爱华网冯涛
（国家广电总局五六一台南昌330046）
摘要：本文研究了DS-CDMA中采用最大比合并算法的Rake接收机。仿真结果表明，在SNR为-10-0dB时，随着分集的路径数的增多，rake接收机较没有采用分集接收的误码性能改善了4-10倍。
关键词：RAKE接收机；最大比合并；DS-CDMA
1引言
在无线通信中，发射信号要经直射、反射、散射等多条传播路径到达接收端，这些多径信号相互叠加会形成衰落，其中快衰落的衰落深度可达40dB，偶尔可达80dB。衰落会严重影响通信质量（如会导致数字信号的高误码率等），为了减少其影响，可采用加大发射功率的办法，但实际上这种办法的代价太大，且会造成对其他电台的干扰。为此，作为一种优选的方案，人们往往采用信号处理技术来抗衰落，分集接收就是其中的一种。
分集接收是利用信号和信道的性质，将接收到的多径信号分离成互不相关的多路信号，然后将多径衰落信道分散的能量更有效的接收起来，并处理之后进行判决，从而达到抗衰落的目的。
一般系统中的多径信号很难分离，但在扩频通信系统中，存在多径信号的内在可分离特性。当然，若不采用路径分集时，则多径干扰被当作是噪声处理；若采用路径分集，则将把多径干扰变害为利，如采用Rake接收可将多个路径来的同一码序列的波形适当合并，可获得高性能的信号。
2系统描述[1]
为了讨论Rake接收算法，在此采用的是DS-CDMA系统进行讨论，此系统仅涉及扩频调制、多径衰落信道、扩频解调模块，不包含信道编/解码、交织等部分，也即考虑CDMA系统扩频调制解调级别上的Rake接收机的误比特性能。系统采用等效低通表示方式，其结构框图如图1所示。
图1DS-CDMA的系统结构框图
3Rake接收机的工作原理[1]
3.1多径信号的分离与合并
多径信号分离的基础是采用直接扩频信号。要求直扩系统的时间（T）与带宽（W）之积远大于1，即TW>>1。对于带宽为W的系统，所能分离的最小路径时延差为1/W。对于直扩序列的码片宽度为Tc的系统，所能分离的最小路径时延差为Tc，并且要求所采用的直扩序列信号的自相关性和互相关性要好。
多径信号的合并所要解决的问题是如何调整各独立路径的时延，按一定的统计规律组合成一路信号。多径合并的准则有：①第一路径准则（EP）；②最强路径准则（LP）；③检测后积分准则（PDI）；④等增益合并准则（EGC）；⑤最大比值合并准则（MRC）。
本文采用最大比值合并准则。下面介绍一下最大比值合并准则算法。最大比值合并原理框图如图2所示。每一路都进行加权，加权的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。所以合并输出信号的信噪比为：
（1）
其中为第I支路的加权系数，为第I支路输出信噪比。
图2 最大比值合并原理
3.2Rake接收机框图[1]
Rake接收技术是CDMA蜂窝移动通信系统中的关键技术之一。在CDMA蜂窝移动通信系统中，信道带宽远--远大于信道的相关带宽，这样，在无线信道传输中出现的时延扩展，可以被看作是被传信号的再次传送，如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么它们就可以看作是非相关的。
图3RAKE接收机的组成
假设发端从Tx发出的信号经L条路径到达接收天线Rx。路径1距离最短，传输时延也最小，依次是第2条路径、第3条路径、时延最长的路径是第L条路径。通过电路测定各条路径的相对时延差，以第一条路径为基准时，第二条相对于第一条路径的相对时延差为，第三条相对于第一条路径相对时延差为，，第L条路径相对于第一条路径相对时延差为，且有（）。
接收端通过解调后，送入L个并行相关器（例如，在IS-95CDMA系统中，基站接收机L=4，移动台接收机L=3）。图3中用户使用PN码，通过位同步，各个相关器的本地码分别为经过解扩加入积分器，每次积分时间为Tb。每一支路在Tb末尾进入电平保持电路，保持直到，这样L个相关器于的时刻输出，通过加权再相加合并，经判决器产生数据输出。
假设L个相关器的输出分别为，如图3所示，分集合并后的输出为
(2)
加权系数根据对应的信号的能量在M个相关器输出信号的总能量中所占比重来选择，即
，i=1,2,…,L（3）
当相关器I的输出被衰落扰乱时，其输出的能量就小，对应的加权系数自动取小，从而使得该分量在（3）式中的作用减小，结果达到抑制多径衰落的效果。
4RAKE接收机的设计考虑[2][3]
4.1 性能比较
如果有足够多的可分离的多径数，则支路相等的最大比值合并Rake接收机的性能优于等增益合并的Rake接收机。但是，当只有一路较强的多径信号或大部分多径信号的时延位于一个扩频码元的宽度Tc之内时，即出现图4所示的信道冲激响应时，等增益合并可能不如选择性合并。原因是，此时等增益合并Rake接收机只有一条支路接收到较强的信号，而其他支路只收到很少的信号能量，降低了等增益合并Rake接收机的信噪比。
图4 信道的冲击响应
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，有的多径信号只包括很少的信号能量，所以，Rake接收机不需要分集接收所有的多径信号。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。
4.2Rake接收机支路数的选择
Rake接收机支路数的选择要根据信道特性和复杂度来考虑。除此之外，即使有足够多的可分离的多径信号，Rake接收机的支路数增加到一定程度，性能改善也不明显。
对于IS-95CDMA系统，多径特性的现场测试表明，不同路径树的概率分布是：3路径为20%，2路径为50%，1路径为28%。这说明，Rake接收机至少要具有处理3个路径的分集能力。考虑到具体实现的复杂度，IS-95 CDMA基站使用4重分集，移动台采用三重分集。
4.3扩频带宽的选择
采用Rake接收机的扩频系统带宽的选择要考虑到多径环境的多径时延、接收机的复杂度及同步的实现。
扩频带宽为W的扩频信号的时间分辨率为1/W。一般的扩频接收机只有一个相关器，接收时间窗Tw=1/W内的多径信号能量，时间窗Tw外的多径信号则被抑制掉了。这种单一相关器的接收机只接收到一小部分有用信号的能量，并未充分利用有用信号，而等增益合并和最大比值合并的Rake接收就可以接收到时间窗Tw=L/W内的多径信号（L为Rake接收机的支路数），利用了更多的有用信号能量。如果增加扩频带宽，可分离的多径数增加，就需要相应增加Rake接收机的支路数，否则未接收的多径信号会形成干扰。如果多径信道的最大时延为3us（室内信道的典型值），用IS-95CDMA的1.25MHZ扩频带宽，时间分辨率约1us，用3个支路的等增益合并或最大比值合并Rake接收机就可以接收到几乎所有的信号能量；若用10MHZ的扩频带宽、时间分辨率为0.1us，用3个支路的等增益合并或最大比值合并Rake接收机只能收到时间窗Tw=0.3us(<<3us)内的多径信号能量，收到的信号能量只占总能量的一小部分，同时未接收到的多径信号成为干扰信号。因此，对于采用Rake接收机的扩频系统的扩频带宽的选择要根据实际情况而定。对于微小区或市内通信环境，多径时延比较小，需要用宽带扩频信号，以保证有足够多的可分离的多径信号，实现有效的Rake接收。对于市区环境的小区，多径时延较大，如果用宽带扩频信号，则需要多支路数的Rake接收机，硬件复杂度高。综合各种因素，IS-95CDMA采用1.25MHZ扩频带宽，这样在复杂度不高的情况下，Rake接收机仍有较好的性能。
5仿真结果及结论
5.1 仿真参数
用户数k=1; 扩频码长度Lc=31;扩频码类型为gold码；矩形码片成型滤波器抽样因子Q=10；最大多径数Mpmax=5；采用最大比值合并准则（MRC）。
5.2 仿真结果及结论
仿真结果如图5所示。由图5可以看出，随着分集的路径数的增多，rake接收机的误码性能显著改善。分集路数为5的误码率较没有采用分集时的误码率改善了4-10倍（SNR越大改善的倍数越大）；分集路数分别为4和5时性能改善不是很明显。
The Realization Of MATLAB Of RAKE Receiver In CDMASystem
Abstract: This paper researches RAKE receiver which employsmaximal ratiocombining algorithm in DS-CD MA. The simulation results showthat with the increase of diversion paths, the performance of RAKEreceiver has been improved four to ten times in terms of decreasingBit Error rate when compared with RAKE receiver without usingdiversity reception technology.
Key words: RAKE receiver, maximal ratio combining,DS-CDMA
