自相關(guān)信號的RAKE解調(diào)

曹 蕾 涂澤鑫 李 智

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

1 概述

短波多徑效應(yīng)一般指短波信號在空間傳播的時候，受電流層電波傳播信道的影響，導(dǎo)致同一信號分散成多個信號，并且到達(dá)接收端的時間不同，導(dǎo)致信號本身自相位相互疊加，信號質(zhì)量變差，甚至失真。為此，我們利用RAKE接收機(jī)技術(shù)，將接收機(jī)端接收到的多徑信號進(jìn)行處理，根據(jù)自相關(guān)信號的特點，采用相關(guān)解擴(kuò)技術(shù)，將多徑進(jìn)行分離，并通過算法將多徑信號能量進(jìn)行合成，提高信號的質(zhì)量，提升信號的解調(diào)效率[1]。

2 信號分析

目前短波信號主要代表為3G-ALE信號，該類信號包含的波形分別是BW1、BW2、BW3、BW4、BW5等多種波形，其中大部分波形采用正交擴(kuò)頻8PSK調(diào)制，其自相關(guān)性較強。這類調(diào)制一般通過Walsh編碼、擾碼、映射等方式，調(diào)制到載波為1800Hz上[2]。假設(shè)n比特數(shù)據(jù)通過映射，形成長度為N符號的Walsh序列，在保證映射唯一性上，Walsh序列需要2n個，在保證信號符號同步和位同步的情況下，對信號進(jìn)行解調(diào)，需要2n個本地Walsh序列一起和信號數(shù)據(jù)做逐點滑動的相關(guān)計算[1]。只有當(dāng)某個本地Walsh序列和信號數(shù)據(jù)序列一致時，根據(jù)Walsh序列的尖銳自相關(guān)峰特征，在這些2n個相關(guān)值中取得最大值，如圖1表示，最大值為自相關(guān)值，0為互相關(guān)值。

圖1 自相關(guān)序列

但是在現(xiàn)實情況中，由于短波傳輸通道中存在多徑效應(yīng)，每一徑上信號的碼元到達(dá)的時間是不同的，尤其是各徑上信號的相位不一致，導(dǎo)致在Walsh序列的尖銳相關(guān)峰不突出，無法正確解調(diào)，但是擴(kuò)頻碼具有良好的特性，尤其是自相關(guān)性，通過這一特性，可以通過特殊的方法將不同的路徑分離出來，在分離出各自的路徑后，可以在RAKE接收機(jī)上實現(xiàn)各個路徑的分離，然后在根據(jù)碼元同步的方式，將同一的路徑進(jìn)行合并，合并后的路徑無論是在信噪比還是在信號的能量上都比以前的信號要強，可以確保信號能正確解調(diào)。

3 多徑分析

為了更好地估計出多徑的情況，確保多徑信號相對于主要徑的信號的幅度、時延、同步等數(shù)據(jù)。其中需要解決信號的同步問題，尤其是位同步的問題，解決位同步可以確保信號在抽取的時候是最佳的時刻。此外，在解調(diào)的時候，需要解決信號的初始位同步碼，當(dāng)信號接收的時候，由于無法確定信號從哪個時刻開始，需要對信號進(jìn)行初步的信號同步，確保那個時刻開始是信號的真實開始，從而確保滑動相關(guān)法能準(zhǔn)確地找到同步數(shù)據(jù)并開始解調(diào)。

根據(jù)上述的要求，對于短波信號來說，由于空間中存在散射和反射的情況，同一信號在經(jīng)過電離層傳輸后，會變成多個信號，其中信號存在強弱，當(dāng)然在某一個主要的方向上，信號的接收效果是最佳的，其信號的能量也是最大的，一般來說我們將這一路信號當(dāng)作最佳的信號進(jìn)行抽取，而其他信號一般與實際的信號存在的時間差距不大，我們需要對這些徑的信號進(jìn)行處理，并抽取最佳的信號點，而對于時間差距大，且信號較弱的信號一般不予考慮。例如，短波信道中信號的時延一般在0.3ms-6ms之間，如果按照9600Hz的采樣率計算，信號速率小于3000波特，在6ms之間一般采樣點數(shù)小于60個，根據(jù)上述情況，一般我們在確定初始的同步點后，對其前后60個點的樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到127個相關(guān)值，通過對最大的值進(jìn)行處理，得到最佳的位同步。

4 Rake接收算法分析

RAKE接收機(jī)算法其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其基本原理是根據(jù)擴(kuò)頻序列尖銳相關(guān)特性，通過m個相關(guān)器使其多徑分離，然后對每一徑進(jìn)行延時和相位校正，并從中選取最佳的一徑作為參考，其他各徑在時間上與它同步，根據(jù)某一特性將多徑累加，得到最大能量值，從而將有害信號轉(zhuǎn)換成有利信號[2]。

圖2 Rake接收機(jī)框圖

多徑合并可以采用如下方法，假設(shè)分離后各徑的信號能量分別是f1(t)，f2(t)，...，fm(t)，則多徑合并起來后得到：

式中ai為加權(quán)系數(shù)。根據(jù)選取的加權(quán)系數(shù)的不同，可以分成3種合并方式，選擇式合并、等增益合并和最大比值合并，通過對比測試，性能最好的為最大比值合并，其加權(quán)系數(shù)ai為：

由上面的公式可以看出，當(dāng)加權(quán)系數(shù)與本路的噪聲功率Ni成反比時，且正比于本路信號幅度ui時，可以得到最大的合并輸出。考慮到在做信號估計處理的時候，已經(jīng)對多徑信號的幅度和延遲進(jìn)行了處理，這里可以將ai設(shè)置等于主徑的幅度，從而簡化最大比值合并實現(xiàn)。一般情況下，考慮到信號多徑的路數(shù)與衰減程度成正比，與計算的復(fù)雜度成反比，這里只選取3個獨立徑作為考慮，在實驗中我們對模擬信號多徑分別乘以0.8，0.35和1，然后進(jìn)行多路合并，尋找最大值并開展相關(guān)解調(diào)。

5 性能仿真

在充分考慮多徑的情況下，利用RAKE接收機(jī)算法對正交擴(kuò)頻調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，為保證測試的效果，采取4種信噪比條件下的信號開展對比，分別為5dB、8dB、10dB和15dB，在多徑選擇上面，考慮到信號在3徑后衰減非常明顯，這里選取用3徑作為標(biāo)準(zhǔn)，針對3GALE信號中傳輸信號BW3波形進(jìn)行解調(diào)測試，對比利用RAKE和不用RAKE算法兩種情況下的解調(diào)結(jié)果，其解調(diào)的誤碼率如圖3所示：

圖3 4種信噪比條件下的解調(diào)誤碼率

通過圖3可以得知，在信噪比較低的情況下，采用RAKE接收機(jī)算法可以降低誤碼率一半。

6 結(jié)語

短波通信中，多徑效應(yīng)往往會導(dǎo)致信號解調(diào)質(zhì)量變差，嚴(yán)重的時候?qū)е滦盘栂嗷ジ蓴_無法解調(diào)。本文中通過研究RAKE接收機(jī)技術(shù)，提出一種基于正交擴(kuò)頻8PSK信號的RAKE接收機(jī)解調(diào)技術(shù)研究和實現(xiàn)，從信號分析、信道估計、RAKE實現(xiàn)、仿真評估等多個方面開展研究。最后在實際的信號解調(diào)測試效果中表明，在利用RAKE技術(shù)后同樣條件下解調(diào)效率將提高18%左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞．?dāng)U展頻譜通信及其多址技術(shù)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004．

[2]王玫．短波并行組合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009．