| 标题 | 基于Matlab的CDMA RAKE接收机性能仿真 |
| 范文 | 李伟 张真 吕路静 摘 要： CDMA移动通信系统中，受到建筑物和地形地貌的影响，通信环境十分复杂，通信系统的通信质量受到严重影响。CDMA系统采用RAKE接收技术，它可以在时间上分辨出细微的多径信号，这样便把多径信号加以利用，克服了多径衰落带来的影响，达到增强接收效果的目的。在对RAKE接收机基础理论进行分析的基础上，采用Matlab仿真软件对不同用户状态下的RAKE接收机性能进行仿真，并对最大比合并、等增益合并、选择式合并这三种合并方式进行比较，给出仿真结果及误码率性能参数。然后，针对CDMA系统中RAKE接收机的性能进行建模仿真，仿真结果表明，CDMA系统中采用RAKE 接收机起到了抗多径干扰、提高系统性能的目的。 关键词： CDMA； RAKE接收技术； 多径信号； Matlab 中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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 移动通信系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，信号的传播过程中，受地面或水面反射和大气折射的影响，会产生多个经过不同路径到达接收机的信号，通过矢量叠加后合成时变信号，这种现象称作多径效应。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题，陆地无线移动信道中信号强度的骤然降低（衰落）是经常发生的，衰落深度可达30 dB。要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。 对模拟移动通信系统来说，多径效应引起接收信号的幅度发生变化；对于数字移动通信系统来说，多径效应引起脉冲信号的时延扩展，时延扩展将引起码间串扰（ISI），严重影响数字信号的传输质量[1]。在移动通信中多径衰落以瑞利（Rayleigh）衰落为主，他是移动台在移动中受到不同路径来的同一信号源的折射或反射等信号所产生，他的变化是随机的，因此只能用统计或概率的观点来定量描述。 本文用Matlab对CDMA系统中RAKE接收机性能进行仿真，建立了系统仿真模型，能够方便、形象地描绘CDMA系统及RAKE接收机的工作原理和过程。仿真结果证明了RAKE接收机解决多径效应的有效性，验证了理论的正确性，对进一步研究相关理论有着积极的作用，能够在模拟系统的过程中找出缺点和不足，并加以研究纠正，以便更好地应用到实际当中。可见，对RAKE接收机的性能进行仿真有重要的意义。 1 CDMA移动通信系统 1.1 CDMA系统理论基础 CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是在扩频通信技术上发展起来的一种成熟而先进的无线通信技术，最早由美国高通公司推出，CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。 CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号用各自不同的编码序列（波形）来区分。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。CDMA利用展频通信技术，可以减少手机之间的干扰，增加用户的容量，而且手机的发射功率可以做得比较低，降低了电磁波辐射对人的伤害。就安全性能而言，CDMA有良好的认证体制，而且具有用码来区分用户的传输特性，防盗听能力大大增强。 1.2 CDMA系统基本原理 CDMA系统的原理是：将待传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 1.3 CDMA系统特点 CDMA是扩频通信的一种，他具有很强的抗干扰能力；可实现多用户同时发送和接收，由于采用宽带传输，功率谱密度很低，这样既可以防止其他信道的干扰，又可以防止干扰其他信道，因此具有很好的隐蔽性，抗衰落能力强。CDMA系统具有的优点如下：系统容量大，配置灵活；软容量；低的发射功率和高的话音质量；频率规划简单，建网成本低；网络绿色环保，保密性强。 2 RAKE接收机技术 2.1 分集接收技术 分集接收是指接收端对收到的多个衰落特性相互独立的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。研究的是如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性。它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域及空域中，如何分散开又如何收集起来的技术[2]。分集技术包含两层含义： （1） 分散传输，使接收端获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号。 （2） 接收机把收到的多个衰落信号进行合并，以降低多径效应的影响。 2.2 RAKE接收机基本原理 一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机变害为利，利用多径现象来增强信号，CDMA移动通信系统中，信道带宽远远大于信道的相关带宽，不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性，这样，在无线信道传输中出现的时延扩展，可以被看作只是被传信号的再次传送，如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片周期，那么它们就可看作是互不相关的[3]。 RAKE接收机包含多个相关器，每个相关器接收多路信号中的一路，各相关接收机与被接收信号的一个延迟形式相关，通过多个相关检测器，检测多径信号中最强的[N]个支路信号，然后对每个相关器的输出进行加权求和，以提供优于单路相关器的信号检测，然后在此基础上进行解调和判决。简化的RAKE接收机框图如图1所示。 2.3 CDMA系统中RAKE接收机的实现 RAKE接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比，其实RAKE接收机所作的就是通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号并把它们合并在一起，图2所示为一个RAKE接收机的实现框图，它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器，其理论基础就是当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可以看作是互不相关的[4]。 带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器，它由两个相关器（早和晚）组成，迟早门和解调相关器分别相差[±12]或[14]个码片，迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位，延迟环路的性能取决于环路带宽[5]。 3 CDMA RAKE接收机性能仿真 3.1 程序流程及仿真过程分析 3.1.1 程序流程 首先对仿真程序的流程进行分析，RAKE接收机仿真流程图如3所示。 3.1.2 仿真过程 （1） 初状态设定 本设计将比较不同用户下的多径接收误码率，设用户数为Numbers，先后设定为1，5，10和16；设定数据长度为8 000，即数据源为Numbers行8 000列矩阵；信噪比变化范围从0～35，间隔为3；以三径代表多径，其功率因子分别设为[59，][39，][19；]各径初始误比特率都设为0。 扩频因子与该阶Walsh码数量及该阶扩频码的码片长度相等。因为程序仿真中采用16位Walsh扩频码，所以设定扩频因子为16。假设每条径之间延时半个码片，为了进行仿真，对Walsh码进行扩展，每个码字重复一次，则长度扩展为32位，如[1 1 0]扩展为[1 1 1 1 0 0]。 （2） 产生数据源 程序仿真需要产生相应大小的数据矩阵，因此用randsrc命令随机产生值为+1和-1的大小为（Numbers*数据长度）的矩阵。 （3） 扩频产生发送信号 用Walsh函数矩阵对数据矩阵进行扩频，并把扩频后的输出重复两次（有利于下面的延迟），得到第一径信号，对第一径信号进行两次延迟，分别得到第二和第三径信号。 （4） 采用三种合并方式 采用最大比值合并时，需要计算出每径的加权系数。首先计算出每一路径的信号功率，然后把每一路径的功率与所有路径功率的比值作为该路径的加权系数，得到最大比值合并器的输出信号包络；采用等增益合并时，只需将解扩后的各径信号相加即可；采用选择式合并时，直接通过循环检测，比较解扩后的信号的大小，得到信噪比最高的那一个支路作为合并器输出[3]。 3.2 CDMA系统中RAKE接收机性能仿真 在这里，只是在一种较为简单的配置条件下对CDMA系统中传统RAKE接收机进行建模和仿真，对于RAKE接收机原理框图中的多径搜索和信道估计部分，用理想的指峰位置和理想的信道估计来取代，系统仿真模型如图4所示。 假设每个用户都用（+1，-l，+l，-1，…）序列进行扩频，但采用不同的扰码，I路和Q路所用的扰码采用一个长周期Gold序列的截断序列来实现，其序列最大长度设定为38 400。扰码和扩频码共同构成了区分数据流的签名序列。RAKE接收部分采用约束度为9的卷积码，用户数Nuser设定为3（可调整），信噪比SNR_db=0[∶]25，仿真得到误码率和误码块率。 CDMA系统中RAKE接收机性能仿真曲线图如图5所示。 由图5分析可知，CDMA系统使用RAKE接收机技术可有效降低误码率，抵抗多径效应，而且，随着信噪比的增强，误码块率迅速降低，由此可知，RAKE接收机技术可以提高CDMA系统的性能。 4 结 论 RAKE接收机可以有效降低误码率，克服多径效应，是一种有效的多径分集方式，通过仿真可知，采用三种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系统使用特有的RAKE接收机技术，可以在不增加设备增益的情况下克服多径衰落对通信带来的影响，提高系统性能。本文是对传统的RAKE接收机的性能进行仿真，它把其他用户的信号作为干扰来对待，不能抵抗CDMA系统的固有干扰，即多址干扰，为了进一步提高系统性能，可将RAKE接收技术和其他技术相结合，如与多用户检测、多径干扰相消等技术相结合。 参考文献 [1] 曹志刚，钱亚生.现代通信原理[M].北京：清华大学出版社，2005. [2] 高明华，邹丹.WCDMA系统中RAKE接收技术的研究[J].大众科技，2007（12）：53?54. [3] 刘涛.第三代移动通信中RAKE接收技术研究[D].西安：西安电子科技大学，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] 聂景楠，尤肖虎，程时昕，等.IS?95基站RAKE接收机的设计与实现[J].通信学报，2002，30（3）：10?13. [6] 姚丽娜，周围，何忠勇.CDMA系统中2?D RAKE接收机的性能研究[J].现代电子技术，2009，32（19）：7?9. |
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