1、*實踐教學實踐教學*蘭州理工大學蘭州理工大學計算機與通信學院2010 年秋季學期通信系統綜合訓練通信系統綜合訓練題 目: 擴頻多徑信道下 RAKE 接收機的性能分析 專業班級: 07 級通信工程(3)班 姓 名: 陳 曉 莉 學 號: 07250312 指導教師: 曹 明 華 成 績： 摘摘 要要本訓練針對多徑衰落信道，對移動通信系統中 RAKE 接收機實現原理進行了研究，設計了 RAKE 接收機的系統框圖，利用 MATLAB 軟件編程實現多徑信道下 RAKE 接收機的性能仿真。通過對 RAKE 接收機在最大比值合并、等增益合并、選擇式合并三種合并方式下的誤碼性能仿真比較可知，RAKE 接收機

2、應采用最大比值合并方式最為理想。關鍵字關鍵字：RAKE 接收機；多徑衰落；擴頻通信；MATLAB目目 錄錄前 言 .- 1 -第 1 章 緒論 .- 2 -1.1 移動信道的多徑傳播特性.- 2 -1.2 擴頻技術.- 2 -1.3 RAKE 接收機的由來.- 3 -第 2 章 RAKE 接收機基本原理.- 4 -2.1 分集技術.- 4 -2.2 合并方式.- 5 -2.3 RAKE 接收機的關鍵技術.- 7 -2.4 RAKE 接收機的基本原理.- 10 -第 3 章 RAKE 接收機的 MATLAB 編程與仿真.- 13 -3.1 MATLAB 語言的介紹.- 13 -3.2 蒙特卡洛仿

3、真模型.- 14 -3.3 程序流程.- 14 -3.4 MATLAB 程序.- 15 -第 4 章 仿真結果及分析 .- 18 -4.1 單用戶 RAKE 接收機誤碼性能仿真.- 18 -參考文獻 .- 19 -總 結 .- 20 -1-前前 言言進入二十世紀，以碼分多址（CDMA）技術為基礎的第三代移動通信系統的開發成為通信領域中最熱門的話題。第三代移動通信追求極大的通信容量，極好的通信質量和極高的頻譜利用率。然而，在復雜的無線通信環境和有限的頻率資源中實現這個目標，主要受到三個客觀存在因素的限制：多徑衰落、時延擴展以及多址干擾。在 CDMA 通信系統中，由于發送信號占用較寬的頻譜資源，因

4、而可以分辨出時間延遲存在細微差別的多徑信號，利用這一特點，盡可能多地接收來自不同路徑的信號，并按一定方式合并多徑信號，以增加接收信號電平，克服多徑衰落信道所造成的不良影響，這就是 Rake 多徑分集接收的設計思想。隨著無線通信中擴頻技術、智能天線技術和現代信息處理技術的不斷變化發展，RAKE接收技術成為了第三代移動通信系統中的一項重要技術。掌握RAKE接收機原理和技術有助于培養學生綜合分析問題的能力，成為學習系統設計、鞏固理論知識的最有效途徑，對培養學生學習興趣、提高綜合素質具有非常重要的作用。不同于傳統的調制技術需要用均衡算法來消除相鄰符號間的碼間干擾，在選擇CDMA擴頻碼時就要求它有很好的

5、自相關特性。這樣，在無線信道中出現的時延擴展，就可以被看作是信號的再次傳送。由于在多徑信號中含有可以利用的信息，所以接收機可以通過合并多徑信號來改善接收信號的信噪比。基于以上原理，RAKE接收技術實際上是一種多徑分集接收技術，可以在時間上分辨出細微的多徑信號，對這些分辨出來的多徑信號分別進行加權調整、使之復合成加強的信號。利用該特性，RAKE接收機可實現分集接收，達到抗多徑干擾和抗衰落的目的。本訓練針對多徑衰落信道，對移動通信系統中 RAKE 接收機實現原理進行了研究，設計了 RAKE 接收機的系統框圖，利用 MATLAB 軟件編程實現多徑信道下 RAKE 接收機的性能仿真。- 2 -第第 1

6、 章章 緒論緒論1.1 移動信道的多徑傳播特性移動信道的多徑傳播特性多徑效應：在移動傳播環境中，移動臺天線接收的信號不是來自單一路徑，而是來自許多路徑的眾多反射波的合成，這種現象稱作多徑效應。多徑衰落：在微波信號的傳播過程中,由于受地面或水面反射和大氣折射的影響,會產生多個經過不同路徑到達接收機的信號,通過矢量疊加后合成時變信號。多徑衰落可分為平衰落和頻率選擇性衰落。多徑時延擴展：由于多徑引起的接收信號脈沖的寬度擴展現象，擴展的時間是最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值。時延擴展隨環境、地形、地物的狀況而不同，一般與頻率無關。對模擬移動通信系統來說，多徑效應引起接收信號的幅度發生變化；對于數字移動

7、通信系統來說，多徑效應引起脈沖信號的時延擴展，時延擴展將引起碼間串擾(ISI)，嚴重影響數字信號的傳輸質量。在移動通信中多徑衰落以瑞利(Rayleigh)衰落為主，他是移動臺在移動中受到不同路徑來的同一信號源的折射或反射等信號所產生，他的變化是隨機的，因此只能用統計或概率的觀點來定量描述。1.2 擴頻技術擴頻技術擴頻技術是一種信息處理傳輸技術。擴頻技術是利用同域傳輸數據(信息)無關的碼對被傳輸信號擴展頻譜，將信號調制到多個載波頻率的技術。使之占有遠遠超過被傳送信息所必需的最小帶寬。擴頻技術可以提供更安全的傳輸，并可降低干擾，提高頻帶的利用率。利用擴頻技術對時鐘頻率加入抖動處理，使發射頻率不再集

8、中在一個頻點，還可以降低電磁干擾。擴頻信號具有以下三個特性：(1) 擴頻信號是不可預測的偽隨機的寬帶信號；(2) 擴頻信號帶寬遠大于欲傳輸數據(信息)帶寬；(3) 接收機中必須有與寬帶載波同步的副本。補充：傳輸信息時所用信號帶寬遠大于傳輸些信息所需最小帶寬的一種信號處理技術。發射端展寬頻帶是用獨立于所傳數據的碼來實現，接收端用同步的相同碼解擴以恢復所傳數據。擴頻的基本方法有：直接序列(DS)、跳頻(FH)、跳時(TH)和線性調頻(Chirp)- 3 -等 4 種。目前人們所熟知的新一代手機標準 CDMA 就是直接序列擴頻技術的一個應用。而跳頻、跳時等技術則主要應用于軍事領域，以避免己方通信信號

9、被敵方截獲或者干擾。擴頻的主要特點為：抗干擾，抗多徑衰落，低截獲概率，碼分多址能力，高距離分辨率和精確定時特性等。1.3 RAKE 接收機的由來接收機的由來 RAKE 接收技術實際上是一種多徑分集接收技術，可以在時間上分辨出細微的多徑信號，對這些分辨出來的多徑信號分別進行加權調整、使之復合成加強的信號。分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸可靠性的技術。它也是研究利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中，如何分散開又如何收集起來的技術。為了在接收端得到幾乎相互獨立的不同路徑，可以通過空域、時域、頻域的不同角度、不同的方法與措施來加以實現。分集接收中，在接收端從N個不同的獨立信

10、號支路所獲得的信號，可以通過不同形式的合并技術來獲得分集增益。合并時采用的準則和方式主要可以分為三種：最大比值合并、等增益合并、選擇式合并等。1956 年，Prcie 和 Green 提出了具有抗多徑衰落的 RAEK 接收機概念：1937年，Forney 提出的基于已知信道特性的最大似然序列檢測器(MLSD)，這是一種最優的單用戶接收機。美國 QUALCOMM 公司在 80 年代堅持研究 DS-CDMA 技術，1989 年，QUALCOMM 公司進行了首次 CDMA 實驗。驗證了 DS 擴頻信號波形非常適合多徑信道的傳輸，以及 RAKE 接收機、功率控制和軟切換等CDMA 的關鍵技術。在 19

11、96 年推動了窄帶 CDMA IS-95 商用運行，讓 RAKE 接收機產業化，同時也推動了 RAKE 接收技術的長足發展。- 4 -第第 2 章章 RAKE 接收機基本原理接收機基本原理2.1 分集技術分集技術分集接收技術是一種重要的對抗多徑衰落的技術。使用分集接收技術的前提是系統的多徑分量的衰落相互獨立。同一通信系統中，可以同時采用多種分集方式以減小誤碼率。RAKE接收機就是通過將可分離的多徑按其強度成比例合并，從而把多徑中的能量收集起來。而多徑分集是一種最早用于電離層短波信道上抗多徑衰落的分集接收方式。由于它利用了偽隨機碼作為傳送波，故抗正弦波干擾相當有效。在對流層散射通信系統中，當通信

12、距離遠(如400km以上)和數字信息速率不太高(小于1Mb/s)時，使用這種分集方式是十分適宜的。這是因為：收端只需要用一副天線和一部接收機，因而設備成本和重量與一般頻率分集差不多。通信距離比一般分集方式相對要遠些。其它分集一般用于400km以下，而多徑分集則需要400km以上，否則反而發揮不了它的作用，因為通信距離短時，多徑的相對延時差小，可能分離出來的射束也就少了，分集效果就差了。由于采用了偽隨機碼作為傳送波，因而系統的保密性能比較好，收端同步也比較容易實現。不像頻率分集那樣存在功率分散現象。發射機的功率也可以充分加以利用，這是因為發射管可工作在飽和狀態，效率高。多徑分集的缺點在于單位頻帶

13、的信息速率相當低，因而適用于中等信息速率的場合。誠然，采用多元制可提高信息速率，但設備就變得復雜多了。1、空間分集 (1) 利用不同接收地點(空間)收到的信號衰落的獨立性，實現抗衰落的功能。(2) 空間分集的基本結構為：發端一副天線發送，收端 N 部天線接收。(3) 接收天線之間的距離 d 足夠大，大于相干距離 R。(4 )分集天線數 N 越大，分集效果越好，但是不分集與分集差異很大，屬于質變。分集增益正比于分集的數量 N，其改善是有限的，屬于量變，且改善程度隨分集數量的增加而減少。工程上折衷，一般取 N=24。(5) 空間分集還有兩類變化形式：極化分集：它利用在同一地點兩個極化方向相互正交的

14、天線發出的信號可以呈現不相關的衰落特性進行分集接收，即在收- 5 -發端天線上安裝水平、垂直極化天線，就可以把得到的兩路衰落特性不相關的信號進行極化分集。優點：結構緊湊、節省空間；缺點：由于發射功率要分配到兩幅天線上，因此有 3dB 的損失；角度分集：由于地形、地貌、接收環境的不同，使得到達接收端的不同路徑的信號可能來自不同的方向，這樣在接收端可以采用方向性天線，分別指向不同的到達方向。而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關的。2、頻率分集(1) 將待發送的信息分別調制到不同的載波上發送至信道。(2) 不同的載波之間的間隔足夠大，大于頻率相干帶寬F。(3) 頻率分集與空間分集相比，其優點是減

15、少了接收天線與相應設備的數目；缺點是占用更多的頻譜資源，有可能在發端要采用多部發射機。3、時間分集 (1) 對于一個隨機衰落信號，如果取樣時間間隔足夠大時，兩個樣點間的衰落互不相關的，利用這一特性可以構成時間分集。(2) 將待發送的信號每隔一定時間間隔重復發送，在接收端就可以得到N條獨立的分集支路。(3) 在時域上時間間隔t應大于相干時間T。時間分集對于處于靜止狀態的移動臺是無用的。(4) 時間分集與空間分集相比，其優點是減少了接收天線的數目，缺點是要占用更多的時隙資源，從而降低了傳輸效率。2.2 合并方式合并方式 1、最大比值合并發射機可變增益加權可變增益加權可變增益加權同向相加檢測器G1G

16、2Gn輸出圖 2-1 最大比合并原理圖在接收端有N個分集支路，經過相位調整后，按照適當的增益系數，同相相加，再送入檢測器進行合并。- 6 -利用切比雪夫不等式，可以證明當可變增益加權系數 Gi=Ai/2 時，分集合并后的信噪比達到最大值。其中 Ai 表示第 i 個分集支路的信號幅度；2 表示每支路的噪聲功率，且i=1，2，3，n。合并后的輸出為 (2-1)2221111NNNiiiiiiiiAAGAAA可見信噪比越大，對合并后信號貢獻越大。最大比合并后的平均輸出信噪比 (2-2)ldSNRN SNR其中表示最大比合并后的平均輸出信噪比；表示合并前每個支路的平ldSNRSNR均信噪比；n 表示分

17、集支路數目，即分集重數。合并增益為： (2-3)ldldSNRKNSNR可見合并增益與分集支路數 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為等增益合并。等增益合并后的平均輸出信噪比為 (2-4)1 (1)4SNRNSNR等增益合并的合并增益為 (2-5)1 (1)4SNRKNSNR 當 N 較大時，等增益合并與最大比值合并相差不多。等增益合并實現比較容易，設備也簡單。3、選擇式合并選擇式合并與最大比值合并的區別就是將相加器變為選擇器。接收端有 N 個分集支路的接收機，根據選擇邏輯選出其中具有最大信噪比的某一路作為輸出。綜合上述三種方法，等增益合并的優點是實現比較簡

18、單；選擇性合并的缺點是未被選擇的徑被棄之不用；最大比合并的性能最好。選擇式合并的平均輸出信噪比為 11NiSNRSNRi(2-6)- 7 -可見，每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數的倒數倍。選擇式合并的合并增益為 (2-7)11NiSNRKiSNR2.3 RAKE 接收機的關鍵技術接收機的關鍵技術本文設計的 Rake 接收機包括的主要模塊有延遲估計模塊、DLL 相關器模塊和信號解調合并模塊。因為考慮到系統是基于基帶信號處理的接收機，信道估計模塊可以省略。實現該 Rake 接收機涉及到以下幾項關鍵技術：匹配相關技術、多徑搜索技術和鎖相環跟蹤技術。1、匹配相關技術Ra

19、ke 接收機在信號解擴前應完成擴頻碼序列的同步。擴頻碼的同步分為捕獲和跟蹤兩個過程。常用捕獲方法有串行捕獲法和并行捕獲法。串行捕獲方法主要是以滑動相關捕獲為代表，滑動相關捕獲法是最簡單、最常見的一種捕獲方法，其滑動的過程就是兩個碼序列逐位進行相關檢測的過程。當接收信號與本地擴頻碼的相關值取得最大時，兩個序列相位取得一致，則完成了捕獲過程。由于滑動相關法實現起來簡單，因此應用廣泛，但它的缺點在于當兩個擴頻碼的時間差或相位差較大時，相對滑動速度較慢，導致搜索時間過長。現在常用的一些搜索方法大多在此法的基礎上改進，但當擴頻碼碼長較長時，捕獲性能會很低。并行捕獲法是以匹配濾波器為代表的匹配相關技術。匹

20、配濾波器的結構見圖2-2。在采用匹配濾波器法的捕獲過程中，接收信號與本地序列連續進行相關處理，任何時刻的相關結果都與一個門限相比較。如果超過了門限，表明此刻本地序列的相位與接收序列相位同步。本地序列是靜止的，相關過程相當于接收信號滑過本地序列，每一時刻都產生一個相關結果，當滑動到兩序列相位對齊時，必有一個相關峰值輸出。.本地擴頻碼串行數據輸入NN-1.0NN-1.0圖 2-2 匹配濾波器的基本結構- 8 -匹配相關技術在一般直擴系統中的實現框圖如圖 2-3 所示。NCO低通濾波器匹配濾波器平放器平方器/2低通濾波器匹配濾波器判決器X(t)圖 2-3 匹配相關技術實現框圖應用匹配濾波器實現擴頻碼

21、的捕獲，具有很高的捕獲速度，是一種常用的擴頻碼快速捕獲算法。2、多徑搜索技術多徑搜索器是用來識別具有較大能量的多徑位置，并將它們的時間量分配到Rake 接收機的不同接收徑上，同時排除假峰及漏峰的干擾。多徑搜索器是 Rake接收機特有的一個模塊，其性能直接影響 Rake 接收機的性能及實現復雜度。由于噪聲和多徑信號的影響，匹配濾波器輸出會出現多個較大的相關值，搜索器中需要設置多個窗口，如圖 2-4 所示。匹配濾波器相關峰值輸出計算噪聲功率的窗口KTC多徑搜索窗口相關峰自適應門限相關峰判決門限相關峰搜索窗口平均噪聲功率門限圖 2-4 多徑搜索器窗口設置示意圖多徑搜索窗口長度為多徑搜索器的搜索范圍，

22、在此窗口中出現的超過相關峰門限的相關峰才有可能成為有效多徑。該窗口長度可設為十幾個碼片（chip）的長度。在噪聲環境中，相關峰門限的設置是非常重要的。在兩個信息碼元之間，將噪聲功率窗口中的相關值累加并取平均，得到噪聲功率的估計值。該窗口不能包括有效相關峰。該窗口長度可以設為 128 個樣點。某比特數據開始時，搜索器第一次搜索出幾個相關峰，它們分別與幾條多徑對應。我們認為在一幀數據中多徑的時延情況保持不變，則后續碼元中搜索器就啟動窗口機制，相關峰窗口的中心與上一碼元相關峰相距為 kTc，k 為 Gold 序列的長度。選出時間窗內最大的相關值，并與捕獲判決門限進行比較，若大于捕獲判決門限，則將相關

23、峰出現時刻（連續三次之后）作為該多徑的延時輸出；若小于捕獲判決- 9 -門限，則保持時間窗間隔，漏峰計數加 1。將漏峰計數值與某一特定數值（漏峰數門限）相比較，若大于此值則重新進行捕獲，反之則繼續搜索。相關峰窗口長度可以設為 45 個樣點。3、鎖相環跟蹤技術捕獲并搜索到多徑信號后，接收機可轉入跟蹤狀態。Rake 接收機中的碼跟蹤環路是延遲鎖相環（DLL） ，又稱為遲早門鎖相環。如圖 2-5 所示。積分&清洗積分&清洗積分&清洗載波發生器偽碼發生器IEILIPEPLI輸入信號低通濾波器碼鑒相器信源數據圖 2-5 擴頻碼跟蹤環路實現框圖在圖 2-5 中，分別用超前碼（E）

24、、即時碼（P）和滯后碼（L）與信道輸出的基帶信號相乘。超前碼和滯后碼就是在即時碼的基礎上向前和向后移動半個碼片得到。將三條支路的相乘結果分別進行積分清洗，每條支路輸出的積分值可以用來調整本地擴頻碼片的相位，如圖 2-6 所示。輸入信號本地偽碼（E）本地偽碼（P）本地偽碼（L）EPL碼片-111/2-1/2 0輸入信號本地偽碼（E）本地偽碼（P）本地偽碼（L）EPL碼片111/21/20-1 -1/2 (a) 碼相位未同步 (b) 碼相位同步圖 2-6 碼跟蹤結果在圖 2-6（a）中，滯后支路輸出的相關值最大，因此本地偽碼應該向滯后方向移動。在圖 6（b）中，即時支路輸出的相關值最大，且超前碼和

25、滯后碼的相關值相等，此時本地偽碼相位和輸入信號相位精確一致。由圖 2-5 知，DLL 需要一個反饋回路來調整本地產生偽碼的相位。這個反饋由碼環路鑒相器實現，根據鑒相器輸出不斷調整本地擴頻碼發生器的初始碼相位，最終穩定在輸入信號的碼相位上。使用不同鑒相器，計算量和產生的誤差也有所不同。一般而言，鑒相器的選取取決于本地載波與輸入信號載波相干程度以及輸入信號的噪聲大小。- 10 -2.4 RAKE 接收機的基本原理接收機的基本原理在陸地通信系統中存在著多徑干擾和衰落，在城市環境中衰落尤為嚴重。當不同的多徑分量其衰落相互獨立時，可以采用分集接收技術以對抗衰落。其基本原理是：發射機發出的擴頻信號，在傳輸

26、過程中受到不同建筑物、山崗等各種障礙物的反射和折射，到達接收機時每個波束具有不同的延遲，形成多徑信號。如果不同路徑信號的延遲超過一個偽碼的碼片的時延，則在接收端可將不同的波束區別開來。將這些不同波束分別經過不同的延遲線，對齊以及合并在一起，則可達到變害為利，把原來是干擾的信號變成有用信號組合在一起。例如：在多徑環境中，設某一徑的強度低于檢測門限值的概率為 p，則在 L 徑情況下，所有 L 個徑的強度都低于檢測門限的概率為 pL 遠低于 p。分集接收技術的代價是增加了接收的復雜度。在 CDMA 系統中，由于信號寬帶傳輸，可以認為多徑分量的衰落是相互獨立的，即可以采用分集接收的技術。在第三代移動通

27、信中分集接收技術有了更加廣泛的應用。RAKE 的概念是由 R.Price 和 P.E.Green 在 1958 年的多徑信道中的一種通信技術一文中提出來的。RAKE 接收機的基本原理就是將那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，對它進行延時和相位校正，使之在某一時刻對齊，并按一定的規則進行合并，變矢量合并為代數求和，有效地利用多徑分量，提高多徑分集的效果。由于用戶的隨機移動性，接收到的多徑分量的數量、幅度大小、時延、相位均為隨機量。若無 RAKE 接收機，多徑信號的合成如圖 2-2(a)所示，若采用 RAKE 接收機，多徑信號的合成如圖 2-2(b)所示。接收后的合成矢量第三徑第二徑第一徑a)

28、無RAKE接收項第一徑第二徑第三徑接收后的合成矢量代數和b)有RAKE接收項圖 2-2 多徑信號的矢量合成圖可見，通過 RAKE 接收，將各路徑分離開，相位校準，加以利用，變矢量相加為代數相加，有效地利用了多徑分量。根據 CDMA 系統中可分離的徑的概念，當兩信號的多徑時延相差大于一個擴頻碼片寬度時，可以認為這兩個信號是不相關的，或者說是路徑可分離的。反- 11 -應在頻域上，即信號的傳輸帶寬大于信號的相干帶寬時，認為這兩個信號是不相關的，或者說是路徑可分離的。由于 CDMA 系統是寬帶傳輸的，所有信道共享頻率資源，所以 CDMA 系統可以使用 RAKE 接收技術，而其他兩種多址技術TDMA、

29、FDMA 則無法使用。RAKE 接收機分集的度量取決于多徑時延寬度和多徑分離的能力。( )s t1( )c t2()c t( )Lc t3( )c t()nt()r t1/W1/W1/W圖 2-3 RAKE 接收機信道模型在最大時延擴展為 m 的多徑衰落信道中，RAKE 的概念就是采用一種特定的寬帶傳輸信號，其帶寬 W 遠遠大于信道的相干帶寬 m，根據可分離的多徑的概念，這種情況下可分離的多徑數為 L。于是 RAKE 接收機采用 L 個相關器，相鄰相關器所處理的時延之差為 1/W，每個相關器只從總的接收信號中提取相應延時的那部分多徑信號。移動通信信道是一種多徑衰落信道，RAKE 接收技術就是分

30、別接收每一路的信號進行解調，然后疊加輸出達到增強接收效果的目的，這里多徑信號不僅不是一個不利因素，而且在 CDMA 系統變成一個可供利用的有利因素。在移動通信中，由于城市建筑物和地形地貌的影響，電波傳播必然會出現不同路徑和時延，使接收信號出現起伏和衰落，采用分集合并接收技術是十分有效的抗多徑衰落的方法。CDMA 個人通信系統采用時間分集和空間分集兩種 RAKE 接收方法。基站使用有一定間隔的兩組天線，分別接收來自不同方向的信號，獨立處理，最后合并解調。移動臺采用時間分集 RAKE 接收，讓接收信號通過相關延遲為 D 的逐次延遲相關器，延遲間隔 D 為擴頻碼碼元寬或大于碼元寬，不同的延遲相關輸出

31、結果對應不同路徑的信號，選其最大輸出的前幾個作合并，實現 RAKE 接收。在 CDMA 擴頻系統中，信道帶寬遠遠大于信道的平坦衰落帶寬。不同于傳統的調制技術需要用均衡算法來消除相鄰符號間的碼間干擾，CDMA 擴頻碼在選擇時就要求它有很好的自相關特性。這樣，在無線信道中出現的時延擴展，就可- 12 -以被看作只是被傳信號的再次傳送。如果這些多徑信號相互間的延時超過了一個碼片的長度，那么它們將被 CDMA 接收機看作是非相關的噪聲，而不再需要均衡了。由于在多徑信號中含有可以利用的信息，所以 CDMA 接收機可以通過合并多徑信號來改善接收信號的信噪比。其實 RAKE 接收機所作的就是：通過多個相關檢

32、測器接收多徑信號中的各路信號，并把它們合并在一起。圖為一個 RAKE 接收機，它是專為 CDMA 系統設計的經典的分集接收器，其理論基礎就是：當傳播時延超過一個碼片周期時，多徑信號實際上可被看作是互不相關的。帶DLL的相關器本地擴頻碼相位旋轉信道估計延遲均衡Q延遲估計入信號第一徑第二徑第三徑IQ時間量（徑位置）圖 2-4 RAKE 接收機框圖圖 2-4 中，帶 DLL 的相關器是一個具有遲早門鎖相環的解調相關器。遲早門和解調相關器分別相差1/2(或 1/4)個碼片。遲早門的相關結果相減可以用于調整碼相位。延遲環路的性能取決于環路帶寬。從實現的角度而言，RAKE 接收機的處理包括碼片級和符號級，

33、碼片級的處理有相關器、本地碼產生器和匹配濾波器。符號級的處理包括信道估計，相位旋轉和合并相加。碼片級的處理一般用 ASIC 器件實現，而符號級的處理用 DSP 實現。移動臺和基站間的 RAKE 接收機的實現方法和功能盡管有所不同，但其原理是完全一樣的。對于多個接收天線分集接收而言，多個接收天線接收的多徑可以用上面的方法同樣處理，RAKE 接收機既可以接收來自同一天線的多徑，也可以接收來自不同天線的多徑，從 RAKE 接收的角度來看，兩種分集并沒有本質的不同。但是，在實現上由于多個天線的數據要進行分路的控制處理，增加了基帶處理的復雜度。- 13 -第第 3 章章 RAKE 接收機的接收機的 MA

34、TLAB 編程與仿真編程與仿真3.1 MATLAB 語言的介紹語言的介紹MATLAB 是由美國 Math Works 公司推出的用于數值計算和圖形處理的科學計算系統環境。MATLAB 是英文 MATrix LABoratory（矩陣實驗室）的縮寫。在 MATLAB 環境下，用戶可以集成地進行程序設計、數值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。MATLAB 系統由五個主要部分組成，下面分別加以介紹：（1） MATLAB 語言體系MATLAB 是高層次的矩陣/數組語言，具有條件控制、函數調用、數據結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特性。利用它既可以進行小規模編程，完成算發設計和算法實驗的基

35、本任務，也可以進行大規模編程，開發復雜的應用程序。（2） MATLAB 工作環境這是對 MATLAB 提供給用戶使用的管理功能的總稱，包括管理工作空間的變量，數據輸入輸出的方式和方法，以及開發、調試、管理 M 文件的各種工具。（3） 圖形句柄系統這是 MATLAB 圖形系統的基礎，包括完成 2D 和 3D 數據圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層次 MATLAB 命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層次 MATLAB 命令，以及開發 GUI 應用程序的各種工具。（4） MATLAB 數學函數庫這是對 MATLAB 使用的各種數學算法的總稱，包括各種初等函數的算法，也包括矩

36、陣運算、矩陣分析等高層次數學算法。（5） MATLAB 應用程序接口（API）這是 MATLAB 為用戶提供的一個函數庫，使得用戶能夠在 MATLAB 環境中使用 C 程序或 FORTRAN 程序，包括從 MATLAB 中調用子程序（動態鏈接） ，讀寫 MAT 文件的功能。綜上所述，可以看出 MATLAB 是一個功能十分強大的系統，是集數值計算、圖形管理、程序開發為一體的環境。除此之外，MATLAB 還具有很強的功能擴- 14 -展能力，與它的主系統一起，可以配置各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務。MATLAB 具有程序結構控制、函數調用、數據結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特征，而且簡

37、單易學、編程效率高。3.2 蒙特卡洛仿真模型蒙特卡洛仿真模型發送信號通過延遲產生多徑經過 WLASH 碼擴頻后進入衰落信道，解擴后由分集合并長生判決輸出。判決輸出和發送信號比較得出誤碼率。框圖如下：發送端延遲產生多徑擴頻信道解擴合并判決輸出比較計算誤碼率圖 3-1 RAKE 接收機蒙特卡洛框圖3.3 程序流程程序流程初狀態設定（用戶數量、擴頻因子、每徑延遲、信噪比范圍、數據長度、初始誤比特率、每徑功率因子）產生數據源產生WALSH矩陣并做延遲擴頻產生第二徑和第三徑信號獲得接收信號并解擴出三徑信號分別采用三種合并方式得到判決輸出計算三種合并方式的誤碼率并繪圖圖 3-2 RAKE 接收機軟件仿真流

38、程圖3.4 MATLAB 程序程序利用 MATLAB 軟件來仿真 RAKE 接收機分集接收性能的程序如下：Numusers=1;Nc=16; %擴頻因子ISI_Length=1; %每徑延時為 ISI_Length/2EbN0db = 0:2:10;Tlen=5000;%數據長度Bit_Error_Number1=0;%誤比特率的初始值Bit_Error_Number2=0;Bit_Error_Number3=0;power_unitary_factor1=sqrt(5/9);%每徑功率因子power_unitary_factor2=sqrt(3/9);power_unitary_factor

39、3=sqrt(1/9);s_initial=randsrc(1,Tlen);%數據源- 15 -%產生 Walsh 矩陣 Wal2=1 1;1 -1;Wal4=Wal2 Wal2;Wal2 Wal2*(-1);Wal8=Wal4 Wal4;Wal4 Wal4*(-1);Wal16=Wal8 Wal8;Wal8 Wal8*(-1);%擴頻s_spread=zeros(Numusers,Tlen*Nc);ray1=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc);ray2=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc);ray3=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc);for i

40、=1:Numusers x0=s_initial(i,:).*Wal16(8,:); x1=x0.; s_Spread(i,:)=(x1(:).;end%將每個擴頻后輸出重復為兩次，有利于下面的延遲（延遲了半個碼元）ray1(1:2:2*Tlen*Nc-1)=s_Spread(1:Tlen*Nc); ray1(2:2:2*Tlen*Nc)=ray1(1:2:2*Tlen*Nc-1);%產生第二徑和第三徑信號ray2(ISI_Length+1:2*Tlen*Nc)=ray1(1:2*Tlen*Nc-ISI_Length);ray3(2*ISI_Length+1:2*Tlen*Nc)=ray1(1

41、:2*Tlen*Nc-2*ISI_Length);for nEN = 1:length(EbN0db) en = 10(EbN0db(nEN)/10); % convert Eb/N0 from unit db to normal numbers sigma = sqrt(32/(2*en); %接收到的信號 dempdemp=power_unitary_factor1*ray1+power_unitary_factor2*ray2+power_unitary_factor3*ray3+(randn(1,2*Tlen*Nc)+randn(1,2*Tlen*Nc)*i)*sigma; dt=re

42、shape(demp,32,Tlen); %將 Walsh 碼重復為兩次 Wal16_d(1:2:31)=Wal16(8,1:16); Wal16_d(2:2:32)=Wal16(8,1:16); %解擴后 rdata1為第一徑輸出 rdata1=dt*Wal16_d(1,:).;- 16 - %將 Walsh 碼延遲半個碼片 Wal16_delay1(1,2:32)=Wal16_d(1,1:31); %解擴后 rdata2為第二徑輸出 rdata2=dt*Wal16_delay1(1,:).; %將 Walsh 碼延遲一個碼片 Wal16_delay2(1,3:32)=Wal16_d(1,1

43、:30); Wal16_delay2(1,1:2)=Wal16_d(1,31:32); %解擴后 rdata3為第三徑輸出 rdata3=dt*Wal16_delay2(1,:).; p1=rdata1*rdata1; p2=rdata2*rdata2; p3=rdata3*rdata3; p=p1+p2+p3; u1=p1/p; u2=p2/p; u3=p3/p; %最大值合并 rd_m1=real(rdata1*u1+rdata2*u2+rdata3*u3); %等增益合并 rd_m2=(real(rdata1+rdata2+rdata3)/3; %選擇式合并 u=u1,u2,u3; ma

44、xu=max(u); if(maxu=u1) rd_m3=real(rdata1); else if(maxu=u2) rd_m3=real(rdata2); else rd_m3=real(rdata3); end end %三種方法判決輸出 r_Data1=sign(rd_m1); r_Data2=sign(rd_m2); r_Data3=sign(rd_m3);- 17 - %計算誤比特率 Bit_Error_Number1=length(find(r_Data1(1:Tlen)=s_initial(1:Tlen); Bit_Error_Rate1(nEN)=Bit_Error_Numb

45、er1/(Tlen); Bit_Error_Number2=length(find(r_Data2(1:Tlen)=s_initial(1:Tlen); Bit_Error_Rate2(nEN)=Bit_Error_Number2/(Tlen); Bit_Error_Number3=length(find(r_Data3(1:Tlen)=s_initial(1:Tlen); Bit_Error_Rate3(nEN)=Bit_Error_Number3/(Tlen); endsemilogy(EbN0db,Bit_Error_Rate1,*-);hold on;semilogy(EbN0db,Bit_Error_Rate2,o-); hold on;semilogy(EbN0db,Bit_Error_Rate3,+-);legend(最大比合并,等增益合并,選擇式合并);xlabel(信噪比);ylabel(誤比特率);title(3種主要分集合并方式性能比較);第第 4 章章 仿真結果及分析仿真結果及分