擴頻通信系統中Rake接收性能仿真研究

摘要：在擴頻通信中，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，然後對Rake接收的基本原理和接收機結構進行詳細描述，並對Rake接收性能進行了仿真比較。仿真結果表明，在多徑信道條件下，Rake接收方式能很好的改善接收系統誤碼性能；採用GOLD序列擴頻比m序列擴頻方式時，Rake接收方法性能提高的更明顯。
關鍵詞：多徑衰落；擴頻通信；Rake接收機；誤碼性能

在移動通信中，移動終端的天線通常採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，並向各個方向發射電磁波。通過不同路逕到達接收天線的信號，由於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，而相反相位的信號互相疊加，使得信號互相抵消。這種接收信號無規律的強弱起伏就是電波傳播中的多徑衰落。多徑衰落會嚴重影響通信質量，為此採用數位訊號處理技術來對抗衰落，分集接收技術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計獨立的、攜帶同一信息的信號；二是集中處理，即接收機把收到的多個統計獨立的衰落信號進行合併，以降低衰落的影響。多徑分集技術是用來補償衰落信道損耗的，因為在任一時刻，多個非相關的衰落信號同時處於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行處理，接收機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並適當合併以提供接收信號的信噪比，降低多徑幹擾。
在擴頻通信系統中，由於信號頻段較寬，因此在時間上可以分離出比較細微的多徑信號，對分離出的多徑信號進行加權調整，使合成之後的信號得以增強，從而可在較大程度上降低多徑衰落信道所造成的負面影響。這種技術又稱為Rake接收技術。
文中首先介紹無線移動通信的信道特徵，然後對Rake接收的基本原理和接收機結構進行描述，並在不同條件下對Rake接收系統進行了仿真。仿真結果表明：採用Rake接收技術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
移動通信系統中，移動終端處於地形複雜的區域，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動狀態，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，制式由於傳播環境中的地形起伏、建築物及其它障礙物對電波屏蔽所引起的衰落。一般服從對數正態分布，其變化率較慢，是慢衰落損耗；
3)多徑衰落，用R(d)表示，這是由於移動傳播環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。
在移動通信傳播環境中，到達移動終端天線的信號不是單一路逕到達的，而是許多路逕到達的眾多反射波的合成。這樣，接收信號的幅度將急劇變化，就產生了衰落。這種衰落是由於多徑現象所引起的，稱為多徑衰落。
多徑效應主要表現在3個方面：
1)經過短距離或短時間傳播後信號強度產生急劇變化；
2)在不同的多徑信號上，存在著時變都卜勒頻移引起的隨機頻率調製；
3)多徑傳播試驗引起信號的時域擴展。

2 Rake接收的工作原理
最早的Rake接收機概念是R．Price和P．E．Green在1958年提出的。Rake接收機的原理是採用一組相關接收機，各個接收機與同一期望信號的多徑分量之一進行相關操作，根據各個相關輸出的相對強度加權後合成一個輸出，加權係數的選擇原則是使輸出信噪比最大化。
Rake接收機的工作原理框圖如圖1所示。發射端發出的無線信號經過L+1條路逕到達接收端Rx。假設路徑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為參照標準，路徑1相對於路徑0的時延差為τ1，路徑2相對於路徑1的時延差為τ2，…，路徑L相對於路徑0時延差為τL，並且τL>τL-1>…>τ2>τ1。接收端解調後，送入L路並行相關器解擴。通過位同步後，各相關器的本地碼分別為c1(t)，c1(t-τ2)，c2(t-τ2)，…，c1(t-τL)。信號經解擴後送入積分器，並進行加權合併，最後對信號進行判決得到輸出信號。顯然，如果接收機只有一個相關器，一旦這個相關器的輸出被衰落擾亂，接收機將不可能校正該值，從而導致判決其出現大量誤判。而在Rake接收機中，如果某個相關器的輸出被衰落擾亂了，可由其它相關器支路做出補救，並且通過減小被擾亂支路的權重，降低其負面影響。由於Rake接收機提供了對L路信號良好的統計判決，因而它能有效地對抗多徑衰落。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/306488.htm

假定有L個相關器，每個相關器與其中一個多徑分量同步，即強相關，而與其它多徑分量弱相關，各個相關器的輸出分別被加權後相加，總的輸出信號為：

其中c1(t-τi)為本地生成的相關碼並且τ1=0；ai(t)是加權係數，它根據對應信號能量在總能量總所佔比例確定；ri(t)為L路多徑信號的分量之一。
加權係數根據對應信號能量在總能量中所佔比例確定：

其中j=1，2，…，L。式(3)表明加權係數ai(t)是自適應可調的，當某個相關器被衰落汙染時，輸出能量減小，對應的加權係數值變小，對總輸出的作用減小，從而克服衰落影響，改善系統接收質量。

3 Rake接收的誤碼率仿真
輸入信號的數據由隨機數發生器產生，並採用周期長度為128的m序列(或者GOLD碼序列)進行擴頻。對擴頻後的信號進行BPSK調製，並發送出去，信號在無線信道傳輸過程中，會產生信道衰落。接收端對接收到的信號進行Rake合併(仿真採用了最簡單的等增益合併方法)，合併結果輸入到BPSK基帶解調模塊中，最後進行誤碼率統計。
上述仿真圖顯示了在3條路徑情況下Rake接收與傳統接收之間誤碼率比較的曲線。其中實線表示延遲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，圓點是傳統接收的結果，方點是Rake接收的結果。

仿真結果表明，相同條件下碼片延遲越大，接收端的誤碼率越大；相同條件下擴頻倍數越高，接收端的誤碼率越小；相同條件下，GLOD序列擴頻要比m序列擴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境，Rake接收方法要比傳統接收方法具有更小的誤碼率值；在GOLD序列擴頻情況下，Rake接收比傳統接收方法性能上提高的更明顯。

4 結束語
Rake接收技術是一種對抗多徑衰落的重要技術，它通過將可分離的多徑信號按一定原則合併，從而把多徑信號中的能力收集起來。文中進行了Rake接收與傳統接收的性能比較仿真實驗，結果表明：在相同前提下，Rake接收比傳統接收具有更小的誤碼率值；擴頻倍數越高、延遲越小、信噪比越高，Rake接收的性能就越好，同時採用COLD碼序列擴頻要比採用PN碼序列具有更好的Rake接收性能。