基于Matlab的CDMA RAKE接收機性能仿真

李偉　張真　呂路靜

摘 要： CDMA移動通信系統中，受到建筑物和地形地貌的影響，通信環境十分復雜，通信系統的通信質量受到嚴重影響。CDMA系統采用RAKE接收技術，它可以在時間上分辨出細微的多徑信號，這樣便把多徑信號加以利用，克服了多徑衰落帶來的影響，達到增強接收效果的目的。在對RAKE接收機基礎理論進行分析的基礎上，采用Matlab仿真軟件對不同用戶狀態下的RAKE接收機性能進行仿真，并對最大比合并、等增益合并、選擇式合并這三種合并方式進行比較，給出仿真結果及誤碼率性能參數。然后，針對CDMA系統中RAKE接收機的性能進行建模仿真，仿真結果表明，CDMA系統中采用RAKE 接收機起到了抗多徑干擾、提高系統性能的目的。

關鍵詞： CDMA； RAKE接收技術； 多徑信號； Matlab

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

移動通信系統中，移動臺處于城市建筑群之中或處于地形復雜的區域，信號的傳播過程中，受地面或水面反射和大氣折射的影響，會產生多個經過不同路徑到達接收機的信號，通過矢量疊加后合成時變信號，這種現象稱作多徑效應。對于移動通信來說，惡劣的信道特性是不可回避的問題，陸地無線移動信道中信號強度的驟然降低（衰落）是經常發生的，衰落深度可達30 dB。要在這樣的傳播條件下保持可以接受的傳輸質量，就必須采用各種技術措施來抵消衰落的不利影響。

對模擬移動通信系統來說，多徑效應引起接收信號的幅度發生變化；對于數字移動通信系統來說，多徑效應引起脈沖信號的時延擴展，時延擴展將引起碼間串擾（ISI），嚴重影響數字信號的傳輸質量[1]。在移動通信中多徑衰落以瑞利（Rayleigh）衰落為主，他是移動臺在移動中受到不同路徑來的同一信號源的折射或反射等信號所產生，他的變化是隨機的，因此只能用統計或概率的觀點來定量描述。

本文用Matlab對CDMA系統中RAKE接收機性能進行仿真，建立了系統仿真模型，能夠方便、形象地描繪CDMA系統及RAKE接收機的工作原理和過程。仿真結果證明了RAKE接收機解決多徑效應的有效性，驗證了理論的正確性，對進一步研究相關理論有著積極的作用，能夠在模擬系統的過程中找出缺點和不足，并加以研究糾正，以便更好地應用到實際當中。可見，對RAKE接收機的性能進行仿真有重要的意義。

1 CDMA移動通信系統

1.1 CDMA系統理論基礎

CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）是在擴頻通信技術上發展起來的一種成熟而先進的無線通信技術，最早由美國高通公司推出，CDMA技術的出現源自于人類對更高質量無線通信的需求。

CDMA通信系統中，不同用戶傳輸信息所用的信號用各自不同的編碼序列（波形）來區分。接收機用相關器可以在多個CDMA信號中選出其中使用預定碼型的信號。其他使用不同碼型的信號因為和接收機本地產生的碼型不同而不能被解調。CDMA利用展頻通信技術，可以減少手機之間的干擾，增加用戶的容量，而且手機的發射功率可以做得比較低，降低了電磁波輻射對人的傷害。就安全性能而言，CDMA有良好的認證體制，而且具有用碼來區分用戶的傳輸特性，防盜聽能力大大增強。

1.2 CDMA系統基本原理

CDMA系統的原理是：將待傳送的具有一定信號帶寬的信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。

1.3 CDMA系統特點

CDMA是擴頻通信的一種，他具有很強的抗干擾能力；可實現多用戶同時發送和接收，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。CDMA系統具有的優點如下：系統容量大，配置靈活；軟容量；低的發射功率和高的話音質量；頻率規劃簡單，建網成本低；網絡綠色環保，保密性強。

2 RAKE接收機技術

2.1 分集接收技術

分集接收是指接收端對收到的多個衰落特性相互獨立的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。研究的是如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸的可靠性。它也是一項研究利用信號的基本參量在時域、頻域及空域中，如何分散開又如何收集起來的技術[2]。分集技術包含兩層含義：

（1） 分散傳輸，使接收端獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號。

（2） 接收機把收到的多個衰落信號進行合并，以降低多徑效應的影響。

2.2 RAKE接收機基本原理

一般的分集技術把多徑信號作為干擾來處理，而RAKE接收機變害為利，利用多徑現象來增強信號，CDMA移動通信系統中，信道帶寬遠遠大于信道的相關帶寬，不同于傳統的調制技術需要用均衡算法來消除相鄰符號間的碼間干擾，CDMA擴頻碼在選擇時就要求它有很好的自相關特性，這樣，在無線信道傳輸中出現的時延擴展，可以被看作只是被傳信號的再次傳送，如果這些多徑信號相互間的延時超過了一個碼片周期，那么它們就可看作是互不相關的[3]。

RAKE接收機包含多個相關器，每個相關器接收多路信號中的一路，各相關接收機與被接收信號的一個延遲形式相關，通過多個相關檢測器，檢測多徑信號中最強的[N]個支路信號，然后對每個相關器的輸出進行加權求和，以提供優于單路相關器的信號檢測，然后在此基礎上進行解調和判決。簡化的RAKE接收機框圖如圖1所示。

2.3 CDMA系統中RAKE接收機的實現

RAKE接收機可以通過合并多徑信號來改善接收信號的信噪比，其實RAKE接收機所作的就是通過多個相關檢測器接收多徑信號中的各路信號并把它們合并在一起，圖2所示為一個RAKE接收機的實現框圖，它是專為CDMA系統設計的經典的分集接收器，其理論基礎就是當傳播時延超過一個碼片周期時，多徑信號實際上可以看作是互不相關的[4]。

帶DLL的相關器是一個具有遲早門鎖相環的解調相關器，它由兩個相關器（早和晚）組成，遲早門和解調相關器分別相差[±12]或[14]個碼片，遲早門的相關結果相減可以用于調整碼相位，延遲環路的性能取決于環路帶寬[5]。

3 CDMA RAKE接收機性能仿真

3.1 程序流程及仿真過程分析

3.1.1 程序流程

首先對仿真程序的流程進行分析，RAKE接收機仿真流程圖如3所示。

3.1.2 仿真過程

（1） 初狀態設定

本設計將比較不同用戶下的多徑接收誤碼率，設用戶數為Numbers，先后設定為1，5，10和16；設定數據長度為8 000，即數據源為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，其功率因子分別設為[59，][39，][19；]各徑初始誤比特率都設為0。

擴頻因子與該階Walsh碼數量及該階擴頻碼的碼片長度相等。因為程序仿真中采用16位Walsh擴頻碼，所以設定擴頻因子為16。假設每條徑之間延時半個碼片，為了進行仿真，對Walsh碼進行擴展，每個碼字重復一次，則長度擴展為32位，如[1 1 0]擴展為[1 1 1 1 0 0]。

（2） 產生數據源

程序仿真需要產生相應大小的數據矩陣，因此用randsrc命令隨機產生值為+1和-1的大小為（Numbers*數據長度）的矩陣。

（3） 擴頻產生發送信號

用Walsh函數矩陣對數據矩陣進行擴頻，并把擴頻后的輸出重復兩次（有利于下面的延遲），得到第一徑信號，對第一徑信號進行兩次延遲，分別得到第二和第三徑信號。

（4） 采用三種合并方式

采用最大比值合并時，需要計算出每徑的加權系數。首先計算出每一路徑的信號功率，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系數，得到最大比值合并器的輸出信號包絡；采用等增益合并時，只需將解擴后的各徑信號相加即可；采用選擇式合并時，直接通過循環檢測，比較解擴后的信號的大小，得到信噪比最高的那一個支路作為合并器輸出[3]。

3.2 CDMA系統中RAKE接收機性能仿真

在這里，只是在一種較為簡單的配置條件下對CDMA系統中傳統RAKE接收機進行建模和仿真，對于RAKE接收機原理框圖中的多徑搜索和信道估計部分，用理想的指峰位置和理想的信道估計來取代，系統仿真模型如圖4所示。

假設每個用戶都用（+1，-l，+l，-1，…）序列進行擴頻，但采用不同的擾碼，I路和Q路所用的擾碼采用一個長周期Gold序列的截斷序列來實現，其序列最大長度設定為38 400。擾碼和擴頻碼共同構成了區分數據流的簽名序列。RAKE接收部分采用約束度為9的卷積碼，用戶數Nuser設定為3（可調整），信噪比SNR_db=0[∶]25，仿真得到誤碼率和誤碼塊率。

CDMA系統中RAKE接收機性能仿真曲線圖如圖5所示。

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

4 結 論

RAKE接收機可以有效降低誤碼率，克服多徑效應，是一種有效的多徑分集方式，通過仿真可知，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系統使用特有的RAKE接收機技術，可以在不增加設備增益的情況下克服多徑衰落對通信帶來的影響，提高系統性能。本文是對傳統的RAKE接收機的性能進行仿真，它把其他用戶的信號作為干擾來對待，不能抵抗CDMA系統的固有干擾，即多址干擾，為了進一步提高系統性能，可將RAKE接收技術和其他技術相結合，如與多用戶檢測、多徑干擾相消等技術相結合。

參考文獻

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