基于MATLAB的CDMA系統(tǒng)RAKE接收機仿真分析

董亞芬

（運城學院物理與電子工程系，山西運城044000）

基于MATLAB的CDMA系統(tǒng)RAKE接收機仿真分析

董亞芬

（運城學院物理與電子工程系，山西運城044000）

為了解決CDMA移動通信系統(tǒng)中的多徑衰落帶來的不利影響，CDMA系統(tǒng)采用RAKE接收機技術對多徑信號加以利用以達到增強接收效果的目的。仿真結果表明，RAKE接收機技術能夠有效抵抗CDMA移動通信系統(tǒng)中的多徑效應，提高系統(tǒng)的通信質量和系統(tǒng)性能。

多徑效應；CDMA系統(tǒng)；RAKE接收機

多徑效應是指電磁波經過不同的傳播路徑后由于各分量到達接收端的時間不同而使得信號出現(xiàn)失真的干擾現(xiàn)象。多徑效應對于移動通信、雷達最佳檢測等都有著非常嚴重的影響。在移動通信系統(tǒng)中，當移動臺所處的環(huán)境比較復雜時，在信號傳播過程中可能會受到諸如大氣折射等多種因素的影響而導致產生多個經過不同路徑到達接收機的信號，這些信號經過矢量疊加合成時變信號，這是移動通信中的多徑衰落現(xiàn)象[1]。多徑衰落對移動通信的通話質量有著非常嚴重的影響，必須采取措施盡量抵消多徑衰落所帶來的不利影響。

移動通信系統(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信號到達接收點的場強來自于不同的傳播路徑，各條路徑的延時時間并不相同，而各個方向分量波的疊加會產生駐波場強，從而最終形成的信號快衰落現(xiàn)象，它是一種常疊加于大尺度衰落效應上的小尺度衰落效應。

1 CDMA移動通信系統(tǒng)

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

CDMA系統(tǒng)的關鍵技術有功率控制技術、PN碼技術、軟切換技術、RAKE接收技術、語音壓縮編碼技術和語音激活技術等[2]。

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

PN碼技術主要用于區(qū)分CDMA系統(tǒng)的不同信道，對其要求是自相關性好、互相關性弱、易于實現(xiàn)并且編碼簡單。

軟切換技術是CDMA系統(tǒng)特有的切換技術。在軟切換技術中，當移動臺需要與新的基站建立連接時不會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接收技術是CDMA系統(tǒng)最關鍵的技術之一，它是一種多徑分集接收技術，能在時間上分辨出細微的多徑信號并將其進行加權調整合成加強的信號。因此，RAKE接收機是一種能夠分離多徑信號并有效合并多徑信號能量的最終接收機。本論文主要研究了瑞利衰落模型下CDMA移動通信系統(tǒng)中的RAKE接收機的性能。

2 RAKE接收機理論

信號的分集接收技術是解決多徑衰落問題的最有效途徑之一。按信號的傳輸目的，分集接收技術可分為宏觀分集和微觀分集；按信號的傳輸方式，分集接收技術可分為顯分集和隱分集；按獲得獨立路徑信號的方法，分集接收技術包括時間分集技術、空間分集技術、多徑分集技術、頻率分集技術、極化分集技術、角度分集技術等等。多徑分集也稱碼分集，其概念的提出主要基于多徑信號的時間延遲擴展，若接收到的多徑信號可以分離，可以只接收主路徑的信號或者將分離的多徑信號合并以增加有用信號的能量，即多徑信號的分離與合并。采用直接擴展頻譜信號可以對多徑信號進行分離，多徑信號合并的準則有最強路徑準則、第一路徑準則、最大比合并準則、自適應合并準則等等。多徑分集技術在CDMA移動通信系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法就是RAKE接收機技術。

RAKE接收機的原理框圖如圖1所示[3]。圖1中的每個延遲叫做一個finger，每個finger首先對接收到的數(shù)據(jù)做下采樣和時延調整，然后與本地擴頻地址碼進行相關運算（Cor），在整個擴頻地址碼長度范圍內求平均值并以符號長度為周期進行采樣，得到各finger的計算值之后與信道加權系數(shù)（hn）相乘，最后累加起來得到對信號的估計，送入星座解調器。

圖1 RAKE接收機框圖

對于數(shù)字信號，相關器（Cor）執(zhí)行的運算如下：

其中，D是這個finger對應的Tap數(shù)。

對于模擬信號，相關器（Cor）執(zhí)行的運算如下：

其中，Tcode是擴頻碼波形的持續(xù)時間；是擴頻碼經過脈沖成型之后的波形；τ是這個finger所對應的延時。

在接收機中，finger的數(shù)量往往會直接影響RAKE接收機的性能[4]。如果finger數(shù)量等于接收信號的多徑數(shù)，那么信號經空間傳播后到達接收天線的所有信號能量會被接收機全部收集到；如果finger數(shù)量少于接收信號的多徑數(shù)，那么接收機只能收集到信號經空間傳播后的部分能量；如果finger數(shù)量大于接收信號的多徑數(shù)，那么雖然信號經空間傳播的全部能量可以被接收機接收，但是會引入不期望的噪聲，信噪比SNR會下降。當然，如果多徑信號過于微弱，難以檢測，此時即使finger的數(shù)量足夠，RAKE接收機的輸出信噪比SNR可能也很低，甚至可能不工作。

3 CDMA系統(tǒng)RAKE接收機性能分析

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

圖2 原始信號的頻譜

圖3 調制后信號的頻譜

圖4 通過信道1、2后的信號波形

圖5 兩條信道疊加后的信號頻譜

圖6 加入噪聲之后的信號頻譜

圖7 RAKE接收機的信號

4 總結

第三代移動通信系統(tǒng)采用CDMA碼分多址技術。CDMA系統(tǒng)采用了很多先進技術，例如功率控制技術、PN碼技術、軟切換技術、RAKE接收技術、語音壓縮編碼技術以及語音激活技術等等。其中，RAKE接收機技術能夠在時間上分辨出細微的多徑信號并將其進行加權調整合成加強的信號，使得CDMA系統(tǒng)能夠有效地分辨多徑信號并克服多徑衰落效應，保證了CDMA移動通信系統(tǒng)的高通話質量，提高了CDMA系統(tǒng)的性能。

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

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

[3]楊學志.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.第三代移動通信中RAKE接收技術研究[D].西安：西安電子科技大學,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

〔責任編輯 高彩云〕

1674-0874(2017)01-0029-03

2016-10-08

運城學院院級科研項目[CI-2015012]

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