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。本文首先介紹無線移動通信的信道特性，然后對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，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

在移動通信中，移動終端的天線通常采用無方向性的低增益天線，移動終端接收來自各個方向的電磁波，并向各個方向發(fā)射電磁波。通過不同路徑到達(dá)接收天線的信號，由于路徑不同造成傳播時延的不同，各信號在接收天線處的相位不同，相同相位的信號互相疊加，使得信號得以加強(qiáng)，而相反相位的信號互相疊加，使得信號互相抵消。這種接收信號無規(guī)律的強(qiáng)弱起伏就是電波傳播中的多徑衰落。多徑衰落會嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，為此采用數(shù)字信號處理技術(shù)來對抗衰落，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，使接收端獲得多個統(tǒng)計獨(dú)立的、攜帶同一信息的信號；二是集中處理，即接收機(jī)把收到的多個統(tǒng)計獨(dú)立的衰落信號進(jìn)行合并，以降低衰落的影響。多徑分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的，因?yàn)樵谌我粫r刻，多個非相關(guān)的衰落信號同時處于深度衰落的概率極小，因此，一旦在多徑信號中選擇出兩個或兩個以上的信號進(jìn)行處理，接收機(jī)的瞬時信噪比和平均信噪比就可以得到改善。所以，分集就是有意識地分離多徑信號并適當(dāng)合并以提供接收信號的信噪比，降低多徑干擾。
在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，由于信號頻段較寬，因此在時間上可以分離出比較細(xì)微的多徑信號，對分離出的多徑信號進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，使合成之后的信號得以增強(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)又稱為Rake接收技術(shù)。
文中首先介紹無線移動通信的信道特征，然后對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通信信號的影響，降低誤碼率。

1 無線移動通信信道
移動通信系統(tǒng)中，移動終端處于地形復(fù)雜的區(qū)域，其天線將接收從多條路徑傳播來的信號，再加上移動終端自身可能在運(yùn)動狀態(tài)，使得移動終端和基站之間的無線信道多變且難以控制。
移動通信信道是一種時變信道。無線通信信號通過移動通信時會受到各種形式的衰減損害。接收信號功率表示為：
p(d)=d-n·S(d)·R(d) (1)
式中，d表示移動終端與基站間的距離。
式(1)是信道對傳輸信號作用的一般表示式。信號所經(jīng)歷的損耗有如下3類：
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電波屏蔽所引起的衰落。一般服從對數(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。
在移動通信傳播環(huán)境中，到達(dá)移動終端天線的信號不是單一路徑到達(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，稱為多徑衰落。
多徑效應(yīng)主要表現(xiàn)在3個方面：
1)經(jīng)過短距離或短時間傳播后信號強(qiáng)度產(chǎn)生急劇變化；
2)在不同的多徑信號上，存在著時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)引起信號的時域擴(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)，各個接收機(jī)與同一期望信號的多徑分量之一進(jìn)行相關(guān)操作，根據(jù)各個相關(guān)輸出的相對強(qiáng)度加權(quán)后合成一個輸出，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)出的無線信號經(jīng)過L+1條路徑到達(dá)接收端Rx。假設(shè)路徑0的距離最短，傳輸時延也最小，依次是路徑1，路徑2，…，時延時間最長的是路徑L。通過檢測各路徑的相對時延差，以路徑0為參照標(biāo)準(zhǔn)，路徑1相對于路徑0的時延差為τ1，路徑2相對于路徑1的時延差為τ2，…，路徑L相對于路徑0時延差為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)。信號經(jīng)解擴(kuò)后送入積分器，并進(jìn)行加權(quán)合并，最后對信號進(jìn)行判決得到輸出信號。顯然，如果接收機(jī)只有一個相關(guān)器，一旦這個相關(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L路信號良好的統(tǒng)計判決，因而它能有效地對抗多徑衰落。

假定有L個相關(guān)器，每個相關(guān)器與其中一個多徑分量同步，即強(qiáng)相關(guān)，而與其它多徑分量弱相關(guān)，各個相關(guān)器的輸出分別被加權(quán)后相加，總的輸出信號為：

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)對應(yīng)信號能量在總能量總所占比例確定；ri(t)為L路多徑信號的分量之一。
加權(quán)系數(shù)根據(jù)對應(yīng)信號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)某個相關(guān)器被衰落污染時，輸出能量減小，對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)值變小，對總輸出的作用減小，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
輸入信號的數(shù)據(jù)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，并采用周期長度為128的m序列(或者GOLD碼序列)進(jìn)行擴(kuò)頻。對擴(kuò)頻后的信號進(jìn)行BPSK調(diào)制，并發(fā)送出去，信號在無線信道傳輸過程中，會產(chǎn)生信道衰落。接收端對接收到的信號進(jìn)行Rake合并(仿真采用了最簡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。
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個碼片情況下的誤碼率曲線，虛線表示延遲3和7個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??；相同條件下，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
Rake接收技術(shù)是一種對抗多徑衰落的重要技術(shù)，它通過將可分離的多徑信號按一定原則合并，從而把多徑信號中的能力收集起來。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。