RAKE接收机的设计实现

【摘要】在移动通信中，由于城市建筑物和地形地貌的影响，电波在传播过程中必然会出现不同路径和时延，即移动通信信道是一种多径衰落信道，这使接收信号将会出现起伏和衰落，影响移动通信系统的通信质量。在CDMA系统中，RAKE接收是一种十分有效的抗多径衰落的技术。所谓的RAKE接收技术就是分别对接收的每一径信号进行解调，然后通过一定的规则进行叠加输出，以达到改善接收性能，增强接收效果的目的。在这种接收模式下，多径信号不仅不是一个不利因素，反而在CDMA系统中变成了一个可供利用的有利因素。本文研究了RAKE接收技术理论，并借助MATLAB软件设计和实现了RAKE接收机仿真程序，接着对不同分集重数、不同分集合并方式下RAKE接收机的性能进行仿真分析。通过仿真可以发现仿真结果与理论分析相符，RAKE接收机在采取多径合并后，能更有效的收集信号能量，恢复出原始信号。三种合并方式中，最大比值合并方式对接收信号信噪比的改善效果最好。

【关键词】多径衰落；分集接收；RAKE接收机；MATLAB

1.绪论

在移动通信系统之中，由于城市建筑物和地形地貌的影响，传输信号经过无线信道传播，使得接收到的信号出现时延、频率和角度扩展等变化。其中，时延扩展将直接导致码间串扰，频率扩展将导致传输信号的时间衰落，角度扩展将导致信号的空间衰落，这些情况都将严重影响通信质量。在CDMA移动通信系统中采用RAKE接收机来完成分集接收，从而保证了系统可以获得较高的通信质量。本文采用MATLAB仿真软件对RAKE接收机进行仿真。结果表明：RAKE接收机能更有效地克服多径传输造成的干扰，将多径衰落信道分散的信号能量收集起来，从而降低信号误码率，提高通信质量。

在CDMA移动通信系统中采用RAKE接收机来完成传输信号的分集和接收，从而能够保证系统可以获得比较满意的信号传输结果和通信传输质量。在本文中，采用MATLAB软件对RAKE接收机进行编程和仿真，还通过比较分析选择式合并，等增益合并和最大比值合并这三种不同的合并方式情况下，RAKE接收系统的信号误码率的变化情况，用来说明不同合并方式对RAKE接收系统的效率的影响。

2.RAKE接收技术

2.1 RAKE接收信号合成矢量表现

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。

不采用RAKE接收时，多径信号的合成矢量如图2-1所示。采用RAKE接收后的合成矢量如图2-2所示。

由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、大小（幅度）、时延、相位均为随机量，因而合成矢量也是一个随机量[1]。若能通过RAKE接收，将各路径分离开，相位校准，加以利用，则随机的矢量和将可以变成比较稳定的代数和而加以利用。当然这一分离、处理和利用的设想是在宏观分区域含义完成的，而不可能是针对所有实际传播路径而言的。

根据可分离路径的概念，当两个信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度，可以认为这两个信号时不相关的，或者说路径是可以分离的。反映在频域上，即信号的传输带宽大于信号的相干带宽的时候，认为这两个信号时不相关的，或者说路径是可分离的。

由于CDMA系统是宽带传输系统，所有信道共享频率资源，所以CDMA系统可以使用RAKE接受技术，而其他两种多址技术TDMA、FDMA则无法使用。

2.2 RAKE接收机的设计与仿真

2.2.1 系统设计

设计和仿真中的CDMA系统仅涉及到扩频调制、多径衰落信道、扩频解调模块，没有包含信道编/解码、交织等部分，也没有考虑CDMA系统的扩频调制解和调级上的RAKE接收机的误比特性能[2]。RAKE接收机的结构设计如图2-3所示。

其中，发送端发送的信号在信道中遇到3个障碍物而产生反射，那么本次模型中传输路径数=3；在瑞利衰落信道中，假定产生的3径信号互相独立，那么，以第1径信号的传输时延为标准时间0，第2径信号的传输时延为，第3径信号的传输时延为，其中是扩频码的一个码片时间。3条路径的信号合并后加载上加性高斯白噪声（AWGN）。在接收端进行分集的过程是，首先对每径信号分别进行相应的时延同步，然后对每径信号分别进行解扩。因为在瑞利衰落信道中3径的传输时延是[0，，]，那么在接收端3径的同步时延就是[，，0]。接下来将3径信号进行RAKE合并，这里所采用的合并准则是等增益合并方式。

2.2.2 参数配置

（1）用户参数设计

用户数=1，发送端首先产生随机信号，然后使用Walsh码进行扩频，扩频因子取=16；之后信号通过DPSK调制器产生DPSK信号。因为多径时延也是独立的。在假设RAKE接收机中的信道估计单元对延迟和相位的估计都是准确的情况下，可以仅考虑加性高斯噪声和瑞利衰落对RAKE接收机接收性能的影响。图2-4是经过扩频后的信号。

（2）噪声的产生

是一一对应的关系。根据以往的研究发现，在噪声均方值的时候，仿真出的效果比较明显。则，令。信道中的高斯白噪声的单边功率谱密度为：

在接收端，噪声与载波相乘，其单边功率谱密度变为，双边功率谱密度即为。仿真中，让信号通过瑞利衰落后加载上高斯噪声，以实现噪声对RAKE接收机性能的影响[3]。

（3）瑞利衰落信道的产生

在前面计算噪声的功率谱密度时，有令，因为是服从瑞利分布的，其均值和方差分别为。又因为，所以可以推出瑞利衰落参数。瑞利衰落信道的抽样时间为1/10000，多普勒频移是100Hz，方差为。利用MATLAB自身函数产生瑞利衰落信道。

图2-5是通过瑞利衰落信道后的传输信号的仿真图。图2-6是加载了加性高斯白噪声后的传输信号。

2.2.3 仿真结果

传输信号通过瑞利衰落信道后，加载加性高斯白噪声。此后，每一径的信号通过各自的时延矫正以后，经过解扩就进入了RAKE接收合并模块。每条径解扩后的信号如图2-7所示。之后，信号进入RAKE合并器，合并方式采用等增益合并方式，经过图2-8所示的判决后，即可得到系统的输出信号。

图2-9为RAKE接收机误码率仿真曲线图，其中横坐标为信号干扰噪声比，指信号功率与噪声和干扰功率之比，纵坐标为误码率。由图2-9可知RAKE分集接收能有效地减少多径衰落的影响，降低误码率。由仿真结果可以看出，无论无论是否使用RAKE接收机处理信号，信噪比越大，误码率就相应的减小；在使用RAKE接收机处理信号后，同等信噪比条件下，信号的改善效果更好，抗干扰能力就越强。

经研究发现，根据扩频带宽的选择，多径环境下可能有几路到几十路可分离的多径信号，有的多径信号只包含很少的信号能量，所以，RAKE接收机不需要分集接收所有的多径信号[4]。为此，除了根据信道的特性，选择适当的RAKE支路外，还可以在RAKE接收机的每个支路设置一个门限，当信号的电平低于门限值时将该支路关闭，以防止信噪比很低的分集支路对RAKE接收机的影响。

3.结论

本论文是建立在RAKE接收机的分集重数对RAKE接收机误码性能影响的情况进行的分析和比较。在用户固定的RAKE接收机中，RAKE接收机的分集重数越多，搜索到的多径就越多，它主要是由信道的时延扩展决定的。在一定的码率下，延时扩展越大所需要的抽头数就越多，这样，在时延扩展很大的信道中，需要大量的抽头数，这将使得系统的复杂度很高。有时在硬件上很难实现。

通过RAKE接收机的原理的研究，应用MATLAB软件设计了RAKE接收机仿真程序，软件仿真结果与理论相符，RAKE接收机在采取多径合并后，能更有效的收集信号能量，恢复出原始信号，达到了预想中的效果。

参考文献

[1]朱秋明，徐大专，陈小敏.瑞利衰落信道模型比较与分析[J].四川大学学报，2009，41（6）：238-241.

[2]郭文彬，桑林.通信原理——基于Matlab的计算机仿真[M].北京邮电大学出版社，2006：196-199.

[3]叶金岭.基于FPGA的Rake接收机的研究[C].天津大学硕士学位论文，2005：9-11.

[4]田翠云.移动通信系统[M].人民邮电出版社，1990：80-90.

作者简介：刘树楷（1988—），男，四川攀枝花人，中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司广州分公司主管工程师，主要从事公司业务中涉及到高速铁路、客运专线、城际铁路和城市轨道交通等领域的通信系统（工程）的技术管理工作。