مقاله تخمین پاسخ فرکانسی هدف بر اساس سیگنالینگ OFDM برای کاربرد رادار شناختی

بخشی از مقاله

چکیده- تخمین پاسخ فرکانسی هدف یکی از مهم ترین بخش های در طراحی سیستم های رادار شناختی با اهداف گسترده تصادفی می باشد. در این مقاله یک روش جدید و عملی تخمین پاسخ فرکانسی هدف بر اساس سیگنال های OFDM   - orthogonal frequency division multiplexing - پیشنهاد شده است. روش پیشنهادی قادر به حذف سیگنال های نا مطلوب و تخمین طیف هدف در زیرحامل های فرکانسی تعریف شده می باشد. نشان داده ایم که تخمین گر پیشنهادی قادر به استخراج ویژگی های مهم هدف با دقت بالا در محیط های دارای نویز و کلاتر می باشد. مقایسه کران کرامر رائو با میانگین مربعات خطای حاصل از مثال های عددی شبیه سازی شده بیانگر دقت بالای روش پیشنهادی می باشد.

-1 مقدمه

با پیشرفتهایی که در زمینه پردازش سیگنالهای دیجیتال، شبکههای عصبی، بینایی ماشین و نظریه بهینهسازی انجام شد، اولین بار رادار شناختی توسط پروفسور سیمون هیکین [1] در سال 2006 پیشنهاد شد. رادار شناختی به این صورت تعریف شده که یک سیستم هوشمند میباشد که از محیط پیرامونش با استفاده از دانش قبلی و همچنین یادگیری از طریق تعامل با محیط شناخت کافی پیدا کرده و درنتیجه فرستنده و گیرنده خود را مبتنی بر اطلاعات بدست آمده طراحی میکند. تفاوت اساسی رادار شناختی با رادارهای وفقی در این است که در رادارهای شناختی بر خلاف رادارهای وفقی که انطباق تنها در گیرنده انجام می گرفت، در این نوع رادار های انطباق هم در فرستنده و هم در گیرنده انجام می گیرد .

افزایش حد تفکیک رادار در برد، از طریق افزایش پهنای باند سیگنال ارسالی آن میسر می شود. از جمله تکنیک هایی که می توان برای این منظور استفاده کرد، روشهای مرسوم مدولاسیون فاز و یا فرکانس در پالس ارسالی می باشد. اما افزایش پهنای باند در سیگنال مدوله شده فاز - PCM 1 - معادل با کاهش عرض چیپ بوده که کاهش بیش از حد عرض چیپ با محدودیتهای تکنولوژیک مواجه میشود.

از طرفی در مدولاسیون خطی فرکانس - LFM1 - نیز ایجاد یک سیگنال با شیب فرکانسی بالا و کیفیت مناسب از نظر میزان خطی بودن تغییرات فرکانس به سادگی میسر نمی باشد. راهکاری که برای غلبه بر این مشکل ارائه شده استفاده از سیگنالهای چندحاملی است. سیگنال چندحاملی برای اولین بار در سال 1998 توسط جانکرامن ارائه شد 8]، .[9 استفاده از چنین سیگنالی در سیستمهای راداری در سال 2000 توسط لوانن پیشنهاد گردید . در ایده مطرح شده از حداقل فاصله بین حامل ها جهت حفظ تعامد و همچنین مدولاسیون PCM استفاده شده است.

مزیت عمده ای که سیگنال چند حاملی مبتنی بر PCM نسبت به سیگنال چندحاملی مبتنی بر LFM می تواند داشته باشد این است که از یک طرف با توجه به خواص سیگنال OFDM در مخابرات و ایده گرفتن از آن، به نحو بهتری از پهنای باند در دسترس استفاده شده و همچنین با انتخاب کدهای مناسب می توان گلبرگ های فرعی تابع ابهام سیگنال را تا حد مطلوبی کاهش داد .[15-10]برای سیستم های ارتباطی بی سیم، سینگال دریافتی با توجه به پدیده چند مسیرگی و فیدینگ کانال دچار اعوجاج می شود.

بنابراین تخمین کانال می تواند تاثیر قابل توجهی بر روی عملکرد این سیستم ها داشته باشد. روش های متعددی برای تخمین کانال برای سیستم های مخابراتی OFDM ارائه شده است که می توان به تحقیقات [18-16] از جمله آنها اشاره کرد. تخمین کانال در فرکانس های پایلوت می تواند بر اساس روش های LS، LMS و MMSE انجام شود. در اغلب تحقیقات انجام شده برای بررسی کیفیت تخمینعموماً از کران پایین کرامر-رائو استفاده شده است. نشان داده شده که MMSE بهترین کارایی را داشته است. در [19] نشان داده شده که پیچیدگی MMSE با بهره گیری از یک تخمین گر بهینه مرتبه پایین و به کمک استفاده از روش SVD2 کاهش یافته است.

در [20] و [21] الگوهای تخمین کانال با استفاده از پایلوت های پراکنده بررسی شده است. ساختار تخمین کانال مبتنی بر مدل بازه زمانی در [22] و [23] مطالعه شده است که در واقع پاسخ ضربه کانال در محدوده زمان با استفاده از پایلوت های فرکانسی تخمین زده شده است. در [22] یک تخمینگر کانال زمانی بر اساس الگوریتم MUSIC و LS ارائه داده اند که تمامی سمبل های پایلوت های ارسالی بر روی زیر حامل های ارسالی زوج و فرد یکسان است.

در [23] نیز یک تخمینگر زیرکانال برای سیستم های OQAM-OFDM ارائه شده که در واقع پاسخ ضربه کانال را در هر کدام از حامل ها تخمین می زند. در [24] تخمین کانال با حد تفکیک بالا بر اساس روش حسگری فشرده برای سیستم های OFDM ارائه شد. نویسندگان این مقاله از ADC سرعت پایین برای کاهش سرعت نمونه برداری با استفاده از کانولوشن تصادفی استفاده کرده اند و تخمین کانال رزلوشن بالا را به کمک الگوریتم تکراری ارائه شده در [25] انجام دادند. در [26] یک مدل زمانی کلی برای تخمین کانال در سیستم های OQAM-OFDM ارائه شده و سپس با استفاده از پایلوت های فرکانسی پاسخ ضربه کانال تخمین زده شده است. همچنین الگوی تخمین LMMSE و WLS در این مقاله پیشنهاد شده و نشان داده شده که به کمک الگوریتم ارائه شده می توان به بهترین کارایی دست پیدا کرد.

در این مطالعه یک روش جدید جهت تخمین پاسخ فرکانسی هدف در کانال های راداری دارای نویز و کلاتر با استفاده از سیگنالینگ OFDM معرفی می شود. سناریوی در نظر گرفته شده برای حالتی است که کلاتر به مراتب قوی تر از هدف است، مانند تشخیص اهداف کوچک در کلاتر دریا، راهکار های مختلفی طی سالیان اخیر ارائه شده است. رهیافت پیشنهادی موجود در این مقاله با تقسیم کانال راداری به زیرکانال های مستقل، این توانایی را دارد که کلاتر و هر سیگنال ناخواسته ای در محیط را به صورت کامل حذف کرده و طیف هدف را در زیر کانال مورد نظر استخراج کند. در بخش دوم مدل سازی کامل سیگنال، هدف، نویز و کلاتر انجام می شود. در بخش سوم روش پیشنهادی جهت تخمین پاسخ فرکانسی هدف با جزئیات معرفی می شود. در بخش چهارم نتایج حاصل از شبیه سازی آورده شده است. نهایتاً در بخش پنجم نتیجه گیری انجام شده است.

-2 مدل سازی مسئله

بدون از دست دادن کلیت مسئله، ساختار راداری بای استاتیک لحاظ شده است که فرستنده و گیرنده متصل هستند ولی کنار هم نیستند. فرض می شود که مسیر مستقیم یکی بین فرستنده و هدف و دیگری بین هدف و گیرنده وجود دارد.

1-2 مدل سازی سیگنال

با توجه به اینکه در رادار شناختی رزلوشن سیستم راداری بالا بوده و بحث ما هم طراحی شکلموج در رادار شناختی میباشد بنابراین مدل هدف گسترده به عنوان یک مدل دقیق برای نشان دادن رفتار هدف مشاهده شده پیشنهاد داده میشود. tc عرض چیپ و ak,m دنباله کد حامل k ام که هر حامل با استفاده از M چیپ مدوله فاز شده است.

2-2 مدل سازی هدف، کلاتر و نویز

وقتی که پهنای باند شکلموج BW خیلی باریک باشد یا به عبارتی BW c/2d باشد، که c سرعت نور و d رنج گسترش هدف است، آنگاه هدف به صورت یک هدف نقطهای در نظر گرفته میشود به صورتی که h - t - = - t - خواهد بود. اما برای حالتی که BW در مقایسه با c/2d قابل ملاحظه باشد هدف باید به صورت گسترده مدل شود 27]، .[28 هرچقدرکه رزلوشن یک سیستم راداری بهبود بخشیده شود، فرض هدف نقطهای که یک پاسخ خطی در سرتاسر باند عامل دارد، برقرار نمیباشد چرا که منطقه فضایی اشغال شده توسط هدف مشاهده شده بیشتر از رزلوشن یک سلول خواهد.

-3 تخمین پاسخ فرکانسی هدف

در این بخش یک روش جدید برای تخمین پاسخ فرکانسی هدف بر اساس سیگنالینگ OFDM ارائه می شود. در تحقیق ارائه شده توسط محسنی و همکاران [13] یک تکنیک جدید برای فشرده سازی سیگنال های OFDM پیشنهاد شد.