1、1.1 移动信道的多径传播特性 - 2 -1.2 扩频技术 - 2 -1.3 RAKE接收机的由来 - 3 -第2章 RAKE接收机基本原理 - 4 -2.1 分集技术 - 4 -2.2 合并方式 - 5 -2.3 RAKE接收机的关键技术 - 7 -2.4 RAKE接收机的基本原理 - 10 -第3章 RAKE接收机的MATLAB编程与仿真 - 13 -3.1 MATLAB语言的介绍 - 13 -3.2 蒙特卡洛仿真模型 - 14 -3.3 程序流程 - 14 -3.4 MATLAB程序 - 15 -第4章 仿真结果及分析 - 18 -4.1 单用户RAKE接收机误码性能仿真 - 18 -参
2、考文献 - 19 -总 结 - 20 -前 言进入二十世纪，以码分多址（CDMA）技术为基础的第三代移动通信系统的开发成为通信领域中最热门的话题。第三代移动通信追求极大的通信容量，极好的通信质量和极高的频谱利用率。然而，在复杂的无线通信环境和有限的频率资源中实现这个目标，主要受到三个客观存在因素的限制：多径衰落、时延扩展以及多址干扰。在CDMA通信系统中，由于发送信号占用较宽的频谱资源，因而可以分辨出时间延迟存在细微差别的多径信号，利用这一特点，尽可能多地接收来自不同路径的信号，并按一定方式合并多径信号，以增加接收信号电平，克服多径衰落信道所造成的不良影响，这就是Rake多径分集接收的设计思想
3、。随着无线通信中扩频技术、智能天线技术和现代信息处理技术的不断变化发展，RAKE接收技术成为了第三代移动通信系统中的一项重要技术。掌握RAKE接收机原理和技术有助于培养学生综合分析问题的能力，成为学习系统设计、巩固理论知识的最有效途径，对培养学生学习兴趣、提高综合素质具有非常重要的作用。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，在选择CDMA扩频码时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作是信号的再次传送。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。基于以上原理，RAKE接收技术实际上是一种多径
4、分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。利用该特性，RAKE接收机可实现分集接收，达到抗多径干扰和抗衰落的目的。第1章 绪论1.1 移动信道的多径传播特性多径效应：在移动传播环境中，移动台天线接收的信号不是来自单一路径，而是来自许多路径的众多反射波的合成，这种现象称作多径效应。多径衰落：在微波信号的传播过程中,由于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。多径衰落可分为平衰落和频率选择性衰落。多径时延扩展：由于多径引起的接收信号脉冲的宽度扩展现象，扩展的时间是最大
5、传输时延和最小传输时延的差值。时延扩展随环境、地形、地物的状况而不同，一般与频率无关。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。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。1.2 扩频技术扩频技术是一种信息处理传输技术。扩频技术是利用同域传输数据（信息）无关的码对被传输信号扩展频谱，将信号调制到多个载波频率的技术。使之占有
6、远远超过被传送信息所必需的最小带宽。扩频技术可以提供更安全的传输，并可降低干扰，提高频带的利用率。利用扩频技术对时钟频率加入抖动处理，使发射频率不再集中在一个频点，还可以降低电磁干扰。扩频信号具有以下三个特性：（1） 扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；（2） 扩频信号带宽远大于欲传输数据（信息）带宽；（3） 接收机中必须有与宽带载波同步的副本。补充：传输信息时所用信号带宽远大于传输些信息所需最小带宽的一种信号处理技术。发射端展宽频带是用独立于所传数据的码来实现，接收端用同步的相同码解扩以恢复所传数据。扩频的基本方法有：直接序列（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）和线性调频（Chirp）等4
7、种。目前人们所熟知的新一代手机标准CDMA就是直接序列扩频技术的一个应用。而跳频、跳时等技术则主要应用于军事领域，以避免己方通信信号被敌方截获或者干扰。扩频的主要特点为：抗干扰，抗多径衰落，低截获概率，码分多址能力，高距离分辨率和精确定时特性等。1.3 RAKE接收机的由来 RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输可靠性的技术。它也是研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。为了在接收端得到几乎相互独
8、立的不同路径，可以通过空域、时域、频域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现。分集接收中，在接收端从N个不同的独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。合并时采用的准则和方式主要可以分为三种：最大比值合并、等增益合并、选择式合并等。1956年，Prcie和Green提出了具有抗多径衰落的RAEK接收机概念：1937年，Forney提出的基于已知信道特性的最大似然序列检测器（MLSD），这是一种最优的单用户接收机。美国QUALCOMM公司在80年代坚持研究DS-CDMA技术，1989年，QUALCOMM公司进行了首次CDMA实验。验证了DS扩频信号波形非常适合多径信道的
9、传输，以及RAKE接收机、功率控制和软切换等CDMA的关键技术。在1996年推动了窄带CDMA IS-95商用运行，让RAKE接收机产业化，同时也推动了RAKE接收技术的长足发展。第2章 RAKE接收机基本原理2.1 分集技术分集接收技术是一种重要的对抗多径衰落的技术。使用分集接收技术的前提是系统的多径分量的衰落相互独立。同一通信系统中，可以同时采用多种分集方式以减小误码率。RAKE接收机就是通过将可分离的多径按其强度成比例合并，从而把多径中的能量收集起来。而多径分集是一种最早用于电离层短波信道上抗多径衰落的分集接收方式。由于它利用了伪随机码作为传送波，故抗正弦波干扰相当有效。在对流层散射通信
10、系统中，当通信距离远（如400km以上）和数字信息速率不太高（小于1Mb/s）时，使用这种分集方式是十分适宜的。这是因为：收端只需要用一副天线和一部接收机，因而设备成本和重量与一般频率分集差不多。通信距离比一般分集方式相对要远些。其它分集一般用于400km以下，而多径分集则需要400km以上，否则反而发挥不了它的作用，因为通信距离短时，多径的相对延时差小，可能分离出来的射束也就少了，分集效果就差了。由于采用了伪随机码作为传送波，因而系统的保密性能比较好，收端同步也比较容易实现。不像频率分集那样存在功率分散现象。发射机的功率也可以充分加以利用，这是因为发射管可工作在饱和状态，效率高。多径分集的缺
11、点在于单位频带的信息速率相当低，因而适用于中等信息速率的场合。诚然，采用多元制可提高信息速率，但设备就变得复杂多了。1、空间分集 （1） 利用不同接收地点（空间）收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。（2） 空间分集的基本结构为：发端一副天线发送，收端N部天线接收。（3） 接收天线之间的距离d足够大，大于相干距离R。（4 ）分集天线数N越大，分集效果越好，但是不分集与分集差异很大，属于质变。分集增益正比于分集的数量N，其改善是有限的，属于量变，且改善程度随分集数量的增加而减少。工程上折衷，一般取N=24。（5） 空间分集还有两类变化形式：极化分集：它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线
12、发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收，即在收发端天线上安装水平、垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。优点：结构紧凑、节省空间；缺点：由于发射功率要分配到两幅天线上，因此有3dB的损失；角度分集：由于地形、地貌、接收环境的不同，使得到达接收端的不同路径的信号可能来自不同的方向，这样在接收端可以采用方向性天线，分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。2、频率分集（1） 将待发送的信息分别调制到不同的载波上发送至信道。（2） 不同的载波之间的间隔足够大，大于频率相干带宽F。（3） 频率分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线与相应
13、设备的数目；缺点是占用更多的频谱资源，有可能在发端要采用多部发射机。3、时间分集 （1） 对于一个随机衰落信号，如果取样时间间隔足够大时，两个样点间的衰落互不相关的，利用这一特性可以构成时间分集。（2） 将待发送的信号每隔一定时间间隔重复发送，在接收端就可以得到N条独立的分集支路。（3） 在时域上时间间隔t应大于相干时间T。时间分集对于处于静止状态的移动台是无用的。（4） 时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线的数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。2.2 合并方式 1、最大比值合并图2-1 最大比合并原理图在接收端有N个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同
14、相相加，再送入检测器进行合并。利用切比雪夫不等式，可以证明当可变增益加权系数Gi=Ai/2时，分集合并后的信噪比达到最大值。其中Ai表示第i个分集支路的信号幅度；2表示每支路的噪声功率，且i=1，2，3，n。合并后的输出为 （2-1）可见信噪比越大，对合并后信号贡献越大。最大比合并后的平均输出信噪比 （2-2）其中表示最大比合并后的平均输出信噪比；表示合并前每个支路的平均信噪比；n表示分集支路数目，即分集重数。合并增益为： （2-3）可见合并增益与分集支路数N成正比。2、等增益合并在上述最大比合并中，取增益相等后再取平均值即为等增益合并。等增益合并后的平均输出信噪比为 （2-4）等增益合并的合
15、并增益为 （2-5）当N较大时，等增益合并与最大比值合并相差不多。等增益合并实现比较容易，设备也简单。3、选择式合并选择式合并与最大比值合并的区别就是将相加器变为选择器。接收端有N个分集支路的接收机，根据选择逻辑选出其中具有最大信噪比的某一路作为输出。综合上述三种方法，等增益合并的优点是实现比较简单；选择性合并的缺点是未被选择的径被弃之不用；最大比合并的性能最好。选择式合并的平均输出信噪比为 （2-6）可见，每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。选择式合并的合并增益为 （2-7）2.3 RAKE接收机的关键技术本文设计的Rake接收机包括的主要模块有延迟估计
16、模块、DLL相关器模块和信号解调合并模块。因为考虑到系统是基于基带信号处理的接收机，信道估计模块可以省略。实现该Rake接收机涉及到以下几项关键技术：匹配相关技术、多径搜索技术和锁相环跟踪技术。1、匹配相关技术Rake接收机在信号解扩前应完成扩频码序列的同步。扩频码的同步分为捕获和跟踪两个过程。常用捕获方法有串行捕获法和并行捕获法。串行捕获方法主要是以滑动相关捕获为代表，滑动相关捕获法是最简单、最常见的一种捕获方法，其滑动的过程就是两个码序列逐位进行相关检测的过程。当接收信号与本地扩频码的相关值取得最大时，两个序列相位取得一致，则完成了捕获过程。由于滑动相关法实现起来简单，因此应用广泛，但它的
17、缺点在于当两个扩频码的时间差或相位差较大时，相对滑动速度较慢，导致搜索时间过长。现在常用的一些搜索方法大多在此法的基础上改进，但当扩频码码长较长时，捕获性能会很低。并行捕获法是以匹配滤波器为代表的匹配相关技术。匹配滤波器的结构见图2-2。在采用匹配滤波器法的捕获过程中，接收信号与本地序列连续进行相关处理，任何时刻的相关结果都与一个门限相比较。如果超过了门限，表明此刻本地序列的相位与接收序列相位同步。本地序列是静止的，相关过程相当于接收信号滑过本地序列，每一时刻都产生一个相关结果，当滑动到两序列相位对齐时，必有一个相关峰值输出。图2-2 匹配滤波器的基本结构匹配相关技术在一般直扩系统中的实现框图
18、如图2-3所示。图2-3 匹配相关技术实现框图应用匹配滤波器实现扩频码的捕获，具有很高的捕获速度，是一种常用的扩频码快速捕获算法。2、多径搜索技术多径搜索器是用来识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到Rake接收机的不同接收径上，同时排除假峰及漏峰的干扰。多径搜索器是Rake接收机特有的一个模块，其性能直接影响Rake接收机的性能及实现复杂度。由于噪声和多径信号的影响，匹配滤波器输出会出现多个较大的相关值，搜索器中需要设置多个窗口，如图2-4所示。图2-4 多径搜索器窗口设置示意图多径搜索窗口长度为多径搜索器的搜索范围，在此窗口中出现的超过相关峰门限的相关峰才有可能成为有效多径。该
19、窗口长度可设为十几个码片（chip）的长度。在噪声环境中，相关峰门限的设置是非常重要的。在两个信息码元之间，将噪声功率窗口中的相关值累加并取平均，得到噪声功率的估计值。该窗口不能包括有效相关峰。该窗口长度可以设为128个样点。某比特数据开始时，搜索器第一次搜索出几个相关峰，它们分别与几条多径对应。我们认为在一帧数据中多径的时延情况保持不变，则后续码元中搜索器就启动窗口机制，相关峰窗口的中心与上一码元相关峰相距为kTc，k为Gold序列的长度。选出时间窗内最大的相关值，并与捕获判决门限进行比较，若大于捕获判决门限，则将相关峰出现时刻（连续三次之后）作为该多径的延时输出；若小于捕获判决门限，则保持
20、时间窗间隔，漏峰计数加1。将漏峰计数值与某一特定数值（漏峰数门限）相比较，若大于此值则重新进行捕获，反之则继续搜索。相关峰窗口长度可以设为45个样点。3、锁相环跟踪技术捕获并搜索到多径信号后，接收机可转入跟踪状态。Rake接收机中的码跟踪环路是延迟锁相环（DLL），又称为迟早门锁相环。如图2-5所示。图2-5 扩频码跟踪环路实现框图在图2-5中，分别用超前码（E）、即时码（P）和滞后码（L）与信道输出的基带信号相乘。超前码和滞后码就是在即时码的基础上向前和向后移动半个码片得到。将三条支路的相乘结果分别进行积分清洗，每条支路输出的积分值可以用来调整本地扩频码片的相位，如图2-6所示。 （a） 码
21、相位未同步 （b） 码相位同步图2-6 码跟踪结果在图2-6（a）中，滞后支路输出的相关值最大，因此本地伪码应该向滞后方向移动。在图6（b）中，即时支路输出的相关值最大，且超前码和滞后码的相关值相等，此时本地伪码相位和输入信号相位精确一致。由图2-5知，DLL需要一个反馈回路来调整本地产生伪码的相位。这个反馈由码环路鉴相器实现，根据鉴相器输出不断调整本地扩频码发生器的初始码相位，最终稳定在输入信号的码相位上。使用不同鉴相器，计算量和产生的误差也有所不同。一般而言，鉴相器的选取取决于本地载波与输入信号载波相干程度以及输入信号的噪声大小。2.4 RAKE接收机的基本原理在陆地通信系统中存在着多径干
22、扰和衰落，在城市环境中衰落尤为严重。当不同的多径分量其衰落相互独立时，可以采用分集接收技术以对抗衰落。其基本原理是：发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。例如：在多径环境中，设某一径的强度低于检测门限值的概率为p，则在L径情况下，所有L个径的强度都低于检测门限的概率为pL远低于p。分集接收技术的代价是增加了接
23、收的复杂度。在CDMA系统中，由于信号宽带传输，可以认为多径分量的衰落是相互独立的，即可以采用分集接收的技术。在第三代移动通信中分集接收技术有了更加广泛的应用。RAKE的概念是由R.Price和P.E.Green在1958年的多径信道中的一种通信技术一文中提出来的。RAKE接收机的基本原理就是将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、幅度大小、时延、相位均为随机量。若无RAKE接收机，多径信号的合成如图2-2（a）所示，
24、若采用RAKE接收机，多径信号的合成如图2-2（b）所示。图2-2 多径信号的矢量合成图可见，通过RAKE接收，将各路径分离开，相位校准，加以利用，变矢量相加为代数相加，有效地利用了多径分量。根据CDMA系统中可分离的径的概念，当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，可以认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。反应在频域上，即信号的传输带宽大于信号的相干带宽时，认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。由于CDMA系统是宽带传输的，所有信道共享频率资源，所以CDMA系统可以使用RAKE接收技术，而其他两种多址技术TDMA、FDMA则无法使用。RAKE接收机分集的度量取决于多
25、径时延宽度和多径分离的能力。图2-3 RAKE接收机信道模型在最大时延扩展为m的多径衰落信道中，RAKE的概念就是采用一种特定的宽带传输信号，其带宽W远远大于信道的相干带宽m，根据可分离的多径的概念，这种情况下可分离的多径数为L。于是RAKE接收机采用L个相关器，相邻相关器所处理的时延之差为1/W，每个相关器只从总的接收信号中提取相应延时的那部分多径信号。移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。在移动通信中，由于城市建筑物和地形地貌的影响
26、，电波传播必然会出现不同路径和时延，使接收信号出现起伏和衰落，采用分集合并接收技术是十分有效的抗多径衰落的方法。CDMA个人通信系统采用时间分集和空间分集两种RAKE接收方法。基站使用有一定间隔的两组天线，分别接收来自不同方向的信号，独立处理，最后合并解调。移动台采用时间分集RAKE接收，让接收信号通过相关延迟为D的逐次延迟相关器，延迟间隔D为扩频码码元宽或大于码元宽，不同的延迟相关输出结果对应不同路径的信号，选其最大输出的前几个作合并，实现RAKE接收。在CDMA扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。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
27、时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就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的长度，那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA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。图为一个RAKE接收机，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，多径信号实际上可被看作是互不相关的。图2-4 RAKE接收机框图图2-4中，带D
28、LL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差1/2（或1/4）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。从实现的角度而言，RAKE接收机的处理包括码片级和符号级，码片级的处理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器。符号级的处理包括信道估计，相位旋转和合并相加。码片级的处理一般用ASIC器件实现，而符号级的处理用DSP实现。移动台和基站间的RAKE接收机的实现方法和功能尽管有所不同，但其原理是完全一样的。对于多个接收天线分集接收而言，多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理，RAKE接收机既可以接收来自同一天线的多径，也可以接收
29、来自不同天线的多径，从RAKE接收的角度来看，两种分集并没有本质的不同。但是，在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了基带处理的复杂度。第3章 RAKE接收机的MATLAB编程与仿真3.1 MATLAB语言的介绍MATLAB 是由美国Math Works 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。MATLAB系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍：（1） MATLAB语言体系MATLAB是高层次的
30、矩阵/数组语言，具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算发设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。（2） MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称，包括管理工作空间的变量，数据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。（3） 图形句柄系统这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层次MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层次MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。（4） MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称，包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。（5） MATLAB应用程序接口（
