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一. 引言
目前的数字移动通信网的主要多址方式是FDMA、TDMA系统(GSM，DAMPS). 在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线电话水平；TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但终端接入速率有限(最高9.6kbit/s)；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量；TDMA系统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。因而TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入，而CDMA码分多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等.
码分多址技术利用扩展频谱（Spread Spectrum, SS）的技术将信号进行扩频后，使其分散到较宽的频段上传输，在接收端进行解码将信号恢复成原来的信号频宽. 扩展频谱技术主要分为直接序列扩频 (DS-SS：Direct Sequence Spread Spectrum)和跳频扩频（FH-SS: Frequency Hopping Spread Spectrum）.
然而，经过了扩频后的带宽会变得较宽，信号带宽若大于通道的相干带宽（coherent bandwidth）时，信号在经过无线通道时会遭受频率选择性衰减（frequency selective fading）的问题。在接收端为了克服信号失真则必须利用比较复杂的耙式接收器（RAKE receiver）来收集每个路径的信号，才能克服多重路径（multipath）的影响。
本文将以DS-SS系统基本原理为基础，来讨论RAKE接收机的设计及MALTLAB实现.
二. 总体设计
2.1 信号产生器（Transmitter）
在直接序列扩频系统（如众所周知的CDMA）中[8]，每个用户分配到唯一的一个伪随机码（PN码）. 系统将要发送的信息通过PN码对其进行扩频，然后去调制载波频率，从而产生扩频信号.其原理解释如图2-1所示
图2-1 DS-SS原理
在数字蜂窝系统中，一般采用QPSK调制方式，通过把输入数据分成2个序列来实现，其中一个序列为奇数比特，另一个序列为偶数比特，然后对每个序列进行BPSK调制。QPSK调制器的框图如图2-2 所示.
图2-2 用于数字蜂窝系统的QPSK调制器的功能框图
根据DS-SS原理及QPSK调制器结构，MATLAB设计的发射信号（DS-SS）仿真模型如图2－3所示. 仿真的发送信号(message)是由一串序列模拟而成，多用户通过正交的Walsh码(同相signature_I和正交signature_Q)进行扩频，并通过QPSK调制方式形成复合信号.
图2-3 DS-SS发射复合信号的产生示意图
2.2 信道估算（Channel Estimate）
在实际环境中，发送信号在到达接收机的路径上遇到高层建筑物﹑树木和正在移动的车辆等物体时会导致反射﹑衍射和局部散射. 从而发送信号会通过不同的路径，并发生多径衰落，导致其在略微不同的多个时间内到达接收机.
衰弱在现实环境中是不可避免的，因此在为DS-SS系统估计链路预算模型或设计RAKE接收机时，就需要一个正确合适的传播模型. 为精确地进行信道防真，必须理解不同的衰落情形及其影响，并创建衰落效应的数字模型. 参考文献[7]详细讨论了这些传播模型.多径衰退信道（multipath fading channel）仿真模型如图2-4所示. 第一支路表示发射机和接收机之间的直视路径. 其余每条路径上的信号由e-i 所衰减, 并时延i秒。将所有支路来的信号加在一起，附加上加性高斯白噪音（AWGN）. 输出结果防真出无线移动信道上接收到的信号.
图2-4 多径衰退信道仿真模型
该多径信道模型的信道推进响应（channel impulse response）的表达式如下：
注：ak 是 kth 路径增益（path gain）, tk 是路径延迟（path delay）, k 是 kth 路径相移（path phase shift）.
发送信息在传输过程中必然会携带着噪声. 为接收机能接收到精确地数据，则需消除这些噪声. LMS（Least mean square最小均方）算法作为一种简单易行的自适应算法在消除噪声过程中有很明显的效果。仿真时选用LMS算法是很合适的。其系统模型如图2-5所示，其公式表达式为：
其中x(n)为 n时刻的输入矢量，w(n)为n时刻的自适应滤波器的权矢量,e(n)为输入的干扰信号，为长引子.
图2-5 LMS自适应滤波原理图
为精确地进行信道防真，结合多径衰退信道仿真模型与LMS算法，可创建出图2-6的信道估算模型.
图2-6 信道估算模型原理图
2.3 式接收器（Rake Receiver）
在无线移动通信的过程中， 发射的信号需经过直射﹑散射﹑反射等多条传播途径来到达接收端. 随着移动台的移动，各条传播途径上的信号幅度﹑时延及相位随时随地的发生变化，所以接收到的信号电平是起伏﹑不稳定的，这些多径信号相互叠加就会形成衰落.衰落会严重影响通信质量（如导致较高的误码率），为减小其影响，往往采用信号处理的方法来抗衰落。分集接收机是其中一种方法，它是利用信息和信道的性质，然后将接收到的多径信号分离成互不相关的多路信号，最后将多径衰弱分散的能量更有效地收集起来，经过分析判断处理以后，来达到抗衰弱的目的. 现有的CDMA系统就是采用RAKE（多径）接收机进行分集接收。
RAKE接收机的工作原理是通过多个相关检测器接收多径信号中的各种信号，并最终将它们合并在一起。
图2-7所示为（3-finger）RAKE接收机，它利用多个相关器（Correlator）分别检测多径信号中最强的N个支路信号，然后对每个相关器的输出进行加权及信号检测，最后在此基础上进行解调和判决.
图2-7 Rake 接收机的功能框图
只有一个相关器的Rake接收机等效于匹配滤波器。假设Correlator 1 与通信信号中最强的Z1同步，而另一个Correlator 2与另一支路的Z2同步，且Z2比Z1落后τs1。 假设Correlator 2 与支路Z2的相关性很强，而与Z1的相关性很弱. 若接收机只有一个相关器，当其输出被衰落扰乱时，则无法做出纠正，从而做了大量的误判工作. 若接收机为RAKE接收机，当一个Correlator的输出被打乱了，则可以用其他支路来弥补不足，通过改变被扰乱支路的权重，既可消除对此路信号的负面影响，也可提高其抗衰性。
RAKE接收机支路数的选择要根据信道特信和复杂度来考虑。否则，即使有足够多的可分离的多径信号，RAKE接收机得知路数增加到一定程度，性能改善也不明显。故此在设计时要考虑到支路数的选择. 常用CDMA系统中RAKE接收机是采用3个相关器的. 利用MATLAB实现时，将对拥有不同数目（1个，2个，3个和所有）相关器的RAKE接收机进行性能对比。
三．结论
本文分析了DS-SS系统和RAKE接收机的工作特性及原理，并用MATLAB对其进行了仿真.以下为MATLAB仿真多径衰退信道的估算结果及RAKE接收机的性能表现.
图3-1 1-finger Rake接收机的信道估算结果
图3-2 2-finger Rake接收机的信道估算结果
图3-3 3-finger Rake接收机的信道估算结果
图3-4 all-finger Rake接收机的信道估算结果
图3-5 Rake 接收机各模型的误码率比仿真结果图
1-finger Rake接收机也就是匹配滤波器. 在IS-95A CDMA系统中Rake 接收机使用3个最强的相关检测器接收信号。从图3-5中可以清楚看到Rake接收机中各模型的误码率曲线图，信噪比的值越高，信道中的噪音将越小，同时误码率也越低. Rake接收机拥有越多的相关检测器，其误码率就越低，性能则越好。越多的相关检测器则会越增加硬件成本去实现，所以现在的CDMA系统的Rake接收器是采用3个相关检测器的.
参考文献：
［1］ 聂景楠,尤肖虎,程时昕,等.IS-95基站RAKE接收机的设计与实现[J].通信学报,1998,19(4):92-96.
［2］ Prasad R. and Hara SP., “An overview of multi-carrier CDMA,” Proceedings
of IEEE International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, vol. 1, pp. 107-114, 1996.
［3］ Viterbi A J. CDMA:Principles of Spread Spectrum Communication[M].MA: Addision-Wesley, 1995.
［4］ Proakis J G.Digital Communications[M].3 ed. McGraw-Hill, 1995.
［5］ 杨馨,赵新胜,尤肖虎.WCDMA下行信道RAKE接收机的性能分析[J].电子学报,2000,(11A):67-69.
［6］ S. Verdu, Multiuser Detection. Cambridge, U.K.: Cambridge University
Press, 1998.
［7］ J Lee, L Miller. CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House, 1998
［8］ R L Pickholz, L B Milstein,D L Schilling. Spread Spectrum for Mobile Communications. IEEE Trans. Veh.Technol.,1991,40(2):313~332
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