自相關(guān)信號(hào)的RAKE解調(diào)

曹 蕾 涂澤鑫 李 智

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

1 概述

短波多徑效應(yīng)一般指短波信號(hào)在空間傳播的時(shí)候，受電流層電波傳播信道的影響，導(dǎo)致同一信號(hào)分散成多個(gè)信號(hào)，并且到達(dá)接收端的時(shí)間不同，導(dǎo)致信號(hào)本身自相位相互疊加，信號(hào)質(zhì)量變差，甚至失真。為此，我們利用RAKE接收機(jī)技術(shù)，將接收機(jī)端接收到的多徑信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)自相關(guān)信號(hào)的特點(diǎn)，采用相關(guān)解擴(kuò)技術(shù)，將多徑進(jìn)行分離，并通過(guò)算法將多徑信號(hào)能量進(jìn)行合成，提高信號(hào)的質(zhì)量，提升信號(hào)的解調(diào)效率[1]。

2 信號(hào)分析

目前短波信號(hào)主要代表為3G-ALE信號(hào)，該類信號(hào)包含的波形分別是BW1、BW2、BW3、BW4、BW5等多種波形，其中大部分波形采用正交擴(kuò)頻8PSK調(diào)制，其自相關(guān)性較強(qiáng)。這類調(diào)制一般通過(guò)Walsh編碼、擾碼、映射等方式，調(diào)制到載波為1800Hz上[2]。假設(shè)n比特?cái)?shù)據(jù)通過(guò)映射，形成長(zhǎng)度為N符號(hào)的Walsh序列，在保證映射唯一性上，Walsh序列需要2n個(gè)，在保證信號(hào)符號(hào)同步和位同步的情況下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，需要2n個(gè)本地Walsh序列一起和信號(hào)數(shù)據(jù)做逐點(diǎn)滑動(dòng)的相關(guān)計(jì)算[1]。只有當(dāng)某個(gè)本地Walsh序列和信號(hào)數(shù)據(jù)序列一致時(shí)，根據(jù)Walsh序列的尖銳自相關(guān)峰特征，在這些2n個(gè)相關(guān)值中取得最大值，如圖1表示，最大值為自相關(guān)值，0為互相關(guān)值。

圖1 自相關(guān)序列

但是在現(xiàn)實(shí)情況中，由于短波傳輸通道中存在多徑效應(yīng)，每一徑上信號(hào)的碼元到達(dá)的時(shí)間是不同的，尤其是各徑上信號(hào)的相位不一致，導(dǎo)致在Walsh序列的尖銳相關(guān)峰不突出，無(wú)法正確解調(diào)，但是擴(kuò)頻碼具有良好的特性，尤其是自相關(guān)性，通過(guò)這一特性，可以通過(guò)特殊的方法將不同的路徑分離出來(lái)，在分離出各自的路徑后，可以在RAKE接收機(jī)上實(shí)現(xiàn)各個(gè)路徑的分離，然后在根據(jù)碼元同步的方式，將同一的路徑進(jìn)行合并，合并后的路徑無(wú)論是在信噪比還是在信號(hào)的能量上都比以前的信號(hào)要強(qiáng)，可以確保信號(hào)能正確解調(diào)。

3 多徑分析

為了更好地估計(jì)出多徑的情況，確保多徑信號(hào)相對(duì)于主要徑的信號(hào)的幅度、時(shí)延、同步等數(shù)據(jù)。其中需要解決信號(hào)的同步問(wèn)題，尤其是位同步的問(wèn)題，解決位同步可以確保信號(hào)在抽取的時(shí)候是最佳的時(shí)刻。此外，在解調(diào)的時(shí)候，需要解決信號(hào)的初始位同步碼，當(dāng)信號(hào)接收的時(shí)候，由于無(wú)法確定信號(hào)從哪個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的信號(hào)同步，確保那個(gè)時(shí)刻開(kāi)始是信號(hào)的真實(shí)開(kāi)始，從而確?；瑒?dòng)相關(guān)法能準(zhǔn)確地找到同步數(shù)據(jù)并開(kāi)始解調(diào)。

根據(jù)上述的要求，對(duì)于短波信號(hào)來(lái)說(shuō)，由于空間中存在散射和反射的情況，同一信號(hào)在經(jīng)過(guò)電離層傳輸后，會(huì)變成多個(gè)信號(hào)，其中信號(hào)存在強(qiáng)弱，當(dāng)然在某一個(gè)主要的方向上，信號(hào)的接收效果是最佳的，其信號(hào)的能量也是最大的，一般來(lái)說(shuō)我們將這一路信號(hào)當(dāng)作最佳的信號(hào)進(jìn)行抽取，而其他信號(hào)一般與實(shí)際的信號(hào)存在的時(shí)間差距不大，我們需要對(duì)這些徑的信號(hào)進(jìn)行處理，并抽取最佳的信號(hào)點(diǎn)，而對(duì)于時(shí)間差距大，且信號(hào)較弱的信號(hào)一般不予考慮。例如，短波信道中信號(hào)的時(shí)延一般在0.3ms-6ms之間，如果按照9600Hz的采樣率計(jì)算，信號(hào)速率小于3000波特，在6ms之間一般采樣點(diǎn)數(shù)小于60個(gè)，根據(jù)上述情況，一般我們?cè)诖_定初始的同步點(diǎn)后，對(duì)其前后60個(gè)點(diǎn)的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到127個(gè)相關(guān)值，通過(guò)對(duì)最大的值進(jìn)行處理，得到最佳的位同步。

4 Rake接收算法分析

RAKE接收機(jī)算法其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其基本原理是根據(jù)擴(kuò)頻序列尖銳相關(guān)特性，通過(guò)m個(gè)相關(guān)器使其多徑分離，然后對(duì)每一徑進(jìn)行延時(shí)和相位校正，并從中選取最佳的一徑作為參考，其他各徑在時(shí)間上與它同步，根據(jù)某一特性將多徑累加，得到最大能量值，從而將有害信號(hào)轉(zhuǎn)換成有利信號(hào)[2]。

圖2 Rake接收機(jī)框圖

多徑合并可以采用如下方法，假設(shè)分離后各徑的信號(hào)能量分別是f1(t)，f2(t)，...，fm(t)，則多徑合并起來(lái)后得到：

式中ai為加權(quán)系數(shù)。根據(jù)選取的加權(quán)系數(shù)的不同，可以分成3種合并方式，選擇式合并、等增益合并和最大比值合并，通過(guò)對(duì)比測(cè)試，性能最好的為最大比值合并，其加權(quán)系數(shù)ai為：

由上面的公式可以看出，當(dāng)加權(quán)系數(shù)與本路的噪聲功率Ni成反比時(shí)，且正比于本路信號(hào)幅度ui時(shí)，可以得到最大的合并輸出。考慮到在做信號(hào)估計(jì)處理的時(shí)候，已經(jīng)對(duì)多徑信號(hào)的幅度和延遲進(jìn)行了處理，這里可以將ai設(shè)置等于主徑的幅度，從而簡(jiǎn)化最大比值合并實(shí)現(xiàn)。一般情況下，考慮到信號(hào)多徑的路數(shù)與衰減程度成正比，與計(jì)算的復(fù)雜度成反比，這里只選取3個(gè)獨(dú)立徑作為考慮，在實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)模擬信號(hào)多徑分別乘以0.8，0.35和1，然后進(jìn)行多路合并，尋找最大值并開(kāi)展相關(guān)解調(diào)。

5 性能仿真

在充分考慮多徑的情況下，利用RAKE接收機(jī)算法對(duì)正交擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，為保證測(cè)試的效果，采取4種信噪比條件下的信號(hào)開(kāi)展對(duì)比，分別為5dB、8dB、10dB和15dB，在多徑選擇上面，考慮到信號(hào)在3徑后衰減非常明顯，這里選取用3徑作為標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)3GALE信號(hào)中傳輸信號(hào)BW3波形進(jìn)行解調(diào)測(cè)試，對(duì)比利用RAKE和不用RAKE算法兩種情況下的解調(diào)結(jié)果，其解調(diào)的誤碼率如圖3所示：

圖3 4種信噪比條件下的解調(diào)誤碼率

通過(guò)圖3可以得知，在信噪比較低的情況下，采用RAKE接收機(jī)算法可以降低誤碼率一半。

6 結(jié)語(yǔ)

短波通信中，多徑效應(yīng)往往會(huì)導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)質(zhì)量變差，嚴(yán)重的時(shí)候?qū)е滦盘?hào)相互干擾無(wú)法解調(diào)。本文中通過(guò)研究RAKE接收機(jī)技術(shù)，提出一種基于正交擴(kuò)頻8PSK信號(hào)的RAKE接收機(jī)解調(diào)技術(shù)研究和實(shí)現(xiàn)，從信號(hào)分析、信道估計(jì)、RAKE實(shí)現(xiàn)、仿真評(píng)估等多個(gè)方面開(kāi)展研究。最后在實(shí)際的信號(hào)解調(diào)測(cè)試效果中表明，在利用RAKE技術(shù)后同樣條件下解調(diào)效率將提高18%左右。

參考文獻(xiàn)：

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