基于Simulink的Rake接收機(jī)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘"要：本文基于Simulink平臺(tái)搭建以Rake接收機(jī)技術(shù)為核心的通信系統(tǒng)仿真模型，并通過對(duì)該模型得出的仿真結(jié)果分析來判斷該直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是否完善。通過改變擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度的一系列數(shù)據(jù)來判斷該Rake接收機(jī)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，依靠誤比特率和信噪比的對(duì)比圖像來判斷合并方式的區(qū)別。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)接收到受到信道干擾的信號(hào)時(shí)會(huì)抑制該信號(hào)受到的干擾或噪聲，該結(jié)果保證直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。不同的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)影響不大，在不同的合并方式條件下，系統(tǒng)誤碼率存在偏差。

關(guān)鍵詞：Rake接收機(jī)；Simulink；CDMA移動(dòng)通信技術(shù)；直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)；分集接收

隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，由于城市的高樓大廈和自然地形地貌的影響，信號(hào)在無線的傳播中容易受到阻擋甚至被反射，這使得接收信號(hào)容易出現(xiàn)時(shí)延、頻率和角度擴(kuò)展等現(xiàn)象［13］。由于信號(hào)在傳輸過程中可能會(huì)遇到不同的路徑長(zhǎng)度，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的相位和幅度發(fā)生變化，從而影響接收到的信號(hào)質(zhì)量。與常規(guī)分集技術(shù)不同，Rake接收機(jī)技術(shù)并未將多徑信號(hào)視為干擾進(jìn)行抑制［46］，而是巧妙地將其轉(zhuǎn)化為有益因素，利用這些信號(hào)來增強(qiáng)整體的信號(hào)強(qiáng)度。

本文是基于Rake接收機(jī)的工作原理，利用Simulink平臺(tái)，搭建出一種運(yùn)用了Rake接收機(jī)技術(shù)的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，仿真分析Rake接收系統(tǒng)通信的可靠性。在此基礎(chǔ)上，分析不同的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度、合并方式對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。

1"Rake接收機(jī)技術(shù)

Rake接收機(jī)的工作機(jī)制依賴于其內(nèi)部配置的多個(gè)相關(guān)器。每個(gè)相關(guān)器都設(shè)置有與多徑信號(hào)中不同路徑時(shí)延分量相匹配的本地?cái)U(kuò)頻碼時(shí)延分量。通過利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，這些相關(guān)器能夠區(qū)分并分離出相互獨(dú)立、互不干擾的多徑信號(hào)［78］。這種設(shè)計(jì)使得Rake接收機(jī)能夠有效地應(yīng)對(duì)多徑干擾，提高信號(hào)接收的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。所以當(dāng)該Rake接收機(jī)有L個(gè)相關(guān)器時(shí)，其中i表示該Rake接收機(jī)的第幾條路徑。各個(gè)相關(guān)器的輸出經(jīng)過加權(quán)后同向相加，總的輸出信號(hào)就是：

y（t）=∑Li=1zi（t）wi（t）（1）

其中wi（t）表示Rake接收機(jī)的增益系數(shù)，而zi（t）則表示Rake接收機(jī)中多徑信號(hào)經(jīng)過各相關(guān)器后的輸出。

多徑信號(hào)在選擇不同的加權(quán)系數(shù)時(shí)會(huì)構(gòu)成不同的合并方式，該如何調(diào)整各相互獨(dú)立路徑的時(shí)延是系統(tǒng)中多徑信號(hào)合并時(shí)所要解決的首要問題［910］。一路信號(hào)的組成通常都有著一定的規(guī)律，而經(jīng)常采用的合并方式有最大比合并、選擇式合并以及等增益合并；而在最大比合并的情況下，其中增益系數(shù)wi（t）是由相應(yīng)的多徑信號(hào)能量在總能量中所占比例來決定的，由此可得：

wi=z2i（t）∑Li=1z2i（t）（2）

2"直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真建模

2.1"直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，其中，信號(hào)發(fā)射端由信息源、擴(kuò)頻碼生成器、調(diào)制器組成，由信息源產(chǎn)生輸入信號(hào)，由擴(kuò)頻碼生成器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列發(fā)生器。

另外，圖1中的信道模塊由高斯信道和正弦信號(hào)發(fā)生器組成，模擬實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的信道干擾；接收端則靠Rake接收機(jī)來替代，經(jīng)過處理后為輸出信號(hào)；調(diào)制器和解調(diào)器皆采用BPSK調(diào)制；添加比較模塊，由誤碼率比較器組成，比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)；添加數(shù)據(jù)模塊，顯示仿真時(shí)間和采樣時(shí)間；添加示波器模塊，顯示基帶信號(hào)、擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)、基帶數(shù)據(jù)信號(hào)、信道干擾前后的信號(hào)波形、解擴(kuò)后的恢復(fù)波形；添加延遲模塊，實(shí)現(xiàn)濾波器的作用。

2.2"直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的Simulink建模

根據(jù)圖2，Random"Integer（隨機(jī)整數(shù)生成器）模塊作為信號(hào)源發(fā)生器，生成范圍為［0，2］的隨機(jī)均勻分布整數(shù)作為基帶脈沖信號(hào)，產(chǎn)生PN碼作為擴(kuò)頻碼，將兩者通過Unipolar"to"Bipolar"Converter模塊將單極性信號(hào)（Unipolar）轉(zhuǎn)換為雙極性信號(hào)（Bipolar），再將其通過乘法器模塊疊加，產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)信號(hào)。

采用BPSK模塊作為基帶調(diào)制和解調(diào)器，將通過乘法器疊加后的信號(hào)通過Bipolar"to"Unipolar"Converter模塊，將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)。將產(chǎn)生的單極性信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后接入AWGN（加性高斯白噪聲）模塊，對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行干擾模擬，以檢測(cè)和驗(yàn)證系統(tǒng)在不同信噪比下的性能表現(xiàn)。

依靠Sine"Wave模塊產(chǎn)生正弦波信號(hào)作為干擾碼，將通過Sum模塊得到的總和信號(hào)視為輸入信號(hào)，引入Rake接收機(jī)模組，通過處理產(chǎn)生輸出信號(hào)。進(jìn)行BPSK解調(diào)，解調(diào)后將該信號(hào)再次通過Bipolar"to"Unipolar"Converter模塊進(jìn)行極性轉(zhuǎn)化，之后和Random"Integer模塊的信號(hào)接入誤碼率比較模塊，來判斷Rake接收機(jī)在該直接擴(kuò)頻系統(tǒng)中的影響。將誤碼率比較模塊的輸出信號(hào)輸入顯示模塊中，顯示仿真結(jié)果和調(diào)試信息。

3"RAKE接收機(jī)性能仿真及結(jié)果分析

3.1"參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)仿真參數(shù)如下表所示，Rake接收機(jī)的信號(hào)源采用16位Walsh擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻因子為16，多徑傳播的路徑取3徑，每條路徑之間的延時(shí)為1/2，信噪比從0到30，步長(zhǎng)為1，發(fā)射的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為100000。

3.2"仿真分析

（1）分析/驗(yàn)證Rake接收系統(tǒng)通信的可靠性。

由圖3、圖4、圖5可知，該圖第一路信號(hào)為基帶信號(hào)，第二路為基帶信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制及信道干擾后并通過Rake接收機(jī)模組和BPSK解擴(kuò)后的信號(hào)?？梢悦黠@看出兩路信號(hào)的頻譜和振幅完全相同，這說明了Rake接收機(jī)模組接收到受到信道干擾的信號(hào)時(shí)，會(huì)抑制該信號(hào)受到的干擾或噪聲，從而提高接收信號(hào)的質(zhì)量和可靠性，該結(jié)果保證了該直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）不同的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度以及不同的合并方式條件下，對(duì)于系統(tǒng)誤碼率的影響。從仿真過程中來看，可以明顯看出PN序列碼的長(zhǎng)度雖然會(huì)影響到PN碼的周期和頻率，但是由于其帶寬不變，與基帶信號(hào)通過乘法器的運(yùn)算和BPSK調(diào)制后的擴(kuò)頻調(diào)制波形沒有太大的變化，且修改白噪聲干擾對(duì)系統(tǒng)信號(hào)波形產(chǎn)生的變化也是微乎其微。

圖6"三種分集合并方式的性能比較

Rake接收機(jī)不同合并方式的性能比較如圖6所示，可以看出，當(dāng)信噪比的數(shù)值逐漸遞增時(shí)，誤比特率明顯可以看出在逐漸遞減。其中，最大比合并的隨信噪比遞增而誤比特率遞減的趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等增益合并和選擇式合并，說明了最大比合并的性能要優(yōu)于等增益合并和選擇式合并。當(dāng)然，選擇哪種合并方式都要基于當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況來抉擇。

結(jié)語(yǔ)

本文搭建運(yùn)用Rake接收機(jī)技術(shù)的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型，包含了信源、調(diào)制、輸出、信道、接收、解調(diào)和誤比特率統(tǒng)計(jì)等模塊，進(jìn)行仿真驗(yàn)證了模型的完整性。通過修改系統(tǒng)PN擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度、多徑信道的信噪比后，發(fā)現(xiàn)都無法對(duì)Rake接收機(jī)性能產(chǎn)生影響；在保證Rake接收機(jī)其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)比三種不同的分集合并方式發(fā)現(xiàn)，采用最大比合并的Rake接收機(jī)會(huì)比采用等增益合并和選擇式合并的性能好。選擇式合并的性能最差，但實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，最大比合并的性能最好，實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜。

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作者簡(jiǎn)介：林臻（1995—"），男，漢族，福建莆田人，碩士研究生，助教，研究方向：自動(dòng)化；余體學(xué)（2002—"），男，漢族，福建莆田人，本科，研究方向：通信工程。