基于MATLAB的CDMA系统RAKE接收机仿真分析

董亚芬

（运城学院物理与电子工程系，山西运城044000）

基于MATLAB的CDMA系统RAKE接收机仿真分析

董亚芬

（运城学院物理与电子工程系，山西运城044000）

为了解决CDMA移动通信系统中的多径衰落带来的不利影响，CDMA系统采用RAKE接收机技术对多径信号加以利用以达到增强接收效果的目的。仿真结果表明，RAKE接收机技术能够有效抵抗CDMA移动通信系统中的多径效应，提高系统的通信质量和系统性能。

多径效应；CDMA系统；RAKE接收机

多径效应是指电磁波经过不同的传播路径后由于各分量到达接收端的时间不同而使得信号出现失真的干扰现象。多径效应对于移动通信、雷达最佳检测等都有着非常严重的影响。在移动通信系统中，当移动台所处的环境比较复杂时，在信号传播过程中可能会受到诸如大气折射等多种因素的影响而导致产生多个经过不同路径到达接收机的信号，这些信号经过矢量叠加合成时变信号，这是移动通信中的多径衰落现象[1]。多径衰落对移动通信的通话质量有着非常严重的影响，必须采取措施尽量抵消多径衰落所带来的不利影响。

移动通信系统中的多径衰落主要是瑞利衰落。所谓瑞利衰落是指由于多径效应信号到达接收点的场强来自于不同的传播路径，各条路径的延时时间并不相同，而各个方向分量波的叠加会产生驻波场强，从而最终形成的信号快衰落现象，它是一种常叠加于大尺度衰落效应上的小尺度衰落效应。

1 CDMA移动通信系统

移动通信是按照多址技术来划分时代的，第三代移动通信系统采用了CDMA码分多址技术，称为CDMA移动通信系统。CDMA是利用码来区分不同的用户的。与FDMA频分多址和TDMA时分多址技术相比，CDMA有着非常多的优势，例如信道容量更大、可以实现软切换、抗干扰性能好、抗多径衰落能力强、通信质量好等等。

CDMA系统的关键技术有功率控制技术、PN码技术、软切换技术、RAKE接收技术、语音压缩编码技术和语音激活技术等[2]。

功率控制技术主要用于解决CDMA系统中的“远近效应”，使得所有用户到达基站接收机信号的平均功率相等。主要包括正向链路功率控制和反向链路功率控制。

PN码技术主要用于区分CDMA系统的不同信道，对其要求是自相关性好、互相关性弱、易于实现并且编码简单。

软切换技术是CDMA系统特有的切换技术。在软切换技术中，当移动台需要与新的基站建立连接时不会直接切断与原有基站的连接，而是首先与新基站连接再切断与原有基站之间的联系。

RAKE接收技术是CDMA系统最关键的技术之一，它是一种多径分集接收技术，能在时间上分辨出细微的多径信号并将其进行加权调整合成加强的信号。因此，RAKE接收机是一种能够分离多径信号并有效合并多径信号能量的最终接收机。本论文主要研究了瑞利衰落模型下CDMA移动通信系统中的RAKE接收机的性能。

2 RAKE接收机理论

信号的分集接收技术是解决多径衰落问题的最有效途径之一。按信号的传输目的，分集接收技术可分为宏观分集和微观分集；按信号的传输方式，分集接收技术可分为显分集和隐分集；按获得独立路径信号的方法，分集接收技术包括时间分集技术、空间分集技术、多径分集技术、频率分集技术、极化分集技术、角度分集技术等等。多径分集也称码分集，其概念的提出主要基于多径信号的时间延迟扩展，若接收到的多径信号可以分离，可以只接收主路径的信号或者将分离的多径信号合并以增加有用信号的能量，即多径信号的分离与合并。采用直接扩展频谱信号可以对多径信号进行分离，多径信号合并的准则有最强路径准则、第一路径准则、最大比合并准则、自适应合并准则等等。多径分集技术在CDMA移动通信系统中的实现方法就是RAKE接收机技术。

RAKE接收机的原理框图如图1所示[3]。图1中的每个延迟叫做一个finger，每个finger首先对接收到的数据做下采样和时延调整，然后与本地扩频地址码进行相关运算（Cor），在整个扩频地址码长度范围内求平均值并以符号长度为周期进行采样，得到各finger的计算值之后与信道加权系数（hn）相乘，最后累加起来得到对信号的估计，送入星座解调器。

图1 RAKE接收机框图

对于数字信号，相关器（Cor）执行的运算如下：

其中，D是这个finger对应的Tap数。

对于模拟信号，相关器（Cor）执行的运算如下：

其中，Tcode是扩频码波形的持续时间；是扩频码经过脉冲成型之后的波形；τ是这个finger所对应的延时。

在接收机中，finger的数量往往会直接影响RAKE接收机的性能[4]。如果finger数量等于接收信号的多径数，那么信号经空间传播后到达接收天线的所有信号能量会被接收机全部收集到；如果finger数量少于接收信号的多径数，那么接收机只能收集到信号经空间传播后的部分能量；如果finger数量大于接收信号的多径数，那么虽然信号经空间传播的全部能量可以被接收机接收，但是会引入不期望的噪声，信噪比SNR会下降。当然，如果多径信号过于微弱，难以检测，此时即使finger的数量足够，RAKE接收机的输出信噪比SNR可能也很低，甚至可能不工作。

3 CDMA系统RAKE接收机性能分析

本论文利用MATLAB软件对CDMA移动通信系统中的RAKE接收机性能进行了仿真，仿真中采用两条信道来模拟多径现象，衰落模型采用瑞利衰落。仿真结果如图2～图7所示。由仿真结果图可以看出，RAKE接收机能够比较好地在多径衰落情况下恢复出原始信号，可以有效地抵抗多径效应，提高CDMA移动通信系统的性能。

图2 原始信号的频谱

图3 调制后信号的频谱

图4 通过信道1、2后的信号波形

图5 两条信道叠加后的信号频谱

图6 加入噪声之后的信号频谱

图7 RAKE接收机的信号

4 总结

第三代移动通信系统采用CDMA码分多址技术。CDMA系统采用了很多先进技术，例如功率控制技术、PN码技术、软切换技术、RAKE接收技术、语音压缩编码技术以及语音激活技术等等。其中，RAKE接收机技术能够在时间上分辨出细微的多径信号并将其进行加权调整合成加强的信号，使得CDMA系统能够有效地分辨多径信号并克服多径衰落效应，保证了CDMA移动通信系统的高通话质量，提高了CDMA系统的性能。

[1]李伟,张真,吕路静.基于Matlab的CDMA RAKE接收机性能仿真[J].现代电子技术,2015(5)：80-82.

[2]陈晓英.CDMA系统Rake接收技术研究[D].大连：大连海事大学,2002.

[3]杨学志.通信之道：从微积分到5G[M].北京：电子工业出版社,2016.

[4]刘涛.第三代移动通信中RAKE接收技术研究[D].西安：西安电子科技大学,2006.

Simulation Analysis of RAKE Receiver in CDMA System Based on MATLAB

DONG Ya-fen
(Department of Physics and Electronic Engineering,Yuncheng University,Yuncheng Shanxi,044000)

In order to solve the adverse effects of multipath fading in CDMA mobile communication system,the CDMA system uses RAKE receiver technology to use the multipath signal to achieve the purpose of enhancing the effect of the reception.The simulation results show that the RAKE receiver technology can effectively resist the multipath effect in CDMA mobile communication system,and improve the communication quality and system performance.

multipath effect;CDMA system;RAKE receiver

TN91

A

〔责任编辑 高彩云〕

1674-0874(2017)01-0029-03

2016-10-08

运城学院院级科研项目[CI-2015012]

董亚芬（1990-），女，山西运城人，硕士，助教，研究方向：信号与信息处理。