联合无线通信与雷达遥感系统的当前发展状况及其未来发展前景
摘要
本文回顾并讨论了多种联合无线电通信与雷达遥感系统的历史发展状况及其当前的发展水平。不同的系统是根据它们的调制波形和双工模式来分类的。每个类别的系统各有其显著的优缺点。几种演示系统被介绍来展示当前的研究进展，重点介绍在这一新兴领域里拟议的研究贡献，并根据通信和雷达模式来比较它们的性能。此外，不久的将来的系统的发展和应用将面临许多挑战。
1 引言
无线电的发明引领人类历史进入一个新的纪元。在现今已知的各种类型的无线电应用中，最普遍最重要的两种是无线电通信和雷达遥感。从一开始，这两种系统就是以完全不同的方式来设计和研发的，尽管它们都应用射频收发器功能块。当然，在大多数情况下，它们通常都是相互独立分别研究和开发的，除了一些它们之间系统融合的原始应用的例子，例如所谓的二次监视雷达系统、敌我识别系统[1]。尽管信息交换在这种雷达系统中是可行的，但是响应器通常不能自行传输数据给问答器。所以，基于这种系统操作的数据融合方案，也就是雷达嵌入式通信[2]、超宽带无线射频识别[3]，将不会在本文中深入探讨，因为这些系统并不是一种能够同时具有通信和雷达功能的真正的融合收发器结构。
如果能够成功实现无线电通信和雷达遥感的系统融合，这将无疑带来许多益处，包括架构统一和简化、功能的重新配置和融合，特别是提高效率和减少成本。自然而然，通过单收发器融合这两种系统使得这两种不同功能的实时相互作用与“对话”成为可能。早期的雷达与通信子系统综合的例子可以追溯到美国宇航局的轨道飞行器[4]。近来，新兴大量将无线电通信和雷达遥感系统融合的需求。例如，智能交通系统[5]需要智能车辆才能自主感知驾驶环境及协同交换信息数据，例如车辆间的速度和制动，道路、交通和天气状况以及车辆与信号灯之间的交互情况。另一个例子是用于定位和监测的无线传感网络[6]，在这种网络中每一个无线基点侦测到目标并通过无线通信线路与其他基点分享信息，那理应是无线传感网络系统的一部分。此外，还应该提到具有主动防护的雷达，宽带通信和战斗识别的多功能就地系统在现代军事应用[7]中需求很高。
这种史无前例的系统融合通常提出许多严格的设计要求，例如低成本，易执行，灵活的功能重新配置，以及迅速的回应。这是因为系统的融合或整合要比单纯地将两个独立的系统结构机械地装配在一起要有利得多。在过去五年里，许多关于波形设计和收发器研发的系统概念被提出来在单收发器系统里将无线电通信与雷达遥感功能进行整合。本文简洁回顾和总结了当前最先进的系统，描述和讨论了一些演示系统，并指出了未来系统研发面临的一些挑战。
2 波形设计
无线电通信和雷达遥感系统的不同的基本工作原理对某些系统和收发器设计理念有不同的要求，例如，双工模式、调制方案、频带宽度、信号处理算法。举例来说，通常应用在无线通信中的频分双工模式不适用于雷达应用，由于传送和接受到的雷达信号的频谱几乎位于同一频道。在大多数情况下，对通信和雷达功能的设计要求可能相互抵触，这对系统结构
的融合的研发构成了很大的挑战。随着数字电路的快速进展，射频前端电路的设计趋于简化，就是根据软件可重置的信号处理算法来执行大部分系统功能。这些软件无线电平台给我们提供了一个很好的机会来实现在相同的射频前端电路里的联合通信与雷达操作。
表1总结了最近在[8-24]提出和研究的典型的通信与雷达融合方案的优缺点。联合波形方案可以进一步分类为单载波系统和多载波系统。在单载波系统中，由于频谱重叠造成的相互或交叉频道干扰，频域方案要比码域（扩频）冷门[8]。 扩频技术首先在回旋传输系统中应用是为了车载通信和测距应用[10]。 从本质上讲，所提出的系统与敌我识别系统相似，不同之处在于它采用了直接序列 扩频（DSSS）技术来提高系统 性能。 朝着那个方向发展，传播频谱技术已被广泛用来融合 通信和雷达的功能，比如直接序列 扩频DSSS [9-13]， 跳变时间扩频 THSS [14]和CSS [15]。 码域方案允许 为数据通信的安全通信和高分辨率的范围而以使用过量的频谱资源为代价。 此外，不同的用户可以通过使用不同的扩展码同时共享同一频带，这对多用户应用场景是非常有益的。 基于扩频技术看待雷达测距和多普勒估算，它们两个主要的缺点。 一是该 峰-旁瓣比被不完善的伪随机码的自相关特性所限制， 并且还受扩频因子和 多普勒频移的影响。 另一个缺点是，在多普勒处理中， 扩频技术需要大量的运算。 在一般情况下，使用扩频技术要考虑到其复杂性和高成本和系统执行的低效率。
多载波，尤其是正交频分复用（OFDM）技术，该技术已被广泛应用于无线通信，还被引进到雷达波形的设计中[25]。 OFDM雷达波形的使用在多输入多输出（MIMO）雷达系统
[16]和雷达网络[26，27]以及合成孔径雷达（SAR）系统[17，28-30]中有所体现。 OFDM雷达信号一个引人注目的特点是没有距离-多普勒耦合问题，因此独立的范围和多普勒处理成为可能[31，32]。 在过去的几年中，不同的信号处理技术被提出并付诸实施。 在开始时，匹配滤波器被用来在[18，33-37]执行范围和多普勒估算。 然而，基于相关的处理方法仍然受这些问题的干扰，例如低动态范围（或峰-旁瓣比）和多义性。 为了提高动态范围和保存所发送的通信数据，提出了一种新型的“调制符号域”正交频分多路复用技术OFDM处理算法[38-41]，并通过实验原型系统[19，42]得到证实。 虽然保留了分辨率和基于相关的处理方法，在基于正交频分多路复用技术OFDM的联合波形中，这种先进的联合范围和多普勒估计算法比由多个数量级的单载波扩频方式具有更高的动态范围，尤其对于高信噪比水平。 另外，多普勒频率（或目标相对速度）可以独立于目标范围很容易被估计出。在[43]中可以对所提出的信号处理技术及相关系统演示有一个全面了解 。 这项技术最近已经扩展到处理多路径和多用户情景[44]。 虽然在表1中已经列出了正交频分多路复用技术OFDM的许多优点，由于复杂的信号处理和OFDM信号的高的峰值与平均功率比，OFDM系统高的执行成本仍然阻碍了其广泛应用。
几乎与联合波形方案并行，时域双工方案的高频谱效率和系统易执行以及成本低[20〜24]也刺激了研究兴趣。 在时域平台，为了减少它们之间的相互干扰，通信和雷达功能独立运作。 因此，根据应用场景，各种雷达波形和通信调制技术可分别应用于雷达周期和通信周期。 这使得每个系统功能朝最大可能发展。 但应注意的是，频率调制连续波（FMCW）/频率步进连续波（FSCW）雷达波形大多用在时域双工方案中，由于它的低成本和易执行性。 然而，与扩频和基于OFDM的雷达波形相比，基于传统的快速傅氏变换算法FFT方法的范围和多普勒估算受高得多的峰-侧比的影响。 对于常规的矩形开窗，峰-旁瓣比为大约13分贝。 因此，其他窗口的功能，如汉明窗口通常牺牲6 dB的带宽用来提高峰-旁瓣比到43分贝。 在这些时域方案中，一个新型的时间灵活的调制方案最近由作者[24]提出并展示了，在下一个部分将会对它做详细介绍。
3 演示系统
对于第2节中每一类别的调制方案，我们都将给出一个过去几年已经研发并同时具有通信和雷达功能的可实际执行和测量系统性能的系统的例子。 所报告的性能也将在本部分的最后进行比较。
3.1 基于直接序列扩频技术DSSS的系统
在[13]，一个60GHz能同时执行通信和定位功能的收发器被提出。 图1展示出了收发器的架构。 通常，所提出的系统是基于一个脉冲雷达系统，雷达脉冲具有大约300 ps的宽度，它通过使用脉冲位置调制（PPM）技术被通信数据调制。 整个系统的接收器实际上是由四个子接收器组成。 除了在每个子接收器中有一个用于数据解调的相关器，四个输出的基带信号被组合来实现雷达测距的时间反转技术。 该系统的原型有10米的通信范围，在1×10-6的误码率（BER）下有100 Mbps的数据速率，和在3米范围内12.4厘米雷达距离分辨率。 但应注意的是，在一个多用户（多个相同系统）的环境中，直接序列扩频技术通常用来使使码分多址（CDMA）[45]可行。
3.2基于CSS技术的系统
利用准正交性的向上线性调频脉冲与向下线性调频脉冲，通信和雷达功能可以通过使用相同的收发信机平台来实现[15]。如图2详细的框图所示，脉冲雷达信号使用一个向下线性调频脉冲调制，而二进制相移键控（BPSK）信号的通信使用一个向上线性调频脉冲调制。有500MHz带宽的向下线性调频脉冲可以通过一个表面声波滤波器得到，因此，相对于载波频率（750兆赫在此设置中），上线性调频脉冲信号容易通过翻转向下线性调频脉冲信号而得到。通信和雷达信号被右旋圆极化（RHCP）天线组合并发送出去。 在接收机中，考虑到雷达信号的反射特性，左旋圆偏振光被用来接收雷达信号，而右旋圆极化天线则用于接收通信信号。 然后，雷达和通信信号分别被一个向上线性调频脉冲匹配滤波器和一个向下线性调频脉冲匹配滤波器脉冲压缩，，最终生成的测距输出和通信数据。
大量的实验被进行来评估通信和雷达性能。一开始，放在两个物体在10米以外，雷达距离分辨率为63厘米。 另外，通信系统在1 Mbps速度运行时，虚警概率计算为7％。 通信系统关闭或在1 Mbps速度运行时，检测的测量概率为99％。 另一方面，通过60 dB衰减器直接连接传送器到接收器进行通信性能的评估。在150KHz的脉冲重复频率（PRF）的雷达操作 中，测量的1 Mbps 的二进制相移键控（BPSK）数据的通信误码率从不到1×10-5降到2×10-3。 另外，随着脉冲重复频率PRF从100增加到1000千赫，误码率几乎按指数倍地增加。 这些实验结果表明，如果通信和雷达信号之间存在剩余的相互干扰，同时运行两者可能不是最理想的方式。 因此，由于雷达和通信模式的顺序操作，后面将要展示的时域调制方案将更具吸引力。
3.3 基于正交频分多路复用技术OFDM的系统
如第2节所述，正交频分多路复用技术OFDM是能同时实现雷达测距和数据通信的另一种可行的方案。 基于正交频分多路复用技术OFDM的多功能软件定义的系统在[17]有演示。 在所提出的系统，雷达功能是通过直接发送OFDM脉冲得到的，而OFDM序列的子波段是在通信模式中用信息数据进行编码的。 如图3的方块框图所示，整个系统高度依赖于数字信号处理，而且对数字-模拟转换器（DAC）和模拟-数字转换器（ADC）的要求很高。 要生成具有500MHz带宽的基带OFDM信号，DAC的采样率以及相应地ADC的采样率应是
1 GS / s。DAC和ADC的分辨率分别为12位和8位。 基带OFDM信号通过使用软代码在MATLAB生成后，再通过DAC转换为模拟信号，上变频到7.5 GHz的载波频率，然后由TX天线发送出去。 所接收到的信号按相反的顺序进行处理。
根据两组实验来对系统的性能进行评价。 首先，雷达功能的距离分辨率是用放置在系统1.6米外的三个三面角反射器进行测试的。 测量的距离分辨率约为34厘米，这非常接近理论计算的距离分辨率30厘米。 应当指出的是，当计算理论的距离分辨率，尽管占用的是1 GHz的带宽，却使用500兆赫的有效带宽。 此外，通过将天线平台放在在一个直线路径，并在不同的位置进行多次测量，所提出的系统可以作为一个特区。 用于测试通信性能，反射器是用来创建静态平坦衰落的信道。 测量的误码率BER在约0.625×10-2和3.125×10-2之间变动，且降级是由于频率偏移载波间干扰引起的，从实验结果估计大约是2兆赫。
3.4 基于时域双工的系统
3.4.1调制波形：作者们首次提出了一种新型的时间灵活的调制波形，它能够通过使用单个收发器实现雷达遥感和数据通信功能[24，46]。 提出的周期性调制波形的两个周期见图 4。在图4a中，黑色实线是所发射的信号，而蓝色虚线是所接收的信号。 如图4所示 ，T的每个操作周期由两个不同的时隙组成，第一部分是一个雷达周期，它采用了梯形的由具有相同的时间段的向上线性调频脉冲，恒定频率周期和向下线性调频脉冲组成的调频连续波FMCW调制。 一拍频可以在每个周期为一个单一的目标获得，然后将其用于估计目标的距离和速度。 随着雷达周期，无线（通信）的周期是另一个恒定频率周期，它可以通过通信数据来调整，就是使用不同种类的调制技术，例如幅移键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控以及高位调制，如正交幅度调制（QAM）。
我们提出的调制波形是通过使用一个直接数字频率合成器（DDS）生成的，因为它能够非常容易且精确地通过软件编程实现线性调频和各种调制。 在这样一个软件定义的平台，通信和雷达功能的灵活的时间和顺序操作可以实现它们之间非常灵活的功能重新配置以及潜在的数据融合。 一方面，这可以很好地在高速移动宽带系统的情况下表现出来，因为一个快速移动的设备的多普勒效应可通过设备上装置的雷达遥感得到补偿。 多普勒效应，就设备的通信速率而言，是通信设备的移动速度的一个基本的限制因素。 另一方面，测距信息会根据不同的设备上的雷达间的通信链路而改变，从而有效地形成了一个具有增加了检测范围和精度的雷达网络。此外，调频斜率在检测多个移动目标的连续操作周期中是不同的。
3.4.2收发器架构：为了验证我们所提出的调制波形和系统的概念，一个系统演示器被建立来应用5.9 GHz的美国联邦通信委员会（FCC）的专用短程通信（DSRC）。 我们的收发器架构勾勒如图 5所示。从图5可以看出，为了使常规的外差法的收发器架构适应我们所提出的调制波形，一个功率分配器被插入到传送器中。 一对微带天线被研发来增加传输信道和接收信道之间的隔离性。与所提出的调制方案相对应的系统的工作原理进行简单说明如下。 在雷达模式中，由直接数字频率合成器DDS产生的扫频信号由两个低通滤波器滤波，然后上变频到中频（IF）。 中频IF信号被分为两部分，其中一部分进一步转换为射频并通过发射天线发送出去。 来自目标的反射波被接收天线捕获，随后被放大后下变频到中频。 所接收到的中频信号，然后与所发送的中频信号的另一部分混合。 其结果是，目标距离和速度可以从雷达周期的差拍信号中估计出来[46]。
在通信（无线电）模式中，收发器在时分双工模式下运作，这意味着发送器和接收器不能在同一时间进行操作。 发送由先进的精简指令集计算机板（ARM）发送的数据信息调制DDS的固定频率输出，然后将调制后的信号以在雷达模式下相同的方式发送出去。 参考
信号被丢弃在接收信道。 另一方面，当系统接收到信号时，直接数字频率合成器DDS的输出不进行调制，其可以被用于解调接收到的来自其他车载单位的信号。
3.4.3 原型设计和实验结果：如图6所示，系统是由商用现货供应的部件为原型的，并进行许多实验以评估其在通信模式中误码率及在雷达模式中距离和速度检测精度方面的性能。 在我们的实验中，一个多信道仿真器（EB Propsim C8）是用来为系统性能的评估产生不同的信道。 在通信模式下，信道仿真器被设置作为加性高斯白噪声（AWGN）信道，测量的误码率与在商业电路仿真软件包中的托勒密仿真器获得的仿真结果十分一致。 另一方面，在雷达模式中，信道模拟器被配置成具有一组从1500到5000纳秒的延迟和一组10至80米/秒的速度。 从我们的系统中得到的实验结果给出了时延测量3.34纳秒的标准偏差和速度测量0.15米/秒的标准偏差，这充分体现了我们的系统对距离和速度精准的检测。
3.4.4更高频率的原型：我们的5.9 GHz的系统演示器的数据通信和雷达性能是受由专用短程通信（DSRC）协议定义的20 MHz的可用信道带宽的限制。 然而，有一个频段高达250 MHz的24 GHz工业，科学和医疗（ISM）频段，这很长一段时间为车辆应用所采纳。 因此，在新兴的基片集成波导技术的支持下，一个更高频率的的备选系统在24 GHz的ISM频段[47，48] 建模，它为微波和毫米波集成系统提出了一个具有成本效益的解决方案[49]。 在这较高频率的系统原型中，为了我们的概念验证研究，DDS的扫描带宽被设定为100 MHz，收发器体系结构类似于图 5所示。
所制造的原型的照片如图 7所示。在60 dBm的输入功率电平测量的解调后的I-Q信号星座在50 Mbps的数据速率下对我们的系统的二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）调制具有良好的数据通信能力。 与此同时，在雷达模式下测距性能是通过改变一个目标离我们的系统的距离进行评估，得到线性的检测曲线，它显示了我们系统的高精确度的距离检测能力。
3.5 性能的比较和评论：由于上述架构使用不同的方案，这些方案涉及不同的硬件和软件配置与不同的设计目标，因此想要以定量的方式对它们进行通信和雷达功能的比较是相当困难的。 表2比较了不同的演示系统之间雷达和通讯功能的性能。 在表2中，为[47]雷达和通信模式的最大操作范围是从接收机的输入信号电平由反相扣除的自由空间路径损耗而得。 从表2可以观察到：首先，由于非常高的氧吸收率， 60 GHz的多功能系统[13]只有在非常有限的10米范围内才支持200 Mbps的最高数据速率，因此，这种系统以室内应用为目标。 第二，类似的数据速率吞吐量在[17，47]之间。然而，应该指出的是，在传送器和接收器之间的直接电缆连接情况下，使用所测量的信号-噪声比可以估算[47]的误码率 ，这可以被建模为一个加性高斯白噪声AWGN信道。 然而，当涉及到用反射器无线测量，所述无线信道将与具有主导直接链路和多个反射波的莱斯信道相当类似。 因此，无线测量的误码率会比直接电缆连接的误码率高。 例如，在相同的10 dB Eb/N0的情况下，主导链路和所有其他的散射的功率比为6 dB，误码率可从AWGN信道的3.9×10-6降低至莱斯信道的5e – 3。 第三，在3.2节所述，在同时雷达操作的情况下[1〜5]，1 Mbps的二进制相移键控BPSK信号的误码率从1×10-5降低 到2×10-3，这表明两个功能的同时操作仍需要进一步的调查。 相反，时域双工使这两个功能隔离开来并最小化它们之间的相互干扰。
4 未来发展前景
考虑到关于使用单一收发器的联合无线通信和雷达遥感功能的最先进的研究，在不久的
将来，从系统的设计与实现的角度可以设想出以下研究课题。
4.1 频率提升到较高水平
在低频率范围，例如从800 MHz到6 GHz通常的无线频段，频谱拥堵为联合无线电和雷达应用的发展制造了许多难题，因为授权的无线电频段不能为雷达应用所共享。 对于大多数的ISM免执照频段，可用于高分辨率雷达发展的频段是极其有限的。 当然，政府法规也使得进一步开发高性能联合无线电雷达系统极具挑战性。
对于高分辨率的测距和高速通信的需求日益增加，这对系统操作的带宽的要求也越来越高。 与高度拥挤的低频频谱相比，用于车载雷达应用的许可的常规频段，如 77/79 GHz（或E波段），提供几千兆赫的带宽，而且它们可以为联合通讯和雷达应用有效地被开发利用。 然而，在如此高的频率下成本效益的系统设计和实施也存在很大的技术挑战。
例如，毫米波电路和组件的性能是非常有限的，这是比其低频率的组件可用性小得多。 因此，在系统设计阶段就应该尽量使链路预算分析和发射/接收链路预算最优化。 还有就是将通信模式和雷达模式之间进行权衡，如发射功率，接收机的线性度，动态范围，灵敏度和天线。 通常，用于无线通信应用的天线通常有一个全方位的明确定义的扇形辐射模式以增加覆盖范围。 不过，雷达应用从简单的等参数检测到复杂的多种参数采集都有，并且它们通常需要高增益和窄波束天线，用于补偿往返信号的衰减，实现高分辨率的角度检测。 有几种方法来解决这一难题。
例如，两条天线/阵列可以分别专用于每个应用，而且它们可以在两种模式之间同步精确地实现电控转换。 还预期能够用一个单一的相控阵天线系统来产生电控转换的光束（宽的或窄的）。 此外，智能天线可被用来改变整个天线阵列的辐射模式。 因为毫米波天线/阵列是小尺寸的，这种策略应该是可以接受的。 此外，在毫米波频率下系统的开发也为整合整个系统，至少收发器前端，提供了机会，通过使用各种集成技术，如互补金属氧化物半导体(CMOS)技术[50]，在锗化硅SiGe技术[51]和系统基板方案[52]。
4.2 自适应调制波形
软件定义的平台使大多数提出的调制方案成为可能，它可以根据不同的应用场景智能地或自适应地调整系统的功能。 比如，在我们提出的梯形调制波形中，通过调节在实时的方式下通信和雷达周期的持续时间可以实现时间的灵活性和多种的功能重新配置。 此外，调频斜率可以自适应地做出调整以便检测多个移动目标。 对于最近提出的认知无线电[53]和认知雷达的概念[54]，这种波形适应甚至可以根据对周围环境的认识进行，它最终会导致认知生成多功能通信和雷达系统的产生。
4.3 网络
无线通信和雷达功能的联合操作对一种特殊的无线传感器网络的实现至关重要，即自组织雷达网络。 无线通信功能使雷达网络的移动性成为可能。 这种自组织雷达网络可以在车辆和作战场景中得到应用。 但是，每个系统平台或基点的高流动性对于保持良好的连通性和最大化网络寿命造成了挑战。 因此，研究方向将朝着网络方法的调查和开发，有以下要求：低成本，实时性，易实行和动态适应。
5 结语
具有无线通信和雷达感应能力的多功能系统在过去十年，尤其是近五年，引起了广泛的研究兴趣。，不同的调制方案被提出并研究用来在单一的收发器/系统平台条件下整合或融合这两种功能。在本文中，它们被分为两个类别和四个子类别。每种子类别的优点和缺点都进行了讨论和比较。扩频技术在安全性和码分多址CDMA特征上具有优势，而正交频分多路复用OFDM技术无距离-多普勒耦合和高频谱效率。这两种技术实施成本高并且信号处理复杂。随后，四个有代表性的系统被选定显示当前的研究进展。每种系统的操作原理都单独讨论过，最后在通信和雷达模式下对系统性能进行了比较。实验结果表明，如果通信和雷达信号之间相互干扰，系统性能将大打折扣。因此，时域双工方案是目前为止成本较低的的可行的解决方案。基于一种新型的时灵敏的调制波形，我们已经开发出两种融合通信和雷达的系统，它们分别在5.9和24 GHz下都具有良好的演示性能。最后，对于未来毫米波频率下系统的开发，我们预期到会有许多的机遇和技术挑战。
联合无线通信与雷达遥感系统的当前发展状况及其未来发展前景
摘要
本文回顾并讨论了多种联合无线电通信与雷达遥感系统的历史发展状况及其当前的发展水平。不同的系统是根据它们的调制波形和双工模式来分类的。每个类别的系统各有其显著的优缺点。几种演示系统被介绍来展示当前的研究进展，重点介绍在这一新兴领域里拟议的研究贡献，并根据通信和雷达模式来比较它们的性能。此外，不久的将来的系统的发展和应用将面临许多挑战。
1 引言
无线电的发明引领人类历史进入一个新的纪元。在现今已知的各种类型的无线电应用中，最普遍最重要的两种是无线电通信和雷达遥感。从一开始，这两种系统就是以完全不同的方式来设计和研发的，尽管它们都应用射频收发器功能块。当然，在大多数情况下，它们通常都是相互独立分别研究和开发的，除了一些它们之间系统融合的原始应用的例子，例如所谓的二次监视雷达系统、敌我识别系统[1]。尽管信息交换在这种雷达系统中是可行的，但是响应器通常不能自行传输数据给问答器。所以，基于这种系统操作的数据融合方案，也就是雷达嵌入式通信[2]、超宽带无线射频识别[3]，将不会在本文中深入探讨，因为这些系统并不是一种能够同时具有通信和雷达功能的真正的融合收发器结构。
如果能够成功实现无线电通信和雷达遥感的系统融合，这将无疑带来许多益处，包括架构统一和简化、功能的重新配置和融合，特别是提高效率和减少成本。自然而然，通过单收发器融合这两种系统使得这两种不同功能的实时相互作用与“对话”成为可能。早期的雷达与通信子系统综合的例子可以追溯到美国宇航局的轨道飞行器[4]。近来，新兴大量将无线电通信和雷达遥感系统融合的需求。例如，智能交通系统[5]需要智能车辆才能自主感知驾驶环境及协同交换信息数据，例如车辆间的速度和制动，道路、交通和天气状况以及车辆与信号灯之间的交互情况。另一个例子是用于定位和监测的无线传感网络[6]，在这种网络中每一个无线基点侦测到目标并通过无线通信线路与其他基点分享信息，那理应是无线传感网络系统的一部分。此外，还应该提到具有主动防护的雷达，宽带通信和战斗识别的多功能就地系统在现代军事应用[7]中需求很高。
这种史无前例的系统融合通常提出许多严格的设计要求，例如低成本，易执行，灵活的功能重新配置，以及迅速的回应。这是因为系统的融合或整合要比单纯地将两个独立的系统结构机械地装配在一起要有利得多。在过去五年里，许多关于波形设计和收发器研发的系统概念被提出来在单收发器系统里将无线电通信与雷达遥感功能进行整合。本文简洁回顾和总结了当前最先进的系统，描述和讨论了一些演示系统，并指出了未来系统研发面临的一些挑战。
2 波形设计
无线电通信和雷达遥感系统的不同的基本工作原理对某些系统和收发器设计理念有不同的要求，例如，双工模式、调制方案、频带宽度、信号处理算法。举例来说，通常应用在无线通信中的频分双工模式不适用于雷达应用，由于传送和接受到的雷达信号的频谱几乎位于同一频道。在大多数情况下，对通信和雷达功能的设计要求可能相互抵触，这对系统结构
的融合的研发构成了很大的挑战。随着数字电路的快速进展，射频前端电路的设计趋于简化，就是根据软件可重置的信号处理算法来执行大部分系统功能。这些软件无线电平台给我们提供了一个很好的机会来实现在相同的射频前端电路里的联合通信与雷达操作。
表1总结了最近在[8-24]提出和研究的典型的通信与雷达融合方案的优缺点。联合波形方案可以进一步分类为单载波系统和多载波系统。在单载波系统中，由于频谱重叠造成的相互或交叉频道干扰，频域方案要比码域（扩频）冷门[8]。 扩频技术首先在回旋传输系统中应用是为了车载通信和测距应用[10]。 从本质上讲，所提出的系统与敌我识别系统相似，不同之处在于它采用了直接序列 扩频（DSSS）技术来提高系统 性能。 朝着那个方向发展，传播频谱技术已被广泛用来融合 通信和雷达的功能，比如直接序列 扩频DSSS [9-13]， 跳变时间扩频 THSS [14]和CSS [15]。 码域方案允许 为数据通信的安全通信和高分辨率的范围而以使用过量的频谱资源为代价。 此外，不同的用户可以通过使用不同的扩展码同时共享同一频带，这对多用户应用场景是非常有益的。 基于扩频技术看待雷达测距和多普勒估算，它们两个主要的缺点。 一是该 峰-旁瓣比被不完善的伪随机码的自相关特性所限制， 并且还受扩频因子和 多普勒频移的影响。 另一个缺点是，在多普勒处理中， 扩频技术需要大量的运算。 在一般情况下，使用扩频技术要考虑到其复杂性和高成本和系统执行的低效率。
多载波，尤其是正交频分复用（OFDM）技术，该技术已被广泛应用于无线通信，还被引进到雷达波形的设计中[25]。 OFDM雷达波形的使用在多输入多输出（MIMO）雷达系统
[16]和雷达网络[26，27]以及合成孔径雷达（SAR）系统[17，28-30]中有所体现。 OFDM雷达信号一个引人注目的特点是没有距离-多普勒耦合问题，因此独立的范围和多普勒处理成为可能[31，32]。 在过去的几年中，不同的信号处理技术被提出并付诸实施。 在开始时，匹配滤波器被用来在[18，33-37]执行范围和多普勒估算。 然而，基于相关的处理方法仍然受这些问题的干扰，例如低动态范围（或峰-旁瓣比）和多义性。 为了提高动态范围和保存所发送的通信数据，提出了一种新型的“调制符号域”正交频分多路复用技术OFDM处理算法[38-41]，并通过实验原型系统[19，42]得到证实。 虽然保留了分辨率和基于相关的处理方法，在基于正交频分多路复用技术OFDM的联合波形中，这种先进的联合范围和多普勒估计算法比由多个数量级的单载波扩频方式具有更高的动态范围，尤其对于高信噪比水平。 另外，多普勒频率（或目标相对速度）可以独立于目标范围很容易被估计出。在[43]中可以对所提出的信号处理技术及相关系统演示有一个全面了解 。 这项技术最近已经扩展到处理多路径和多用户情景[44]。 虽然在表1中已经列出了正交频分多路复用技术OFDM的许多优点，由于复杂的信号处理和OFDM信号的高的峰值与平均功率比，OFDM系统高的执行成本仍然阻碍了其广泛应用。
几乎与联合波形方案并行，时域双工方案的高频谱效率和系统易执行以及成本低[20〜24]也刺激了研究兴趣。 在时域平台，为了减少它们之间的相互干扰，通信和雷达功能独立运作。 因此，根据应用场景，各种雷达波形和通信调制技术可分别应用于雷达周期和通信周期。 这使得每个系统功能朝最大可能发展。 但应注意的是，频率调制连续波（FMCW）/频率步进连续波（FSCW）雷达波形大多用在时域双工方案中，由于它的低成本和易执行性。 然而，与扩频和基于OFDM的雷达波形相比，基于传统的快速傅氏变换算法FFT方法的范围和多普勒估算受高得多的峰-侧比的影响。 对于常规的矩形开窗，峰-旁瓣比为大约13分贝。 因此，其他窗口的功能，如汉明窗口通常牺牲6 dB的带宽用来提高峰-旁瓣比到43分贝。 在这些时域方案中，一个新型的时间灵活的调制方案最近由作者[24]提出并展示了，在下一个部分将会对它做详细介绍。
3 演示系统
对于第2节中每一类别的调制方案，我们都将给出一个过去几年已经研发并同时具有通信和雷达功能的可实际执行和测量系统性能的系统的例子。 所报告的性能也将在本部分的最后进行比较。
3.1 基于直接序列扩频技术DSSS的系统
在[13]，一个60GHz能同时执行通信和定位功能的收发器被提出。 图1展示出了收发器的架构。 通常，所提出的系统是基于一个脉冲雷达系统，雷达脉冲具有大约300 ps的宽度，它通过使用脉冲位置调制（PPM）技术被通信数据调制。 整个系统的接收器实际上是由四个子接收器组成。 除了在每个子接收器中有一个用于数据解调的相关器，四个输出的基带信号被组合来实现雷达测距的时间反转技术。 该系统的原型有10米的通信范围，在1×10-6的误码率（BER）下有100 Mbps的数据速率，和在3米范围内12.4厘米雷达距离分辨率。 但应注意的是，在一个多用户（多个相同系统）的环境中，直接序列扩频技术通常用来使使码分多址（CDMA）[45]可行。
3.2基于CSS技术的系统
利用准正交性的向上线性调频脉冲与向下线性调频脉冲，通信和雷达功能可以通过使用相同的收发信机平台来实现[15]。如图2详细的框图所示，脉冲雷达信号使用一个向下线性调频脉冲调制，而二进制相移键控（BPSK）信号的通信使用一个向上线性调频脉冲调制。有500MHz带宽的向下线性调频脉冲可以通过一个表面声波滤波器得到，因此，相对于载波频率（750兆赫在此设置中），上线性调频脉冲信号容易通过翻转向下线性调频脉冲信号而得到。通信和雷达信号被右旋圆极化（RHCP）天线组合并发送出去。 在接收机中，考虑到雷达信号的反射特性，左旋圆偏振光被用来接收雷达信号，而右旋圆极化天线则用于接收通信信号。 然后，雷达和通信信号分别被一个向上线性调频脉冲匹配滤波器和一个向下线性调频脉冲匹配滤波器脉冲压缩，，最终生成的测距输出和通信数据。
大量的实验被进行来评估通信和雷达性能。一开始，放在两个物体在10米以外，雷达距离分辨率为63厘米。 另外，通信系统在1 Mbps速度运行时，虚警概率计算为7％。 通信系统关闭或在1 Mbps速度运行时，检测的测量概率为99％。 另一方面，通过60 dB衰减器直接连接传送器到接收器进行通信性能的评估。在150KHz的脉冲重复频率（PRF）的雷达操作 中，测量的1 Mbps 的二进制相移键控（BPSK）数据的通信误码率从不到1×10-5降到2×10-3。 另外，随着脉冲重复频率PRF从100增加到1000千赫，误码率几乎按指数倍地增加。 这些实验结果表明，如果通信和雷达信号之间存在剩余的相互干扰，同时运行两者可能不是最理想的方式。 因此，由于雷达和通信模式的顺序操作，后面将要展示的时域调制方案将更具吸引力。
3.3 基于正交频分多路复用技术OFDM的系统
如第2节所述，正交频分多路复用技术OFDM是能同时实现雷达测距和数据通信的另一种可行的方案。 基于正交频分多路复用技术OFDM的多功能软件定义的系统在[17]有演示。 在所提出的系统，雷达功能是通过直接发送OFDM脉冲得到的，而OFDM序列的子波段是在通信模式中用信息数据进行编码的。 如图3的方块框图所示，整个系统高度依赖于数字信号处理，而且对数字-模拟转换器（DAC）和模拟-数字转换器（ADC）的要求很高。 要生成具有500MHz带宽的基带OFDM信号，DAC的采样率以及相应地ADC的采样率应是
1 GS / s。DAC和ADC的分辨率分别为12位和8位。 基带OFDM信号通过使用软代码在MATLAB生成后，再通过DAC转换为模拟信号，上变频到7.5 GHz的载波频率，然后由TX天线发送出去。 所接收到的信号按相反的顺序进行处理。
根据两组实验来对系统的性能进行评价。 首先，雷达功能的距离分辨率是用放置在系统1.6米外的三个三面角反射器进行测试的。 测量的距离分辨率约为34厘米，这非常接近理论计算的距离分辨率30厘米。 应当指出的是，当计算理论的距离分辨率，尽管占用的是1 GHz的带宽，却使用500兆赫的有效带宽。 此外，通过将天线平台放在在一个直线路径，并在不同的位置进行多次测量，所提出的系统可以作为一个特区。 用于测试通信性能，反射器是用来创建静态平坦衰落的信道。 测量的误码率BER在约0.625×10-2和3.125×10-2之间变动，且降级是由于频率偏移载波间干扰引起的，从实验结果估计大约是2兆赫。
3.4 基于时域双工的系统
3.4.1调制波形：作者们首次提出了一种新型的时间灵活的调制波形，它能够通过使用单个收发器实现雷达遥感和数据通信功能[24，46]。 提出的周期性调制波形的两个周期见图 4。在图4a中，黑色实线是所发射的信号，而蓝色虚线是所接收的信号。 如图4所示 ，T的每个操作周期由两个不同的时隙组成，第一部分是一个雷达周期，它采用了梯形的由具有相同的时间段的向上线性调频脉冲，恒定频率周期和向下线性调频脉冲组成的调频连续波FMCW调制。 一拍频可以在每个周期为一个单一的目标获得，然后将其用于估计目标的距离和速度。 随着雷达周期，无线（通信）的周期是另一个恒定频率周期，它可以通过通信数据来调整，就是使用不同种类的调制技术，例如幅移键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控以及高位调制，如正交幅度调制（QAM）。
我们提出的调制波形是通过使用一个直接数字频率合成器（DDS）生成的，因为它能够非常容易且精确地通过软件编程实现线性调频和各种调制。 在这样一个软件定义的平台，通信和雷达功能的灵活的时间和顺序操作可以实现它们之间非常灵活的功能重新配置以及潜在的数据融合。 一方面，这可以很好地在高速移动宽带系统的情况下表现出来，因为一个快速移动的设备的多普勒效应可通过设备上装置的雷达遥感得到补偿。 多普勒效应，就设备的通信速率而言，是通信设备的移动速度的一个基本的限制因素。 另一方面，测距信息会根据不同的设备上的雷达间的通信链路而改变，从而有效地形成了一个具有增加了检测范围和精度的雷达网络。此外，调频斜率在检测多个移动目标的连续操作周期中是不同的。
3.4.2收发器架构：为了验证我们所提出的调制波形和系统的概念，一个系统演示器被建立来应用5.9 GHz的美国联邦通信委员会（FCC）的专用短程通信（DSRC）。 我们的收发器架构勾勒如图 5所示。从图5可以看出，为了使常规的外差法的收发器架构适应我们所提出的调制波形，一个功率分配器被插入到传送器中。 一对微带天线被研发来增加传输信道和接收信道之间的隔离性。与所提出的调制方案相对应的系统的工作原理进行简单说明如下。 在雷达模式中，由直接数字频率合成器DDS产生的扫频信号由两个低通滤波器滤波，然后上变频到中频（IF）。 中频IF信号被分为两部分，其中一部分进一步转换为射频并通过发射天线发送出去。 来自目标的反射波被接收天线捕获，随后被放大后下变频到中频。 所接收到的中频信号，然后与所发送的中频信号的另一部分混合。 其结果是，目标距离和速度可以从雷达周期的差拍信号中估计出来[46]。
在通信（无线电）模式中，收发器在时分双工模式下运作，这意味着发送器和接收器不能在同一时间进行操作。 发送由先进的精简指令集计算机板（ARM）发送的数据信息调制DDS的固定频率输出，然后将调制后的信号以在雷达模式下相同的方式发送出去。 参考
信号被丢弃在接收信道。 另一方面，当系统接收到信号时，直接数字频率合成器DDS的输出不进行调制，其可以被用于解调接收到的来自其他车载单位的信号。
3.4.3 原型设计和实验结果：如图6所示，系统是由商用现货供应的部件为原型的，并进行许多实验以评估其在通信模式中误码率及在雷达模式中距离和速度检测精度方面的性能。 在我们的实验中，一个多信道仿真器（EB Propsim C8）是用来为系统性能的评估产生不同的信道。 在通信模式下，信道仿真器被设置作为加性高斯白噪声（AWGN）信道，测量的误码率与在商业电路仿真软件包中的托勒密仿真器获得的仿真结果十分一致。 另一方面，在雷达模式中，信道模拟器被配置成具有一组从1500到5000纳秒的延迟和一组10至80米/秒的速度。 从我们的系统中得到的实验结果给出了时延测量3.34纳秒的标准偏差和速度测量0.15米/秒的标准偏差，这充分体现了我们的系统对距离和速度精准的检测。
3.4.4更高频率的原型：我们的5.9 GHz的系统演示器的数据通信和雷达性能是受由专用短程通信（DSRC）协议定义的20 MHz的可用信道带宽的限制。 然而，有一个频段高达250 MHz的24 GHz工业，科学和医疗（ISM）频段，这很长一段时间为车辆应用所采纳。 因此，在新兴的基片集成波导技术的支持下，一个更高频率的的备选系统在24 GHz的ISM频段[47，48] 建模，它为微波和毫米波集成系统提出了一个具有成本效益的解决方案[49]。 在这较高频率的系统原型中，为了我们的概念验证研究，DDS的扫描带宽被设定为100 MHz，收发器体系结构类似于图 5所示。
所制造的原型的照片如图 7所示。在60 dBm的输入功率电平测量的解调后的I-Q信号星座在50 Mbps的数据速率下对我们的系统的二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）调制具有良好的数据通信能力。 与此同时，在雷达模式下测距性能是通过改变一个目标离我们的系统的距离进行评估，得到线性的检测曲线，它显示了我们系统的高精确度的距离检测能力。
3.5 性能的比较和评论：由于上述架构使用不同的方案，这些方案涉及不同的硬件和软件配置与不同的设计目标，因此想要以定量的方式对它们进行通信和雷达功能的比较是相当困难的。 表2比较了不同的演示系统之间雷达和通讯功能的性能。 在表2中，为[47]雷达和通信模式的最大操作范围是从接收机的输入信号电平由反相扣除的自由空间路径损耗而得。 从表2可以观察到：首先，由于非常高的氧吸收率， 60 GHz的多功能系统[13]只有在非常有限的10米范围内才支持200 Mbps的最高数据速率，因此，这种系统以室内应用为目标。 第二，类似的数据速率吞吐量在[17，47]之间。然而，应该指出的是，在传送器和接收器之间的直接电缆连接情况下，使用所测量的信号-噪声比可以估算[47]的误码率 ，这可以被建模为一个加性高斯白噪声AWGN信道。 然而，当涉及到用反射器无线测量，所述无线信道将与具有主导直接链路和多个反射波的莱斯信道相当类似。 因此，无线测量的误码率会比直接电缆连接的误码率高。 例如，在相同的10 dB Eb/N0的情况下，主导链路和所有其他的散射的功率比为6 dB，误码率可从AWGN信道的3.9×10-6降低至莱斯信道的5e – 3。 第三，在3.2节所述，在同时雷达操作的情况下[1〜5]，1 Mbps的二进制相移键控BPSK信号的误码率从1×10-5降低 到2×10-3，这表明两个功能的同时操作仍需要进一步的调查。 相反，时域双工使这两个功能隔离开来并最小化它们之间的相互干扰。
4 未来发展前景
考虑到关于使用单一收发器的联合无线通信和雷达遥感功能的最先进的研究，在不久的
将来，从系统的设计与实现的角度可以设想出以下研究课题。
4.1 频率提升到较高水平
在低频率范围，例如从800 MHz到6 GHz通常的无线频段，频谱拥堵为联合无线电和雷达应用的发展制造了许多难题，因为授权的无线电频段不能为雷达应用所共享。 对于大多数的ISM免执照频段，可用于高分辨率雷达发展的频段是极其有限的。 当然，政府法规也使得进一步开发高性能联合无线电雷达系统极具挑战性。
对于高分辨率的测距和高速通信的需求日益增加，这对系统操作的带宽的要求也越来越高。 与高度拥挤的低频频谱相比，用于车载雷达应用的许可的常规频段，如 77/79 GHz（或E波段），提供几千兆赫的带宽，而且它们可以为联合通讯和雷达应用有效地被开发利用。 然而，在如此高的频率下成本效益的系统设计和实施也存在很大的技术挑战。
例如，毫米波电路和组件的性能是非常有限的，这是比其低频率的组件可用性小得多。 因此，在系统设计阶段就应该尽量使链路预算分析和发射/接收链路预算最优化。 还有就是将通信模式和雷达模式之间进行权衡，如发射功率，接收机的线性度，动态范围，灵敏度和天线。 通常，用于无线通信应用的天线通常有一个全方位的明确定义的扇形辐射模式以增加覆盖范围。 不过，雷达应用从简单的等参数检测到复杂的多种参数采集都有，并且它们通常需要高增益和窄波束天线，用于补偿往返信号的衰减，实现高分辨率的角度检测。 有几种方法来解决这一难题。
例如，两条天线/阵列可以分别专用于每个应用，而且它们可以在两种模式之间同步精确地实现电控转换。 还预期能够用一个单一的相控阵天线系统来产生电控转换的光束（宽的或窄的）。 此外，智能天线可被用来改变整个天线阵列的辐射模式。 因为毫米波天线/阵列是小尺寸的，这种策略应该是可以接受的。 此外，在毫米波频率下系统的开发也为整合整个系统，至少收发器前端，提供了机会，通过使用各种集成技术，如互补金属氧化物半导体(CMOS)技术[50]，在锗化硅SiGe技术[51]和系统基板方案[52]。
4.2 自适应调制波形
软件定义的平台使大多数提出的调制方案成为可能，它可以根据不同的应用场景智能地或自适应地调整系统的功能。 比如，在我们提出的梯形调制波形中，通过调节在实时的方式下通信和雷达周期的持续时间可以实现时间的灵活性和多种的功能重新配置。 此外，调频斜率可以自适应地做出调整以便检测多个移动目标。 对于最近提出的认知无线电[53]和认知雷达的概念[54]，这种波形适应甚至可以根据对周围环境的认识进行，它最终会导致认知生成多功能通信和雷达系统的产生。
4.3 网络
无线通信和雷达功能的联合操作对一种特殊的无线传感器网络的实现至关重要，即自组织雷达网络。 无线通信功能使雷达网络的移动性成为可能。 这种自组织雷达网络可以在车辆和作战场景中得到应用。 但是，每个系统平台或基点的高流动性对于保持良好的连通性和最大化网络寿命造成了挑战。 因此，研究方向将朝着网络方法的调查和开发，有以下要求：低成本，实时性，易实行和动态适应。
5 结语
具有无线通信和雷达感应能力的多功能系统在过去十年，尤其是近五年，引起了广泛的研究兴趣。，不同的调制方案被提出并研究用来在单一的收发器/系统平台条件下整合或融合这两种功能。在本文中，它们被分为两个类别和四个子类别。每种子类别的优点和缺点都进行了讨论和比较。扩频技术在安全性和码分多址CDMA特征上具有优势，而正交频分多路复用OFDM技术无距离-多普勒耦合和高频谱效率。这两种技术实施成本高并且信号处理复杂。随后，四个有代表性的系统被选定显示当前的研究进展。每种系统的操作原理都单独讨论过，最后在通信和雷达模式下对系统性能进行了比较。实验结果表明，如果通信和雷达信号之间相互干扰，系统性能将大打折扣。因此，时域双工方案是目前为止成本较低的的可行的解决方案。基于一种新型的时灵敏的调制波形，我们已经开发出两种融合通信和雷达的系统，它们分别在5.9和24 GHz下都具有良好的演示性能。最后，对于未来毫米波频率下系统的开发，我们预期到会有许多的机遇和技术挑战。