扩频多径信道下RAKE接收机的性能分析汇总

*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2010年秋季学期通信系统综合训练题目: 扩频多径信道下RAKE接收机的性能分析专业班级: 07级通信工程(3)班姓名: 陈晓莉学号: 07250312指导教师: 曹明华成绩：本训练针对多径衰落信道，对移动通信系统中RAKE接收机实现原理进行了研究，设计了RAKE接收机的系统框图，利用MATLAB软件编程实现多径信道下RAKE接收机的性能仿真。

通过对RAKE接收机在最大比值合并、等增益合并、选择式合并三种合并方式下的误码性能仿真比较可知，RAKE接收机应采用最大比值合并方式最为理想。

关键字：RAKE接收机；多径衰落；扩频通信；MATLAB前言- 1 -第1章绪论- 2 -1.1移动信道的多径传播特性-2-1.2扩频技术-2-1.3RAKE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-5-2.3RAKE接收机的关键技术-7-2.4RAKE接收机的基本原理-10-第3章RAKE接收机的MATLAB编程与仿真- 13 - 3.1MATLAB语言的介绍-13-3.2蒙特卡洛仿真模型-14-3.3程序流程-14-3.4MATLAB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。

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。

本训练针对多径衰落信道，对移动通信系统中RAKE接收机实现原理进行了研究，设计了RAKE接收机的系统框图，利用MATLAB软件编程实现多径信道下RAKE接收机的性能仿真。

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。

1.3R AKE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ΔR。

(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=2～4。

(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ΔF。

(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Δt应大于相干时间ΔT。

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/σ2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；σ2表示每支路的噪声功率，且i=1，2，3，…，n 。

合并后的输出为2221111N N N i i i i i i i i A A G A A A σσ=====⨯=∑∑∑(2-1)可见信噪比越大，对合并后信号贡献越大。