雷達通信一體化是同時具有目標探測和信息交互的系統，是近年來雷達和通信技術研究的一個重要方向，車載雷達通信系統是其重要的應用之一。本文梳理了外關于雷達通信系統研究的文章，介紹了雷達通信一體化系統的評價指標、系統構成和波形設計方案，總結了系統的雷達指標和通信指標的仿真性能研究成果，并分析了車載雷達通信系統用于自動駕駛和智慧交通的應用前景和發展趨勢。

雷達通信的概念約在 21 世紀初被提出來 [1-5]，雷達通信一體化概念的提出則是為了適應未來高科技戰爭。雷達系統和通信系統作為電子戰平臺的基本組成部分，在軍事方面的作用至關重要。長期以來，這些系統都是各自縱向發展，但隨著技術的進步，各系統間的差距逐漸減少，于是系統間的橫向一體化發展問題開始受到關注，即從橫向上對現有系統進行融合，使其具備通用性和多功能性。如果能實現雷達通信一體化，不僅能夠減少電子戰平臺的體積和電磁干擾，更可以提升戰場指揮效率。

雖然雷達系統和通信系統由于用途的不同在工作方式、功能實現和信號特征等方面都存在顯著差異，但從系統原理來看，雷達技術和通信技術都與電磁波在空間的發射和接收有關。從系統結構來看，兩者的硬件系統都包括天線、發射機、接收機和信號處理器等模塊；從技術的發展趨勢來看，雷達由傳統硬件器件實現的功能正在由數字信號處理來取代完成。同時，通信系統的載頻也轉移到微波領域，與傳統雷達使用的頻率處于同一數量級。因此，雷達系統和通信系統從硬件結構實現到軟件算法處理都正在趨同。

雷達系統和通信系統的一體化首先是以共用相同的硬件平臺為基礎。最簡單的是時分共享的方式，利用選通開關，雷達系統和通信系統分時復用天線、發射機和接收機等硬件平臺，但是這種方式下兩個系統都不可能連續長時間地占用資源，否則就會影響另一個系統的性能；而本系統也由于工作時間有限而使得系統性能受限。

另一種硬件平臺共享的方式主要用于相控陣雷達，將二維陣列分成多個子陣，每個子陣獨立工作，用于實現雷達或通信功能，但是由于子陣的功率受限，雷達和通信系統的性能都會受到影響。因此，這種硬件共享、獨立實現雷達和通信功能的一體化技術由于資源受限不僅對系統性能有影響，而且限制了系統效率的提升。因此，近年來雷達通信一體化的研究開始關注信號方面的融合，即在同一硬件平臺上利用同一信號實現雷達和通信功能。

車載雷達通信系統利用車輛已經裝載的毫米波雷達以及雷達通信一體化技術，不僅可以實現車載雷達探測和車間通信功能，而且不會額外增加汽車的硬件模塊，也不會因為通信功能的引入而使得汽車的電磁環境更加復雜，既降低成本又可以提高頻譜利用率。因此，車載雷達通信系統將會成為雷達通信一體化技術從軍事應用轉向民用領域的重要突破之一。

1. 車載雷達通信系統的研究意義

車載雷達通信系統正面對巨大的市場機遇。一方面，各國政府對交通安全的重視升級，自動緊急剎車、前向碰撞告警、車道偏離告警等汽車安全技術不斷被納入相關的法律法規。另一方面，自動駕駛成為全球研究的熱點，更在「中國制造 2025」中上升為國家戰略之一。

目前業界采用的高級駕駛輔助系統僅依靠搭載的攝像頭、紅外、激光雷達等各種車載傳感器來為單車智能駕駛提供輔助。而與高級駕駛輔助系統相比，車載雷達通信系統是在車載毫米波雷達系統上一體化實現現代通信技術，在實現雷達探測功能的同時建立車聯網的通信連接，使汽車同時具備復雜環境感知、信息共享、智能化決策等功能，為智能駕駛提供最有效的保障。

車載雷達通信系統不僅具有毫米波雷達的探測優勢，即在車輛對周圍環境感知的功能上具有全天候、全天時、高精度、高分辨率的特點，而且可以通過車載雷達通信系統建立的車聯網實現車輛自身及其周圍環境信息的傳遞與共享，車輛可以獲得超視距范圍的環境認知，從而使車輛具有了「視覺+聽覺」的能力。因此，車載雷達通信系統是支持智能駕駛和智慧交通最基礎、最有效的手段。

并且，隨著 5G 通信時代的來臨，通信的頻段已不限制于 6 GHz 以下，而是擴展到十幾吉赫茲到幾十吉赫茲的微波波段。而車載雷達通信系統可使用全球統一的頻譜，即 24 GHz、77 GHz、79 GHz 頻段。這些頻段與 5G 高頻通信頻段和微波通信頻段接近。因此，基于雷達技術和通信技術的同源性，通過研究車載雷達通信系統，不僅使得車-車間通過車載雷達建立車車通信聯網成為可能，而且可對 5G 高頻通信技術的研究提供技術積累。

2. 車載雷達通信系統的研究現狀

2.1 雷達通信一體化的評價指標

雷達通信一體化的評價指標包括雷達指標和通信指標。通常雷達指標主要涉及雷達對目標的距離、速度、角度等各方面的測量要求，主要包括測量范圍、測量精度、分辨率等指標。通信指標主要為信噪比、數據速率等，且通信功能的引入不能降低雷達的探測性能。

以下主要介紹雷達指標。

2.1.1 距離

（1）雷達作用距離

雷達的作用距離可由雷達方程來得出，雷達方程將雷達的作用距離和雷達發射、接收、天線和環境等各因素聯系起來，可以反映雷達各參數對雷達作用距離的影響程度。基本雷達方程為：

其中，R_max是雷達的最大作用距離，P_t是雷達發射功率，G_t和G_r分別是發射天線和接收天線的增益，σ是雷達截面積，S_sim是雷達接收機最小可檢測信號功率。

（2）測距范圍

測距范圍包括最小可測距離和最大單值測距范圍。

最小可測距離是指雷達能測量的最近目標距離。對于脈沖雷達來說，收發天線是共用的，在發射脈沖寬度 τ 的時間內，接收機無法接收目標回波，在發射脈沖結束后將天線收發開關轉換到接收狀態也需要一定的時間 t_0，接收機也不能接收目標回波。因此，雷達的最小可測距離為：

雷達的最大單值測距范圍由脈沖重復周期T_m決定。為保證單值測距，通常應選取T_m ≥ 2R_max/c，其中R_max是被測目標的最大作用距離。當雷達重復頻率不能滿足單值測距的要求時，將產生距離模糊。

（3）距離分辨率

距離分辨率通常是指同一方向上兩個大小相同的點目標之間的最小可區分距離。對于簡單的脈沖雷達信號，脈沖越窄，距離分辨力越好。對于復雜的脈沖壓縮信號，決定距離分辨率的是雷達信號的有效帶寬B，有效帶寬越寬，距離分辨率越好。距離分辨率可表示為：

（4）測距精度

測距精度是指雷達對被測目標距離測量的準確度，一般用均方根誤差來表示。理論上，單個強散射點距離的最小均方根誤差可以表示為：

其中，E/N_0為信噪比。可以看出：雷達的測距精度與信號帶寬和信噪比成反比。

2.1.2 速度

根據多普勒頻率，其中 v_r 為徑向速度，測速精度可以表示為：

速度分辨率為：

其中，τ 是信號持續時間，正比于信號時寬。可以看出：測速精度和速度分辨率都與信號時寬成反比，且信號波長越短，測速精度和速度分辨率越高。

2.1.3 角度

角度的測量與天線孔徑有關，若天線的半功率波束寬度為：

則方位角或俯仰角的測量精度可以表示為：

2.2 雷達通信一體化系統的波形設計

雷達通信一體化系統最大的挑戰就是找到合適的信號能同時完成信息的傳遞和雷達探測功能。雷達和通信的參數都跟信道特性有關，最主要的信道特性是多普勒頻率和最大多徑時延，并且由于回波經歷了二倍的傳播路徑，因此這些特性對雷達的影響更大。除了信道的物理特性外，還有一些只針對雷達性能的限制，主要跟雷達的模糊函數有關。

傳統雷達波形設計的目的是得到具有最優自相關特性的波形來保證雷達探測性能。雷達波形的選擇要考慮 3 個性能因素：目標距離、多普勒和方位角。對于車載雷達來說，在交通密集的區域，波形應能有效地對抗干擾和噪聲。而通信的主要性能指標包括：覆蓋范圍、時延、數據速率、系統容量等。通信波形的選擇是要保證能對抗各種信道衰落以及多用戶干擾從而正確的解調解碼出通信信息。

考慮到現有雷達的實現技術和現有的通信技術，車載雷達通信一體化信號的主要研究方向有：基于線性調頻的雷達通信 [4]、基于擴頻的雷達通信 [6-9]、基于 OFDM 的雷達通信 [10-11]。當然，這些技術還可進一步與多天線 [7]、波束賦形等技術結合起來。

2.3 基于線性調頻的雷達通信

基于線性調頻的雷達通信主要分為 2 類：基于準正交波形疊加的方案 [4-5] 和基于單一波形的方案 [11-13]。在單一波形方案中，又可分成 2 類：基于波形分離方案 [9，14] 和基于分數階傅里葉變換的方案 [6]。

2.3.1 基于準正交波形疊加的方案

在基于準正交波形疊加的方案 [4-5] 中，雷達信號和通信信號使用相互「正交」的波形，例如：雷達探測可以使用 Down-Chirp 信號（頻率隨時間線性下降），通信數據可以使用 Up-Chirp 信號（頻率隨時間線性上升），并使用 2 個「正交」的匹配濾波器分別提取期望的信號。用戶之間的數據可以通過不同的調頻斜率、不同的發射時間、不同的起始頻率等來區分。此方案中，雷達信號為：

通信信號為：

雷達信號和通信信號在一個雷達脈沖內是基本正交的。

圖 1 基于準正交波形疊加的方案的示意圖

（DQPSK：四相相對相移鍵控）

基于準正交波形疊加的方案的示意圖如圖 1 所示。

2.3.2 基于波形分離方案

圖 2 基于波形分離的方案的示意圖

基于波形分離方案的示意圖如圖 2 所示[13]。在發射端，編碼后的通信信息調制到雷達波形上發射。在接收端，通過分離器將雷達信號和通信信號進行分離之后再分別進行處理。分離的方法包括同態濾波、白化等。

2.3.3 基于分數階傅里葉變換的方案

圖 3 基于分數階傅里葉變換的方案的示意圖

（FRFT：分數傅里葉變換）

基于分數階傅里葉變換（FRFT）方案的示意圖如圖 3 所示 [11]。雷達信號和通信信號是同一個，通信數據調制在不同的初始頻率的 Chirp 信號上，接收端使用分數階傅里葉變換分別把通信數據和雷達信號提取出來。

2.3.4 基于擴頻的雷達通信

為了獲得較好的通信性能，可以考慮使用具有良好自相關特性的擴頻信號來作為雷達通信一體化的信號。系統只發射一個擴頻信號，一方面，系統利用自己發射的信號回波進行目標探測，實現雷達功能；另一方面系統通過該發射信號給另外的系統發射通信數據。用戶之間的數據通過不同的擴頻碼來區分。

一個雷達接收到的信號 [7] 為：

用本地碼與接收到的雷達信號做相關之后得到：

在對公式進行簡化之后，當τ = 2R/c_0 - (k-i)T時，可得到相關峰值。此時，k = i + 2R/(c_0*T)，進而知道了目標的距離、使用的擴頻碼，可以進一步解調出數據，并得到目標速度（從碼相位推出）。

2.3.5 基于 OFDM 的雷達通信

OFDM 信號 [10] 也是目前雷達通信一體化系統波形設計的研究內容之一。OFDM 信號作為雷達信號，具有圖釘狀的模糊函數，同時具有距離和多普勒的高分辨率，而沒有距離——多普勒耦合問題，可以獨立地處理距離和多普勒信息。

但 OFDM 信號對多普勒頻移更加敏感，會破壞回波子載波之間的正交性，從而需要頻偏估計與補償。另外，OFDM 信號具有較高的峰值平均功率比（PAPR），如果要獲得較高的發射功率，則要盡量降低信號的 PAPR 并采用大動態范圍的線性放大器。

圖 4 基于 OFDM 方案的示意圖

（FFT：快速離散傅里葉變換；IFFT：離散傅里葉逆變換）

基于 OFDM 信號的雷達通信示意如圖 4 所示[10]。雷達信號和通信信號是同一個，一個雷達收到的自己的回波為 [7]：

用其跟本地發射的信號相除，然后經過一系列離散傅里葉逆變換（IDFT）/離散傅里葉變換（DFT）運算之后，即可得到距離（R）和速度（f_D）。

其他雷達收到上述信號后，進行快速傅里葉變換（FFT）運算、解調、解碼之后即可得到通信數據。

2.4 仿真/測試結果

目前，雷達通信一體化信號的研究主要集中在調頻連續波、擴頻信號、正交頻分復用技術（OFDM）信號這 3 種類型，相關的研究和仿真也多是基于這 3 種類型。

2.4.1 雷達性能

2.4.1.1 線性調頻方案的仿真/測試結果

文獻 [4] 中，作者使用了 Up-Chirp 信號（雷達）和 Down-Chirp 信號（通信）（它們基本正交），Chirp 信號的調頻率為 40 MHz/μs，系統帶寬為 80 MHz，脈沖時間為 2 μs（頻率從最低到最高所需要的時間），處理增益（時寬帶寬積）為 22 dB，數據調制方式是π/4-DQPSK；射頻頻率為 10 GHz。

從文獻 [4] 中的仿真結果可知：當信號與干擾加噪聲比（SINR）超過 15 dB 時，檢測概率可達到 85%（或更高），從而可以檢測出大多數目標。

文獻 [5] 中，作者使用了 Up-Chirp 信號（雷達）和 Down-Chirp 信號（通信）（它們基本正交），Chirp 信號的調頻率為 1 GHz/μs，載波頻率為 750 MHz，系統帶寬為 500 MHz，脈沖時間為 0.5 μs（頻率從最低到最高所需要的時間），處理增益（時寬帶寬積）為 24 dB；數據調制方式是二進制相移鍵控（BPSK），射頻頻率為 75 MHz，發射功率為 27 dBm。

從文獻 [5] 的測試結果可知：其雷達通信系統能可靠地區分出 10 m 之外的 2 個相隔 63 cm 的目標。另外，文獻 [5] 還提到，其目標檢測概率為 99%。

2.4.1.2 直接序列擴頻方案的仿真/測試結果

文獻 [11] 中，作者使用的仿真設置為：使用 m 序列來擴頻（SF=15，31，63，127，255）；碼片速率為 48 MCps；信號帶寬為 96 MHz；數據長度為 256 個符號，數據調制方式為 BPSK。從文獻[11]的仿真結果可知：當 SINR 超過 0 dB 時，峰值旁瓣（PSL）（SF=255）達到 40 dB，從而能有效地區分出 2 個不同的目標。

2.4.1.3 OFDM 方案的仿真/測試結果

文獻[7]中，作者使用的仿真設置為：載波頻率為 5.9 GHz，全相位 OFDM 子載波個數為 512，CP 長度為 1.4 μs，加入 CP 后的全相位 OFDM 符號長度為 23.8 μs，系統帶寬為 91.5 MHz，一幀內的全相位 OFDM 符號個數為 177，一幀的時間長度為4.25 ms，子載波間隔為180 kHz。從文獻[7]的仿真結果可知：當 SINR 超過 0 dB 時，距離的均方誤差（MSE）幾乎接近于 0，從而能有效地區分出 2 個不同的目標；當 SINR 超過 0 dB 時，Doppler 頻移的 MSE 約為 100 Hz（等價于 5 m/s，18 km/h），從而能有效地區分出 2 個不同的運動速度。

從上面的仿真結果可以看出：3 種雷達通信的方案能有效地檢測出目標。

2.4.2 通信性能

2.4.2.1 線性調頻方案的仿真/測試結果

文獻[4]中，作者使用了 Up-Chirp 信號（雷達）和 Down-Chirp 信號（通信）（它們基本正交），Chirp 信號的調頻率為 40 MHz/μs，系統帶寬為 80 MHz，脈沖時間為 2 μs（頻率從最低到最高所需要的時間），處理增益（時寬帶寬積）為 22 dB，數據調制方式是π/4-DQPSK；射頻頻率為 10 GHz。

從文獻[4]的仿真結果可知：當 SINR 超過 11 dB 時，誤碼率（BER） 低于 0.1%，從而可以滿足一般的通信性能需求。

2.4.2.2 直接序列擴頻方案的仿真/測試結果

文獻 [7] 中，作者使用的仿真設置如下：載波頻率為 2 MHz，采樣頻率為 20 MHz，使用 m 序列來擴頻，擴頻因子為 15 或 31，碼片寬度為 1 μs，數據調制方式為差分相干二進制相移鍵控（DBPSK），數據長度為 2000 個符號。

從文獻 [7] 的仿真結果可知：當 SINR 超過 3 dB 時，BER（SF=15 的）低于 0.1%，從而可以滿足一般的通信性能需求。

2.4.2.3 OFDM 方案的仿/測試真結果

文獻 [10] 中，作者使用的仿真設置如下：載波頻率為 5.9 GHz，全相位 OFDM 子載波個數為 512，CP 長度為 1.4 μs，加入 CP 后的全相位 OFDM 符號長度為 23.8 μs，系統帶寬為 91.5MHz，一幀內的全相位 OFDM 符號個數為 177，一幀的時間長度為 4.25 ms，子載波間隔為180 kHz。

從文獻 [10] 中的仿真結果可知：當 SINR 超過 8.2 dB 時，BER 低于 0.1%，從而可以滿足一般的通信性能需求。

從上面的仿真結果可以看出：3 種雷達通信的方案在不太高的 SINR 下能較好地傳輸數據。

2.5 試驗/測試系統

2.5.1 基于線性調頻的雷達通信試驗系統

圖 5 基于線性調頻的雷達通信實驗系統

（LHCP：左旋圓偏振；PRBS：偽隨機二進制序列；RHCP：右旋圓偏振）

如圖 5 所示 [5]：該系統的工作頻率為 750 MHz，帶寬為 500 MHz，距離分辨率為 63 cm，雷達檢測概率為 99%，虛警為 7%。在 1 Mbit/s 速率下的 BER 為 0.002（這時雷達脈沖重復頻率為 150 kHz，雷達脈沖時間寬度 1.5 ns）。

2.5.2 基于直接序列擴頻的雷達通信測試系統

圖 6 基于直接序列擴頻的雷達通信測試系統（信號處理板卡）

圖 6 為（南京理工大學）基于直接序列擴頻的雷達通信測試系統（信號處理板卡），由現場可編程門陣列（FPGA）、模數轉換（A/D）、數模轉換（D/A）等組成 [8]。該系統使用 30 MHz中頻、31 位 m 序列擴頻，通信速率為 129 kbit/s，PSL 為 13 dB。

2.5.3 基于 OFDM 的雷達通信試驗系統

圖 7 OFDM 超寬帶合成孔徑雷達試驗系統

美國邁阿密大學研制了超寬帶合成孔徑雷達，并使其成為通信雷達一體化系統，圖 7 為他們在實驗室研制的 OFDM 超寬帶合成孔徑雷達試驗系統 [15-16]。

2.6 小結

從以上的仿真和試驗系統可以看出：車載雷達通信系統可以使用多種信號來實現，最簡單的是使用目前最常用的雷達信號——調頻連續波（FMCW），通信信息直接調制在該信號上，也可以使用現有的通信信號，比如擴頻信號和 OFDM 信號。根據仿真驗證：

24 GHz 車載雷達通信系統的雷達作用距離可達 100 m，通信距離則在 500 m 以上，數據的傳輸速率最高可達 20 Mbit/s（采用 OFDM 信號）；

使用 77 GHz 車載雷達通信系統的話，雷達的測距范圍和有效的通信距離基本相當，可達 250 m，峰值數據速率為 20 Mbit/s（采用 OFDM 信號），而距離和速度的分辨率和精度都遠高于 24 GHz 系統。

其中，距離分辨率可小于 1 m，測速范圍可達 ±200 km/h。至于時延指標，除了傳播時延和系統處理時延外再無其他網絡時延，可以滿足汽車安全的時延要求 [17-19]。

因此，從仿真驗證的結果來看，車載雷達通信系統完全可以在不損失雷達性能的條件下實現車聯網通信，不僅可以為車輛提供駕駛輔助的各項功能，而且獲得更遠視角的道路信息，滿足智能駕駛對傳感器感知信息和網聯信息融合的需求。

3. 結束語

在技術創新的驅動下，通信、互聯網與各行業的融合發展日新月異，萬物互聯的時代已經開啟，不僅包括人與人、人與物之間的聯接，也包括物與物之間的聯接，車聯網就是其中重要的組成部分。

而對于汽車產業，伴隨著人們對汽車駕駛的舒適度、安全性等用戶需求的提升，自動駕駛成為人們追求的炙手可熱的目標之一。目前自動駕駛產業整體水平處于 Level 1/Level 2（根據美國 NTHSA 或 SAE 標準）或駕駛輔助（根據中國 SAE 標準）水平，中國的先進駕駛輔助的各主要功能的新車滲透率除了車身電子穩定系統之外都不足 10%。

根據中國汽車工程學會發布的信息，中國到 2020 年將推進以自主環境感知為主、網聯信息服務為輔的部分自動駕駛的應用，到 2025 年重點形成網聯式環境感知能力并實現復雜工況下的高度自動駕駛，到 2030 年通過 V2X 協同控制實現完全自動駕駛。

因此，如何從目前低滲透率的駕駛輔助階段快速有效地推進到具有自主環境感知能力和網聯功能的自動駕駛階段成為關鍵問題。通過車載雷達通信系統，車輛不僅可以通過自身雷達探測功能感知周圍環境，更可以在車輛之間建立通信網絡，通過協作式的通信獲得更廣范圍的區域信息。遠近信息的融合不僅為車輛自身的安全駕駛提供有力的保障，更可以實現全道路的智能駕駛和整體交通效率的提升。

因此，車載雷達通信系統將會成為自動駕駛產業最核心的傳感器之一，加速智能網聯汽車的產業化進程，進而提升自動駕駛產業的整體水平。