Rake接收机性能仿真(与非Rake接收机对比)

RAKE接收机的性能仿真 （与非RAKE接收机对比）

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班级：电子与通信工程

学院：信息科学与工程学院

摘要

RAKE接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径无线电信号，通信受到多径衰落的影响。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。

本文对RAKE接收机的原理、工作流程进行了简单的介绍，利用MATLAB软件编程实现多径信道下RAKE接收机的性能仿真，随后进行了相应的说明。并与非RAKE接收机进行了简单对比。

关键词： RAKE接收机；多径；MATLAB；分集接收

1 Rake接收机基本介绍

1 .1 该通信技术的提出及研究意义，包括该技术的研究、发展及应用现状 移动通信系统中，由于存在多径传播，接收机需要均衡器来消除相邻符号间的干扰。扩频系统由于采用了自相关特性良好的扩频序列，只要多径分量的相关时延大于码片间隔，则多径传播造成的干扰就仅仅是多径干扰，不影响信号的解调。因此扩频通信系统不需要均衡器。同时由于每个深度衰落时接收机容易出现错误判决，导致系统性能下降，因此扩频通信系统应采用多径分集的RAKE接收技术来提高系统的性能。

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。

1.2 技术的研究、发展及应用现状

1956年，Prcie和Green提出了具有抗多径衰落的RAKE 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。Rake的概念是1958年由R.Price和P.E.Green在《多径信道中的一种通信技术》中提出来的。这种接收机不是减弱或削除多径信号，而是充分利用多径信号的能量。

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。

现如今RAKE接收机将同三项关键革新技术相结合：智能天线技术、多用户检测、MIMO系统。研究的热点包括：RAKE接收机如何降低复杂度；多用户检测的最优算法；MIMO系统与OFDM的结合等。

2 Rake接收机涉及的技术

RAKE接收机系统涉及的知识包括无线传输、扩频技术、信道估计、数据编码、分集接收和数字信号处理等多个方面的知识。

其中着重介绍下分级与扩频技术。

（1）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。

（2）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)和线性调频等。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。

3 Rake的仿真模型

3.1 仿真模型的建立

由相关数学公式以及RAKE接收机知识，可以推导出RAKE接收机的一种实现数字模型，如下图图1所示。

图中把接收数据送入RAKE接收机的各指峰finger，在每个finger中首先对接收数据做下抽样和时延调整，保证各finger均获得有效的计算数据，并且使每个

chip周期内有一个抽样值；接着是与本地扩频地址码进行相关运算，随后在整个扩频地址码长度内求平均，并以符号长度为周期抽样，然后将各finger的计算值乘以信道加权系数口，后合并相加，最后得到RAKE接收输出值x(t)。

Finger1Delayˆ0ckN,lSpreading wave from Correlator 0ˆ01NN11/Tˆ1ˆ(t)xFinger2ckN,lSpreading wave from Correlator 1r(t)Delayˆ11NN11/T•••Finger1DelayˆL1•••ckN,lSpreading wave from Correlator L-1ˆL11NN11/T

图1 RAKE接收机模型

具体仿真流程图如下图2所示。

图2：具体仿真流程图

3.2 仿真条件的设定和仿真参数的选取

其中我们使用MATLAB实现CDMA系统的Rake接收机，假设信源输出用16位Walsh码扩频，进入接收机的有3径（即N=3）；假设每条径之间延时半个码片，为了进行仿真，对Walsh码进行扩展，每个码字重复一次，则长度扩展为32位， 接收机接收解扩判决输出，分别利用最大值合并、等增益合并和选择式合并进行输出。具体参数设定请参考电子版程序。

3.3 MATLAB仿真结果分析以及结论总结

（1） 仿真结果及分析

1 分别比较得出误码数量， 2 用误码数量除以数据源数量得到误比特率，

3 作出各信噪比下3种合并方式的误比特率曲线图，如图3所示。 图3中比较了信号接收采用RAKE接收机时，不同的分集合并策略对平均误比特率的影响。仿真结果以误码率(BER/FEF)和信躁比(E/N)的关系曲线给出。图中

同信噪比情况下采用最大比合并方式时误码率比选择式合并方式时低近一半，较等增益合并方式时也略低。

三种分集合并方法有效提高了接收机的误码性能，RAKE接收机能比较好的解决多径问题,且相同条件下最大合并比(MRC)性能最好，其次是等增益合并(EGC)，最后是选择式合并(SDC)。上述结论和传统理论比较接近。

（2）结论：从仿真过程可以看出，RAKE接收机能比较好的解决多径问题。随着干扰功率增加，RAKE接收机的误码率迅速上升，但白噪声干扰对RAKE接收机误码率影响不大。 在三种合并方式中最大比值合并是性能相对最好的。

图3：单用户RAKE接收机误码率仿真图

4 RAKE接收机与非RAKE接收机对比

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。

若无RAKE接收机，多径信号的合成如图4（a）所示，若采用RAKE接收机，多径信号的合成如图4（b）所示。可见通过RAKE接收，将各路径分离开，相位校准，加以利用，变矢量相加为代数相加，有效地利用了多径分量。

接收后的合成矢量第三径接收后的合成矢量代数和b)有RAKE接收项第一径第二径第三径第一径第二径a)无RAKE接收项

图4：多径信号矢量合成图

在不采用RAKE接收机时。信号的接收原理和RAKE接收机中一个支路相同。下面如图5所示我们随机选取一经输出与等增益合并方式进行对比。

图5：第一径输出与等增益合并对比图

图6：三种合并方式与三支路性能对比图

其中合并方式与具体支路选择可以随机改动。在此基础上如图6我们作三种合并方式与三个支路的总体对比图。

通过图5和图6可以清楚的看出，Rake接收机相比于非Rake接收机而言可以有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。三种合并方式相比于任意支路而言都可以明显改善误比特率。(例外：选择式增益与第二径输出是重合的。因为选择器合并是选取具有最大信噪比的某一路作为输出。所以其两者是重合的)

5 总结

5.1 RAKE接收机的优缺点

优点：Rake接收机实现了多径分集接收，克服多重路径影响，提高接受性能。同时能够很好地抵抗快衰落。多径分集径数越多，抵抗衰落的效果越好。

缺点：Rake在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了基带处理的复杂度。而且在多用户Rake接收机误码率方面算法较为复杂，也需要进一步的改善。

5.2 需要进一步改进或完善的工作

针对上述Rake接收机的优缺点，现如今还是针对其应用的复杂度之类的再继续进行完善，研究的热点包括：RAKE接收机如何降低复杂度；多用户检测的最优算法；MIMO系统与OFDM的结合等。

6 参考文献

[1]周炯槃,庞沁华等.通信原理（第3版）.北京邮电大学出版社 [2]廖守亿，陈坚等.计算机仿真技术.西安交通大学出版社

[3]沈振元,聂志泉、赵雪符. 通信系统原理. 西安电子科技大学出版社 [4]John G.Proakis ,Masoud Salehi,Gerhard Bauch著，刘树棠译.现代通信系统（MATLAB版）（第二版）.电子工业出版社

[5]邵玉斌.Matlab/Sumilink通信系统建模与仿真实例分析.清华大学出版社 [6]Rake接收器百度百科