擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中Rake接收性能仿真研究

摘要：在擴(kuò)頻通信中，Rake接收是抵抗多徑衰落的有效方法。本文首先介紹無(wú)線移動(dòng)通信的信道特性，然后對(duì)Rake接收的基本原理和接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述，并對(duì)Rake接收性能進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明，在多徑信道條件下，Rake接收方式能很好的改善接收系統(tǒng)誤碼性能；采用GOLD序列擴(kuò)頻比m序列擴(kuò)頻方式時(shí)，Rake接收方法性能提高的更明顯。
關(guān)鍵詞：多徑衰落；擴(kuò)頻通信；Rake接收機(jī)；誤碼性能

    在移動(dòng)通信中，移動(dòng)終端的天線通常采用無(wú)方向性的低增益天線，移動(dòng)終端接收來(lái)自各個(gè)方向的電磁波，并向各個(gè)方向發(fā)射電磁波。通過(guò)不同路徑到達(dá)接收天線的信號(hào)，由于路徑不同造成傳播時(shí)延的不同，各信號(hào)在接收天線處的相位不同，相同相位的信號(hào)互相疊加，使得信號(hào)得以加強(qiáng)，而相反相位的信號(hào)互相疊加，使得信號(hào)互相抵消。這種接收信號(hào)無(wú)規(guī)律的強(qiáng)弱起伏就是電波傳播中的多徑衰落。多徑衰落會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，為此采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)對(duì)抗衰落，分集接收技術(shù)就是減少多徑衰落的重要方法之一。
    分集有兩種含義：一是分散傳輸，使接收端獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的信號(hào)；二是集中處理，即接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并，以降低衰落的影響。多徑分集技術(shù)是用來(lái)補(bǔ)償衰落信道損耗的，因?yàn)樵谌我粫r(shí)刻，多個(gè)非相關(guān)的衰落信號(hào)同時(shí)處于深度衰落的概率極小，因此，一旦在多徑信號(hào)中選擇出兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行處理，接收機(jī)的瞬時(shí)信噪比和平均信噪比就可以得到改善。所以，分集就是有意識(shí)地分離多徑信號(hào)并適當(dāng)合并以提供接收信號(hào)的信噪比，降低多徑干擾。
    在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，由于信號(hào)頻段較寬，因此在時(shí)間上可以分離出比較細(xì)微的多徑信號(hào)，對(duì)分離出的多徑信號(hào)進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，使合成之后的信號(hào)得以增強(qiáng)，從而可在較大程度上降低多徑衰落信道所造成的負(fù)面影響。這種技術(shù)又稱(chēng)為Rake接收技術(shù)。
    文中首先介紹無(wú)線移動(dòng)通信的信道特征，然后對(duì)Rake接收的基本原理和接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，并在不同條件下對(duì)Rake接收系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：采用Rake接收技術(shù)能有效降低多徑衰落對(duì)通信信號(hào)的影響，降低誤碼率。

1 無(wú)線移動(dòng)通信信道
    移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)終端處于地形復(fù)雜的區(qū)域，其天線將接收從多條路徑傳播來(lái)的信號(hào)，再加上移動(dòng)終端自身可能在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得移動(dòng)終端和基站之間的無(wú)線信道多變且難以控制。
    移動(dòng)通信信道是一種時(shí)變信道。無(wú)線通信信號(hào)通過(guò)移動(dòng)通信時(shí)會(huì)受到各種形式的衰減損害。接收信號(hào)功率表示為：
    p(d)=d-n·S(d)·R(d)      (1)
    式中，d表示移動(dòng)終端與基站間的距離。
    式(1)是信道對(duì)傳輸信號(hào)作用的一般表示式。信號(hào)所經(jīng)歷的損耗有如下3類(lèi)：
    1)自由空間傳播損耗，用表示d-n，其中n一般取值為3～4；
    2)陰影衰落，用S(d)表示，制式由于傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對(duì)電波屏蔽所引起的衰落。一般服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其變化率較慢，是慢衰落損耗；
    3)多徑衰落，用R(d)表示，這是由于移動(dòng)傳播環(huán)境的多徑傳輸而引起的衰落，幅度一般服從瑞利分布或萊斯分布，其變化率較快，是快衰落損耗。
    在移動(dòng)通信傳播環(huán)境中，到達(dá)移動(dòng)終端天線的信號(hào)不是單一路徑到達(dá)的，而是許多路徑到達(dá)的眾多反射波的合成。這樣，接收信號(hào)的幅度將急劇變化，就產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由于多徑現(xiàn)象所引起的，稱(chēng)為多徑衰落。
    多徑效應(yīng)主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：
    1)經(jīng)過(guò)短距離或短時(shí)間傳播后信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生急劇變化；
    2)在不同的多徑信號(hào)上，存在著時(shí)變多普勒頻移引起的隨機(jī)頻率調(diào)制；
    3)多徑傳播試驗(yàn)引起信號(hào)的時(shí)域擴(kuò)展。

2 Rake接收的工作原理
    最早的Rake接收機(jī)概念是R．Price和P．E．Green在1958年提出的。Rake接收機(jī)的原理是采用一組相關(guān)接收機(jī)，各個(gè)接收機(jī)與同一期望信號(hào)的多徑分量之一進(jìn)行相關(guān)操作，根據(jù)各個(gè)相關(guān)輸出的相對(duì)強(qiáng)度加權(quán)后合成一個(gè)輸出，加權(quán)系數(shù)的選擇原則是使輸出信噪比最大化。
    Rake接收機(jī)的工作原理框圖如圖1所示。發(fā)射端發(fā)出的無(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)L+1條路徑到達(dá)接收端Rx。假設(shè)路徑0的距離最短，傳輸時(shí)延也最小，依次是路徑1，路徑2，…，時(shí)延時(shí)間最長(zhǎng)的是路徑L。通過(guò)檢測(cè)各路徑的相對(duì)時(shí)延差，以路徑0為參照標(biāo)準(zhǔn)，路徑1相對(duì)于路徑0的時(shí)延差為τ1，路徑2相對(duì)于路徑1的時(shí)延差為τ2，…，路徑L相對(duì)于路徑0時(shí)延差為τL，并且τL>τL-1>…>τ2>τ1。接收端解調(diào)后，送入L路并行相關(guān)器解擴(kuò)。通過(guò)位同步后，各相關(guān)器的本地碼分別為c1(t)，c1(t-τ2)，c2(t-τ2)，…，c1(t-τL)。信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)后送入積分器，并進(jìn)行加權(quán)合并，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決得到輸出信號(hào)。顯然，如果接收機(jī)只有一個(gè)相關(guān)器，一旦這個(gè)相關(guān)器的輸出被衰落擾亂，接收機(jī)將不可能校正該值，從而導(dǎo)致判決其出現(xiàn)大量誤判。而在Rake接收機(jī)中，如果某個(gè)相關(guān)器的輸出被衰落擾亂了，可由其它相關(guān)器支路做出補(bǔ)救，并且通過(guò)減小被擾亂支路的權(quán)重，降低其負(fù)面影響。由于Rake接收機(jī)提供了對(duì)L路信號(hào)良好的統(tǒng)計(jì)判決，因而它能有效地對(duì)抗多徑衰落。

    假定有L個(gè)相關(guān)器，每個(gè)相關(guān)器與其中一個(gè)多徑分量同步，即強(qiáng)相關(guān)，而與其它多徑分量弱相關(guān)，各個(gè)相關(guān)器的輸出分別被加權(quán)后相加，總的輸出信號(hào)為：
   
    其中c1(t-τi)為本地生成的相關(guān)碼并且τ1=0；ai(t)是加權(quán)系數(shù)，它根據(jù)對(duì)應(yīng)信號(hào)能量在總能量總所占比例確定；ri(t)為L(zhǎng)路多徑信號(hào)的分量之一。
    加權(quán)系數(shù)根據(jù)對(duì)應(yīng)信號(hào)能量在總能量中所占比例確定：
   
    其中j=1，2，…，L。式(3)表明加權(quán)系數(shù)ai(t)是自適應(yīng)可調(diào)的，當(dāng)某個(gè)相關(guān)器被衰落污染時(shí)，輸出能量減小，對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)值變小，對(duì)總輸出的作用減小，從而克服衰落影響，改善系統(tǒng)接收質(zhì)量。

3 Rake接收的誤碼率仿真
    輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，并采用周期長(zhǎng)度為128的m序列(或者GOLD碼序列)進(jìn)行擴(kuò)頻。對(duì)擴(kuò)頻后的信號(hào)進(jìn)行BPSK調(diào)制，并發(fā)送出去，信號(hào)在無(wú)線信道傳輸過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生信道衰落。接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行Rake合并(仿真采用了最簡(jiǎn)單的等增益合并方法)，合并結(jié)果輸入到BPSK基帶解調(diào)模塊中，最后進(jìn)行誤碼率統(tǒng)計(jì)。
    上述仿真圖顯示了在3條路徑情況下Rake接收與傳統(tǒng)接收之間誤碼率比較的曲線。其中實(shí)線表示延遲1和2個(gè)碼片情況下的誤碼率曲線，虛線表示延遲3和7個(gè)碼片情況下的誤碼率曲線，圓點(diǎn)是傳統(tǒng)接收的結(jié)果，方點(diǎn)是Rake接收的結(jié)果。

    仿真結(jié)果表明，相同條件下碼片延遲越大，接收端的誤碼率越大；相同條件下擴(kuò)頻倍數(shù)越高，接收端的誤碼率越?。幌嗤瑮l件下，GLOD序列擴(kuò)頻要比m序列擴(kuò)頻有更小的誤碼率值。在相同前提下，針對(duì)多徑衰落的信道環(huán)境，Rake接收方法要比傳統(tǒng)接收方法具有更小的誤碼率值；在GOLD序列擴(kuò)頻情況下，Rake接收比傳統(tǒng)接收方法性能上提高的更明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)
    Rake接收技術(shù)是一種對(duì)抗多徑衰落的重要技術(shù)，它通過(guò)將可分離的多徑信號(hào)按一定原則合并，從而把多徑信號(hào)中的能力收集起來(lái)。文中進(jìn)行了Rake接收與傳統(tǒng)接收的性能比較仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在相同前提下，Rake接收比傳統(tǒng)接收具有更小的誤碼率值；擴(kuò)頻倍數(shù)越高、延遲越小、信噪比越高，Rake接收的性能就越好，同時(shí)采用COLD碼序列擴(kuò)頻要比采用PN碼序列具有更好的Rake接收性能。