基于Matlab的CDMA RAKE接收機(jī)性能仿真

李偉　張真　呂路靜

摘 要： CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，受到建筑物和地形地貌的影響，通信環(huán)境十分復(fù)雜，通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。CDMA系統(tǒng)采用RAKE接收技術(shù)，它可以在時(shí)間上分辨出細(xì)微的多徑信號(hào)，這樣便把多徑信號(hào)加以利用，克服了多徑衰落帶來(lái)的影響，達(dá)到增強(qiáng)接收效果的目的。在對(duì)RAKE接收機(jī)基礎(chǔ)理論進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用Matlab仿真軟件對(duì)不同用戶狀態(tài)下的RAKE接收機(jī)性能進(jìn)行仿真，并對(duì)最大比合并、等增益合并、選擇式合并這三種合并方式進(jìn)行比較，給出仿真結(jié)果及誤碼率性能參數(shù)。然后，針對(duì)CDMA系統(tǒng)中RAKE接收機(jī)的性能進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明，CDMA系統(tǒng)中采用RAKE 接收機(jī)起到了抗多徑干擾、提高系統(tǒng)性能的目的。

關(guān)鍵詞： CDMA； RAKE接收技術(shù)； 多徑信號(hào)； Matlab

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）05?0080?03

CDMA RAKE receiver performance simulation based on Matlab

LI Wei， ZHANG Zhen， L? Lu?jing

（HuangHe Science and Technology College， Zhengzhou 450063， China）

Abstract： Since the CDMA mobile communication system is affected by the building and landform， its communication environment is very complex， and its communication quality are badly affected. CDMA system using RAKE receiving technology can distinguish the subtle multipath signal in time， and can take advantage of the multipath signal to overcome the effects of multipath fading and enhance the reception capacity. Based on the basic theory analysis of RAKE receiver， Matlab simulation software is adopted to perform performance simulation of RAKE receiver under different user states. Three combining modes of maximum ratio， gain， selection are compared. The simulation results and bit error rate performance parameters are given. The performance of the RAKE receiver in the CDMA system is modeled and simulated. The simulation results show that RAKE receiver used in CDMA system can play a role of anti?multipath interference， and can improve system performance.

Keywords： CDMA； RAKE receiving technology； multipath signal； Matlab

0 引 言

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)處于城市建筑群之中或處于地形復(fù)雜的區(qū)域，信號(hào)的傳播過(guò)程中，受地面或水面反射和大氣折射的影響，會(huì)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)，通過(guò)矢量疊加后合成時(shí)變信號(hào)，這種現(xiàn)象稱作多徑效應(yīng)。對(duì)于移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，惡劣的信道特性是不可回避的問(wèn)題，陸地?zé)o線移動(dòng)信道中信號(hào)強(qiáng)度的驟然降低（衰落）是經(jīng)常發(fā)生的，衰落深度可達(dá)30 dB。要在這樣的傳播條件下保持可以接受的傳輸質(zhì)量，就必須采用各種技術(shù)措施來(lái)抵消衰落的不利影響。

對(duì)模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑效應(yīng)引起接收信號(hào)的幅度發(fā)生變化；對(duì)于數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑效應(yīng)引起脈沖信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展，時(shí)延擴(kuò)展將引起碼間串?dāng)_（ISI），嚴(yán)重影響數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量[1]。在移動(dòng)通信中多徑衰落以瑞利（Rayleigh）衰落為主，他是移動(dòng)臺(tái)在移動(dòng)中受到不同路徑來(lái)的同一信號(hào)源的折射或反射等信號(hào)所產(chǎn)生，他的變化是隨機(jī)的，因此只能用統(tǒng)計(jì)或概率的觀點(diǎn)來(lái)定量描述。

本文用Matlab對(duì)CDMA系統(tǒng)中RAKE接收機(jī)性能進(jìn)行仿真，建立了系統(tǒng)仿真模型，能夠方便、形象地描繪CDMA系統(tǒng)及RAKE接收機(jī)的工作原理和過(guò)程。仿真結(jié)果證明了RAKE接收機(jī)解決多徑效應(yīng)的有效性，驗(yàn)證了理論的正確性，對(duì)進(jìn)一步研究相關(guān)理論有著積極的作用，能夠在模擬系統(tǒng)的過(guò)程中找出缺點(diǎn)和不足，并加以研究糾正，以便更好地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。可見(jiàn)，對(duì)RAKE接收機(jī)的性能進(jìn)行仿真有重要的意義。

1 CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)

1.1 CDMA系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種成熟而先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，最早由美國(guó)高通公司推出，CDMA技術(shù)的出現(xiàn)源自于人類對(duì)更高質(zhì)量無(wú)線通信的需求。

CDMA通信系統(tǒng)中，不同用戶傳輸信息所用的信號(hào)用各自不同的編碼序列（波形）來(lái)區(qū)分。接收機(jī)用相關(guān)器可以在多個(gè)CDMA信號(hào)中選出其中使用預(yù)定碼型的信號(hào)。其他使用不同碼型的信號(hào)因?yàn)楹徒邮諜C(jī)本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。CDMA利用展頻通信技術(shù)，可以減少手機(jī)之間的干擾，增加用戶的容量，而且手機(jī)的發(fā)射功率可以做得比較低，降低了電磁波輻射對(duì)人的傷害。就安全性能而言，CDMA有良好的認(rèn)證體制，而且具有用碼來(lái)區(qū)分用戶的傳輸特性，防盜聽(tīng)能力大大增強(qiáng)。

1.2 CDMA系統(tǒng)基本原理

CDMA系統(tǒng)的原理是：將待傳送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。

1.3 CDMA系統(tǒng)特點(diǎn)

CDMA是擴(kuò)頻通信的一種，他具有很強(qiáng)的抗干擾能力；可實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)發(fā)送和接收，由于采用寬帶傳輸，功率譜密度很低，這樣既可以防止其他信道的干擾，又可以防止干擾其他信道，因此具有很好的隱蔽性，抗衰落能力強(qiáng)。CDMA系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)如下：系統(tǒng)容量大，配置靈活；軟容量；低的發(fā)射功率和高的話音質(zhì)量；頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單，建網(wǎng)成本低；網(wǎng)絡(luò)綠色環(huán)保，保密性強(qiáng)。

2 RAKE接收機(jī)技術(shù)

2.1 分集接收技術(shù)

分集接收是指接收端對(duì)收到的多個(gè)衰落特性相互獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低信號(hào)電平起伏的辦法。研究的是如何充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以改善傳輸?shù)目煽啃浴Ｋ彩且豁?xiàng)研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域及空域中，如何分散開(kāi)又如何收集起來(lái)的技術(shù)[2]。分集技術(shù)包含兩層含義：

（1） 分散傳輸，使接收端獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)。

（2） 接收機(jī)把收到的多個(gè)衰落信號(hào)進(jìn)行合并，以降低多徑效應(yīng)的影響。

2.2 RAKE接收機(jī)基本原理

一般的分集技術(shù)把多徑信號(hào)作為干擾來(lái)處理，而RAKE接收機(jī)變害為利，利用多徑現(xiàn)象來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的相關(guān)帶寬，不同于傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)需要用均衡算法來(lái)消除相鄰符號(hào)間的碼間干擾，CDMA擴(kuò)頻碼在選擇時(shí)就要求它有很好的自相關(guān)特性，這樣，在無(wú)線信道傳輸中出現(xiàn)的時(shí)延擴(kuò)展，可以被看作只是被傳信號(hào)的再次傳送，如果這些多徑信號(hào)相互間的延時(shí)超過(guò)了一個(gè)碼片周期，那么它們就可看作是互不相關(guān)的[3]。

RAKE接收機(jī)包含多個(gè)相關(guān)器，每個(gè)相關(guān)器接收多路信號(hào)中的一路，各相關(guān)接收機(jī)與被接收信號(hào)的一個(gè)延遲形式相關(guān)，通過(guò)多個(gè)相關(guān)檢測(cè)器，檢測(cè)多徑信號(hào)中最強(qiáng)的[N]個(gè)支路信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)相關(guān)器的輸出進(jìn)行加權(quán)求和，以提供優(yōu)于單路相關(guān)器的信號(hào)檢測(cè)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行解調(diào)和判決。簡(jiǎn)化的RAKE接收機(jī)框圖如圖1所示。

2.3 CDMA系統(tǒng)中RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

RAKE接收機(jī)可以通過(guò)合并多徑信號(hào)來(lái)改善接收信號(hào)的信噪比，其實(shí)RAKE接收機(jī)所作的就是通過(guò)多個(gè)相關(guān)檢測(cè)器接收多徑信號(hào)中的各路信號(hào)并把它們合并在一起，圖2所示為一個(gè)RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖，它是專為CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)典的分集接收器，其理論基礎(chǔ)就是當(dāng)傳播時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片周期時(shí)，多徑信號(hào)實(shí)際上可以看作是互不相關(guān)的[4]。

帶DLL的相關(guān)器是一個(gè)具有遲早門(mén)鎖相環(huán)的解調(diào)相關(guān)器，它由兩個(gè)相關(guān)器（早和晚）組成，遲早門(mén)和解調(diào)相關(guān)器分別相差[±12]或[14]個(gè)碼片，遲早門(mén)的相關(guān)結(jié)果相減可以用于調(diào)整碼相位，延遲環(huán)路的性能取決于環(huán)路帶寬[5]。

3 CDMA RAKE接收機(jī)性能仿真

3.1 程序流程及仿真過(guò)程分析

3.1.1 程序流程

首先對(duì)仿真程序的流程進(jìn)行分析，RAKE接收機(jī)仿真流程圖如3所示。

3.1.2 仿真過(guò)程

（1） 初狀態(tài)設(shè)定

本設(shè)計(jì)將比較不同用戶下的多徑接收誤碼率，設(shè)用戶數(shù)為Numbers，先后設(shè)定為1，5，10和16；設(shè)定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 000，即數(shù)據(jù)源為Numbers行8 000列矩陣；信噪比變化范圍從0～35，間隔為3；以三徑代表多徑，其功率因子分別設(shè)為[59，][39，][19；]各徑初始誤比特率都設(shè)為0。

擴(kuò)頻因子與該階Walsh碼數(shù)量及該階擴(kuò)頻碼的碼片長(zhǎng)度相等。因?yàn)槌绦蚍抡嬷胁捎?6位Walsh擴(kuò)頻碼，所以設(shè)定擴(kuò)頻因子為16。假設(shè)每條徑之間延時(shí)半個(gè)碼片，為了進(jìn)行仿真，對(duì)Walsh碼進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè)碼字重復(fù)一次，則長(zhǎng)度擴(kuò)展為32位，如[1 1 0]擴(kuò)展為[1 1 1 1 0 0]。

（2） 產(chǎn)生數(shù)據(jù)源

程序仿真需要產(chǎn)生相應(yīng)大小的數(shù)據(jù)矩陣，因此用randsrc命令隨機(jī)產(chǎn)生值為+1和-1的大小為（Numbers*數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）的矩陣。

（3） 擴(kuò)頻產(chǎn)生發(fā)送信號(hào)

用Walsh函數(shù)矩陣對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行擴(kuò)頻，并把擴(kuò)頻后的輸出重復(fù)兩次（有利于下面的延遲），得到第一徑信號(hào)，對(duì)第一徑信號(hào)進(jìn)行兩次延遲，分別得到第二和第三徑信號(hào)。

（4） 采用三種合并方式

采用最大比值合并時(shí)，需要計(jì)算出每徑的加權(quán)系數(shù)。首先計(jì)算出每一路徑的信號(hào)功率，然后把每一路徑的功率與所有路徑功率的比值作為該路徑的加權(quán)系數(shù)，得到最大比值合并器的輸出信號(hào)包絡(luò)；采用等增益合并時(shí)，只需將解擴(kuò)后的各徑信號(hào)相加即可；采用選擇式合并時(shí)，直接通過(guò)循環(huán)檢測(cè)，比較解擴(kuò)后的信號(hào)的大小，得到信噪比最高的那一個(gè)支路作為合并器輸出[3]。

3.2 CDMA系統(tǒng)中RAKE接收機(jī)性能仿真

在這里，只是在一種較為簡(jiǎn)單的配置條件下對(duì)CDMA系統(tǒng)中傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)進(jìn)行建模和仿真，對(duì)于RAKE接收機(jī)原理框圖中的多徑搜索和信道估計(jì)部分，用理想的指峰位置和理想的信道估計(jì)來(lái)取代，系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

假設(shè)每個(gè)用戶都用（+1，-l，+l，-1，…）序列進(jìn)行擴(kuò)頻，但采用不同的擾碼，I路和Q路所用的擾碼采用一個(gè)長(zhǎng)周期Gold序列的截?cái)嘈蛄衼?lái)實(shí)現(xiàn)，其序列最大長(zhǎng)度設(shè)定為38 400。擾碼和擴(kuò)頻碼共同構(gòu)成了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)流的簽名序列。RAKE接收部分采用約束度為9的卷積碼，用戶數(shù)Nuser設(shè)定為3（可調(diào)整），信噪比SNR_db=0[∶]25，仿真得到誤碼率和誤碼塊率。

CDMA系統(tǒng)中RAKE接收機(jī)性能仿真曲線圖如圖5所示。

由圖5分析可知，CDMA系統(tǒng)使用RAKE接收機(jī)技術(shù)可有效降低誤碼率，抵抗多徑效應(yīng)，而且，隨著信噪比的增強(qiáng)，誤碼塊率迅速降低，由此可知，RAKE接收機(jī)技術(shù)可以提高CDMA系統(tǒng)的性能。

4 結(jié) 論

RAKE接收機(jī)可以有效降低誤碼率，克服多徑效應(yīng)，是一種有效的多徑分集方式，通過(guò)仿真可知，采用三種合并方式都能提高其性能，其中，最大比值合并方式最有效。CDMA系統(tǒng)使用特有的RAKE接收機(jī)技術(shù)，可以在不增加設(shè)備增益的情況下克服多徑衰落對(duì)通信帶來(lái)的影響，提高系統(tǒng)性能。本文是對(duì)傳統(tǒng)的RAKE接收機(jī)的性能進(jìn)行仿真，它把其他用戶的信號(hào)作為干擾來(lái)對(duì)待，不能抵抗CDMA系統(tǒng)的固有干擾，即多址干擾，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，可將RAKE接收技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合，如與多用戶檢測(cè)、多徑干擾相消等技術(shù)相結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹志剛，錢(qián)亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 高明華，鄒丹.WCDMA系統(tǒng)中RAKE接收技術(shù)的研究[J].大眾科技，2007（12）：53?54.

[3] 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.

[4] ELTAWIL A M， DANESHRAD Babak. A low?power DS?CDMA RAKE receiver utilizing resource allocation techniques [J]. IEEE Journal of Solid?state Circuits， 2004， 39（8）： 1321?1330.

[5] 聶景楠，尤肖虎，程時(shí)昕，等.IS?95基站RAKE接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信學(xué)報(bào)，2002，30（3）：10?13.

[6] 姚麗娜，周?chē)?，何忠?CDMA系統(tǒng)中2?D RAKE接收機(jī)的性能研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（19）：7?9.