可以沿频率轴变化，因此车载单元可以使用频分多址（FDMA）技术，从而增加网络容量。
图 1两种工作模式下雷达通信系统工作信号功率谱密度谱图。该信号由现场可编程门阵列（FPGA）和直接数字频率合成（DDS）板组合产生，并用数字示波器进行探测。信号的频率和相位变化，使系统能够实现所需的传感和通信功能。（a） 通信用单载波不调制。（b） 通信用单载波相位调制。
2.2 工作原理
通过这种灵活的波形方案和使用软件定义的信号源，系统能够以可重构的方式作为雷达或无线电工作。典型情况如图2所示。所有车载设备必须同步，并在相同模式下运行，即雷达或无线电模式。
作为一种通信无线电，车载单元必须通过时分双工（TDD）工作，不能同时发送和接收数据。因此，任何一个单元在向其他单位发送信息数据时，可能无法从其他单位接收数据。实际上，为了作为接收机进行通信，该单元必须保持载波完整，并将其用作接收机中正交解调器的LO。让我们以两个打算通信的车载单元为例。如果单元1想要发送数据，它应该调制其载波，而单元2保持载波未经调制，并将其用于从单元1接收的信号的正交解调。在所采用的TDD方案中，最小通信时隙持续时间应等于Tx/Rx交换间隔。在多用户环境中，TDMA技术可应用于为每个单元分配不同的时隙。作为一种雷达，该系统可以估计移动或静止物体的位置。此外，回波信号到达接收端具有与时间延迟相关联的频差（拍频），其对应于对象相对于接收端参考点的运动范围和速度。由于波形是三角FMCW和单频多普勒雷达的组合，可以通过对这些波形的类似分析获得信息[21]。范围（R）和速度（v）可通过以下表达式从拍频（fb）中获得：
图 2：典型应用场景：在雷达时间周期内，所有的车载单元都能感知环境，同时在无线电时间周期内通信和交换感知数据。通过数据融合可以形成雷达网，从而提高雷达网的覆盖范围。（a） 雷达模式。（b） 通讯方式
其中theta;是目标的角位置，等于回波光束的到达角（AOA）。假设接近目标的速度符号为负，反之亦然。为了使拍频信号能够传送关于AOA的信息，可以通过接收器（Rx）天线的两个单独的元件以相位差（1uuml;）接收回波信号。对于该雷达通信系统，采用了低成本的二元接收阵列技术[22]，而传统的波束控制技术需要多个接收信道[23]。在相干FMCW雷达中，只要两个分支的RF路径在电长度方面相同，即使在下变频之后，也可以保持1uuml;。这种相位差出现在拍频信号中，经过频率变换后可以很容易地估计出来。在无限积分时间的假设下，第n个被探测物体的AOA和随后的角位置可以通过以下表达式找到：
其中，d是天线元件之间的间距，N是检测到的对象数。Psi;1波段Psi;2分别显示来自第一和第二信道的检测到的拍频信号的相位。与接收到的接收信号具有两个独立元件的时域相关不同，通过（3）的角度估计允许在角度上识别多个目标，前提是拍频信号在PSD频谱中被识别。
TFMCW雷达信号分析
时域综合雷达通信系统中的雷达周期可以根据实际情况进行重构。此外，操作信号可以配置为三角形或梯形FMCW。后一种方案在RadCom系统中是更好的解决方案，因为它可能比多目标环境中更重要。在整个仿真过程中，我们从1）模糊间隔、2）多目标检测和3）估计精度等方面重新检查了该雷达信号的基本特征。接下来对本文的研究结果进行了简要的讨论，为该多功能收发信机的设计提供了快速的参考。
3.1 模糊区间
为了确定雷达信号解调的基本类型，无论是正交解调还是同相解调，都需要研究拍频的变化范围。图3示出了拍频的所有可能值，以及范围从0 m到100 m和速度从-250 km/h到250 km/h的变化。从（2）获得的拍频经历了正负符号。因此，距离和速度的计算必须使用真符号，以避免任何歧义。这就要求使用可以通过解混频器正交解调获得的复杂数据来获得拍频信号的频谱。此外，接收到的同相信号的正交分量可以通过其希尔伯特变换信号获得[24]。用同相混频器代替正交解调器，降低了雷达射频前端的复杂度，但计算量大。
3.2 多目标检测
图 3拍频随距离和速度的变化而变化；必须考虑拍频的符号，因为在整个范围内没有一个符号。从红色到蓝色的色差突出了从最大到最小拍频计算值的差异。（a） 上升节拍。（b） 持续的节拍。
FMCW雷达可以通过一对上下拍频信号来估计单个被探测目标的距离和相对速度。然而，当多个目标以任意一对拍频信号可能会产生虚假目标检测或错误的参数估计。这个问题可以通过重复不同速率的三角形FMCW来解决，或者发送除递增和递减之外的未调制信号[29]、[30]、[32]。类似的技术也可以应用于这个RadCom方案。
图4示出了TFMCW雷达在检测三个拍频信号时的距离-方差图。此图可通过将（2）转化为：
式中alpha;=c0/（2f2 costheta;）和beta;=2Г/c0。在三角FMCW雷达中，在R-V图的交点处进行参数估计是非常必要的，这可能会产生虚假目标检测。在图4的典型示例中，可以看到雷达系统可能仅使用上下信号错误地检测出两个额外目标。为了找到正确的拍频信号组，可以通过其中是上时隙中的i拍频率，是所有检测到的恒定拍频的矢量，而是所有可能的下拍频的矢量。对于每个上拍频，应制作一个矢量。然后与真正检测到的下拍频率之一相一致的的每个元素必须与相关的常数和上拍频分组使用，以便进一步计算。下面的示例将进一步解释该技术。图5示出了在Matlab中模拟的具有三个移动目标的多目标场景[27]。对去混频器后的雷达信号进行了仿真[24]，并选择了足够长的时隙，使其覆盖最大无模糊距离和速度分辨率，i、e最大值在（10times;2times;Rmax）/c和lambda;/（2times;Vres）之间。
在每个时隙中检测图6所示的周期图中高于阈值的最大值，并且生成包括检测到的拍频的三个向量。目前还不清楚有多少目标存在，以及必须使用哪组拍频进行计算。用（5）制作了三个矢量，并与下拍频率进行了比较。图7（a）示出了p1、p2和p3作为的每个向量的第一、第二和第三元素。如图7（b）所示，可以观察到检测到三个目标，并且找到每个目标的适当拍频组。计算结果见表一，可以看出目标检测正确。角度检测在真实目标速度估计中的重要性也显而易见。
图 6 利用Matlab对检测到的拍频信号进行PSD仿真。每个时隙检测三个拍频。D、 C和U分别表示下、常数和上时隙中的峰值。在多目标场景中，所有的峰值都在一起，并且未知哪个峰值属于哪个目标，这使得正确的目标检测变得复杂
图 5多目标模拟场景：R1=45m，R2=100m，R3=60m，V1=70km/h，V2=150km/h，V3=-30km/h，theta;1=23°，theta;3=40°，theta;2=0°。
图 4 ：TFMCW雷达的V-R图；节点4和节点5是虚目标，如果不存在恒定拍频，则可能无法与真实目标区分。与目标1和2不同，目标3正在接近雷达。
图 7多目标检测的拍频配对（a）与fd的比较表，发现三个匹配，因此存在三个目标。（b） 应用于计算的拍频组；数字表示检测到的拍频向量的指数。
3.3 精度估计
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