董亞芬

（運(yùn)城學(xué)院物理與電子工程系，山西運(yùn)城044000）

基于MATLAB的CDMA系統(tǒng)RAKE接收機(jī)仿真分析

董亞芬

（運(yùn)城學(xué)院物理與電子工程系，山西運(yùn)城044000）

為了解決CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多徑衰落帶來(lái)的不利影響，CDMA系統(tǒng)采用RAKE接收機(jī)技術(shù)對(duì)多徑信號(hào)加以利用以達(dá)到增強(qiáng)接收效果的目的。仿真結(jié)果表明，RAKE接收機(jī)技術(shù)能夠有效抵抗CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多徑效應(yīng)，提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量和系統(tǒng)性能。

多徑效應(yīng)；CDMA系統(tǒng)；RAKE接收機(jī)

多徑效應(yīng)是指電磁波經(jīng)過(guò)不同的傳播路徑后由于各分量到達(dá)接收端的時(shí)間不同而使得信號(hào)出現(xiàn)失真的干擾現(xiàn)象。多徑效應(yīng)對(duì)于移動(dòng)通信、雷達(dá)最佳檢測(cè)等都有著非常嚴(yán)重的影響。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)所處的環(huán)境比較復(fù)雜時(shí)，在信號(hào)傳播過(guò)程中可能會(huì)受到諸如大氣折射等多種因素的影響而導(dǎo)致產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)矢量疊加合成時(shí)變信號(hào)，這是移動(dòng)通信中的多徑衰落現(xiàn)象[1]。多徑衰落對(duì)移動(dòng)通信的通話質(zhì)量有著非常嚴(yán)重的影響，必須采取措施盡量抵消多徑衰落所帶來(lái)的不利影響。

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多徑衰落主要是瑞利衰落。所謂瑞利衰落是指由于多徑效應(yīng)信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)自于不同的傳播路徑，各條路徑的延時(shí)時(shí)間并不相同，而各個(gè)方向分量波的疊加會(huì)產(chǎn)生駐波場(chǎng)強(qiáng)，從而最終形成的信號(hào)快衰落現(xiàn)象，它是一種常疊加于大尺度衰落效應(yīng)上的小尺度衰落效應(yīng)。

1 CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)

移動(dòng)通信是按照多址技術(shù)來(lái)劃分時(shí)代的，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了CDMA碼分多址技術(shù)，稱為CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)。CDMA是利用碼來(lái)區(qū)分不同的用戶的。與FDMA頻分多址和TDMA時(shí)分多址技術(shù)相比，CDMA有著非常多的優(yōu)勢(shì)，例如信道容量更大、可以實(shí)現(xiàn)軟切換、抗干擾性能好、抗多徑衰落能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好等等。

CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有功率控制技術(shù)、PN碼技術(shù)、軟切換技術(shù)、RAKE接收技術(shù)、語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)和語(yǔ)音激活技術(shù)等[2]。

功率控制技術(shù)主要用于解決CDMA系統(tǒng)中的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，使得所有用戶到達(dá)基站接收機(jī)信號(hào)的平均功率相等。主要包括正向鏈路功率控制和反向鏈路功率控制。

PN碼技術(shù)主要用于區(qū)分CDMA系統(tǒng)的不同信道，對(duì)其要求是自相關(guān)性好、互相關(guān)性弱、易于實(shí)現(xiàn)并且編碼簡(jiǎn)單。

軟切換技術(shù)是CDMA系統(tǒng)特有的切換技術(shù)。在軟切換技術(shù)中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)需要與新的基站建立連接時(shí)不會(huì)直接切斷與原有基站的連接，而是首先與新基站連接再切斷與原有基站之間的聯(lián)系。

RAKE接收技術(shù)是CDMA系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)之一，它是一種多徑分集接收技術(shù)，能在時(shí)間上分辨出細(xì)微的多徑信號(hào)并將其進(jìn)行加權(quán)調(diào)整合成加強(qiáng)的信號(hào)。因此，RAKE接收機(jī)是一種能夠分離多徑信號(hào)并有效合并多徑信號(hào)能量的最終接收機(jī)。本論文主要研究了瑞利衰落模型下CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的RAKE接收機(jī)的性能。

2 RAKE接收機(jī)理論

信號(hào)的分集接收技術(shù)是解決多徑衰落問(wèn)題的最有效途徑之一。按信號(hào)的傳輸目的，分集接收技術(shù)可分為宏觀分集和微觀分集；按信號(hào)的傳輸方式，分集接收技術(shù)可分為顯分集和隱分集；按獲得獨(dú)立路徑信號(hào)的方法，分集接收技術(shù)包括時(shí)間分集技術(shù)、空間分集技術(shù)、多徑分集技術(shù)、頻率分集技術(shù)、極化分集技術(shù)、角度分集技術(shù)等等。多徑分集也稱碼分集，其概念的提出主要基于多徑信號(hào)的時(shí)間延遲擴(kuò)展，若接收到的多徑信號(hào)可以分離，可以只接收主路徑的信號(hào)或者將分離的多徑信號(hào)合并以增加有用信號(hào)的能量，即多徑信號(hào)的分離與合并。采用直接擴(kuò)展頻譜信號(hào)可以對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行分離，多徑信號(hào)合并的準(zhǔn)則有最強(qiáng)路徑準(zhǔn)則、第一路徑準(zhǔn)則、最大比合并準(zhǔn)則、自適應(yīng)合并準(zhǔn)則等等。多徑分集技術(shù)在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法就是RAKE接收機(jī)技術(shù)。

RAKE接收機(jī)的原理框圖如圖1所示[3]。圖1中的每個(gè)延遲叫做一個(gè)finger，每個(gè)finger首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)做下采樣和時(shí)延調(diào)整，然后與本地?cái)U(kuò)頻地址碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算（Cor），在整個(gè)擴(kuò)頻地址碼長(zhǎng)度范圍內(nèi)求平均值并以符號(hào)長(zhǎng)度為周期進(jìn)行采樣，得到各finger的計(jì)算值之后與信道加權(quán)系數(shù)（hn）相乘，最后累加起來(lái)得到對(duì)信號(hào)的估計(jì)，送入星座解調(diào)器。

圖1 RAKE接收機(jī)框圖

對(duì)于數(shù)字信號(hào)，相關(guān)器（Cor）執(zhí)行的運(yùn)算如下：

其中，D是這個(gè)finger對(duì)應(yīng)的Tap數(shù)。

對(duì)于模擬信號(hào)，相關(guān)器（Cor）執(zhí)行的運(yùn)算如下：

其中，Tcode是擴(kuò)頻碼波形的持續(xù)時(shí)間；是擴(kuò)頻碼經(jīng)過(guò)脈沖成型之后的波形；τ是這個(gè)finger所對(duì)應(yīng)的延時(shí)。

在接收機(jī)中，finger的數(shù)量往往會(huì)直接影響RAKE接收機(jī)的性能[4]。如果finger數(shù)量等于接收信號(hào)的多徑數(shù)，那么信號(hào)經(jīng)空間傳播后到達(dá)接收天線的所有信號(hào)能量會(huì)被接收機(jī)全部收集到；如果finger數(shù)量少于接收信號(hào)的多徑數(shù)，那么接收機(jī)只能收集到信號(hào)經(jīng)空間傳播后的部分能量；如果finger數(shù)量大于接收信號(hào)的多徑數(shù)，那么雖然信號(hào)經(jīng)空間傳播的全部能量可以被接收機(jī)接收，但是會(huì)引入不期望的噪聲，信噪比SNR會(huì)下降。當(dāng)然，如果多徑信號(hào)過(guò)于微弱，難以檢測(cè)，此時(shí)即使finger的數(shù)量足夠，RAKE接收機(jī)的輸出信噪比SNR可能也很低，甚至可能不工作。

3 CDMA系統(tǒng)RAKE接收機(jī)性能分析

本論文利用MATLAB軟件對(duì)CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的RAKE接收機(jī)性能進(jìn)行了仿真，仿真中采用兩條信道來(lái)模擬多徑現(xiàn)象，衰落模型采用瑞利衰落。仿真結(jié)果如圖2～圖7所示。由仿真結(jié)果圖可以看出，RAKE接收機(jī)能夠比較好地在多徑衰落情況下恢復(fù)出原始信號(hào)，可以有效地抵抗多徑效應(yīng)，提高CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。

圖2 原始信號(hào)的頻譜

圖3 調(diào)制后信號(hào)的頻譜

圖4 通過(guò)信道1、2后的信號(hào)波形

圖5 兩條信道疊加后的信號(hào)頻譜

圖6 加入噪聲之后的信號(hào)頻譜

圖7 RAKE接收機(jī)的信號(hào)

4 總結(jié)

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用CDMA碼分多址技術(shù)。CDMA系統(tǒng)采用了很多先進(jìn)技術(shù)，例如功率控制技術(shù)、PN碼技術(shù)、軟切換技術(shù)、RAKE接收技術(shù)、語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)以及語(yǔ)音激活技術(shù)等等。其中，RAKE接收機(jī)技術(shù)能夠在時(shí)間上分辨出細(xì)微的多徑信號(hào)并將其進(jìn)行加權(quán)調(diào)整合成加強(qiáng)的信號(hào)，使得CDMA系統(tǒng)能夠有效地分辨多徑信號(hào)并克服多徑衰落效應(yīng)，保證了CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的高通話質(zhì)量，提高了CDMA系統(tǒng)的性能。

[1]李偉,張真,呂路靜.基于Matlab的CDMA RAKE接收機(jī)性能仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015(5)：80-82.

[2]陳曉英.CDMA系統(tǒng)Rake接收技術(shù)研究[D].大連：大連海事大學(xué),2002.

[3]楊學(xué)志.通信之道：從微積分到5G[M].北京：電子工業(yè)出版社,2016.

[4]劉濤.第三代移動(dòng)通信中RAKE接收技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2006.

Simulation Analysis of RAKE Receiver in CDMA System Based on MATLAB

DONG Ya-fen
(Department of Physics and Electronic Engineering,Yuncheng University,Yuncheng Shanxi,044000)

In order to solve the adverse effects of multipath fading in CDMA mobile communication system,the CDMA system uses RAKE receiver technology to use the multipath signal to achieve the purpose of enhancing the effect of the reception.The simulation results show that the RAKE receiver technology can effectively resist the multipath effect in CDMA mobile communication system,and improve the communication quality and system performance.

multipath effect;CDMA system;RAKE receiver

TN91

A

〔責(zé)任編輯 高彩云〕

1674-0874(2017)01-0029-03

2016-10-08

運(yùn)城學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目[CI-2015012]

董亞芬（1990-），女，山西運(yùn)城人，碩士，助教，研究方向：信號(hào)與信息處理。