基于Simulink的Rake接收機直接序列擴頻通信系統設計

摘"要：本文基于Simulink平臺搭建以Rake接收機技術為核心的通信系統仿真模型，并通過對該模型得出的仿真結果分析來判斷該直接序列擴頻通信系統是否完善。通過改變擴頻碼長度的一系列數據來判斷該Rake接收機對系統誤碼率的影響，依靠誤比特率和信噪比的對比圖像來判斷合并方式的區別。仿真結果表明，該系統接收到受到信道干擾的信號時會抑制該信號受到的干擾或噪聲，該結果保證直接擴頻系統的可靠性和穩定性。不同的擴頻碼長度對系統影響不大，在不同的合并方式條件下，系統誤碼率存在偏差。

關鍵詞：Rake接收機；Simulink；CDMA移動通信技術；直接擴頻通信系統；分集接收

隨著移動通信系統技術的不斷發展，由于城市的高樓大廈和自然地形地貌的影響，信號在無線的傳播中容易受到阻擋甚至被反射，這使得接收信號容易出現時延、頻率和角度擴展等現象［13］。由于信號在傳輸過程中可能會遇到不同的路徑長度，這會導致信號的相位和幅度發生變化，從而影響接收到的信號質量。與常規分集技術不同，Rake接收機技術并未將多徑信號視為干擾進行抑制［46］，而是巧妙地將其轉化為有益因素，利用這些信號來增強整體的信號強度。

本文是基于Rake接收機的工作原理，利用Simulink平臺，搭建出一種運用了Rake接收機技術的直接序列擴頻通信系統仿真模型，仿真分析Rake接收系統通信的可靠性。在此基礎上，分析不同的擴頻碼長度、合并方式對系統誤碼率的影響。

1"Rake接收機技術

Rake接收機的工作機制依賴于其內部配置的多個相關器。每個相關器都設置有與多徑信號中不同路徑時延分量相匹配的本地擴頻碼時延分量。通過利用擴頻碼的自相關特性，這些相關器能夠區分并分離出相互獨立、互不干擾的多徑信號［78］。這種設計使得Rake接收機能夠有效地應對多徑干擾，提高信號接收的準確性和穩定性。所以當該Rake接收機有L個相關器時，其中i表示該Rake接收機的第幾條路徑。各個相關器的輸出經過加權后同向相加，總的輸出信號就是：

y（t）=∑Li=1zi（t）wi（t）（1）

其中wi（t）表示Rake接收機的增益系數，而zi（t）則表示Rake接收機中多徑信號經過各相關器后的輸出。

多徑信號在選擇不同的加權系數時會構成不同的合并方式，該如何調整各相互獨立路徑的時延是系統中多徑信號合并時所要解決的首要問題［910］。一路信號的組成通常都有著一定的規律，而經常采用的合并方式有最大比合并、選擇式合并以及等增益合并；而在最大比合并的情況下，其中增益系數wi（t）是由相應的多徑信號能量在總能量中所占比例來決定的，由此可得：

wi=z2i（t）∑Li=1z2i（t）（2）

2"直接序列擴頻通信系統仿真建模

2.1"直接擴頻通信系統的設計思路

直接擴頻通信系統的原理圖如圖1所示，其中，信號發射端由信息源、擴頻碼生成器、調制器組成，由信息源產生輸入信號，由擴頻碼生成器產生偽隨機序列發生器。

另外，圖1中的信道模塊由高斯信道和正弦信號發生器組成，模擬實現通信系統中的信道干擾；接收端則靠Rake接收機來替代，經過處理后為輸出信號；調制器和解調器皆采用BPSK調制；添加比較模塊，由誤碼率比較器組成，比較輸入信號和輸出信號；添加數據模塊，顯示仿真時間和采樣時間；添加示波器模塊，顯示基帶信號、擴頻調制信號、基帶數據信號、信道干擾前后的信號波形、解擴后的恢復波形；添加延遲模塊，實現濾波器的作用。

2.2"直接擴頻系統的Simulink建模

根據圖2，Random"Integer（隨機整數生成器）模塊作為信號源發生器，生成范圍為［0，2］的隨機均勻分布整數作為基帶脈沖信號，產生PN碼作為擴頻碼，將兩者通過Unipolar"to"Bipolar"Converter模塊將單極性信號（Unipolar）轉換為雙極性信號（Bipolar），再將其通過乘法器模塊疊加，產生基帶數據信號。

采用BPSK模塊作為基帶調制和解調器，將通過乘法器疊加后的信號通過Bipolar"to"Unipolar"Converter模塊，將雙極性信號轉換為單極性信號。將產生的單極性信號進行調制后接入AWGN（加性高斯白噪聲）模塊，對擴頻信號進行干擾模擬，以檢測和驗證系統在不同信噪比下的性能表現。

依靠Sine"Wave模塊產生正弦波信號作為干擾碼，將通過Sum模塊得到的總和信號視為輸入信號，引入Rake接收機模組，通過處理產生輸出信號。進行BPSK解調，解調后將該信號再次通過Bipolar"to"Unipolar"Converter模塊進行極性轉化，之后和Random"Integer模塊的信號接入誤碼率比較模塊，來判斷Rake接收機在該直接擴頻系統中的影響。將誤碼率比較模塊的輸出信號輸入顯示模塊中，顯示仿真結果和調試信息。

3"RAKE接收機性能仿真及結果分析

3.1"參數設置

系統仿真參數如下表所示，Rake接收機的信號源采用16位Walsh擴頻碼，擴頻因子為16，多徑傳播的路徑取3徑，每條路徑之間的延時為1/2，信噪比從0到30，步長為1，發射的數據長度為100000。

3.2"仿真分析

（1）分析/驗證Rake接收系統通信的可靠性。

由圖3、圖4、圖5可知，該圖第一路信號為基帶信號，第二路為基帶信號經過擴頻調制及信道干擾后并通過Rake接收機模組和BPSK解擴后的信號。可以明顯看出兩路信號的頻譜和振幅完全相同，這說明了Rake接收機模組接收到受到信道干擾的信號時，會抑制該信號受到的干擾或噪聲，從而提高接收信號的質量和可靠性，該結果保證了該直接擴頻系統的可靠性和穩定性。

（2）不同的擴頻碼長度以及不同的合并方式條件下，對于系統誤碼率的影響。從仿真過程中來看，可以明顯看出PN序列碼的長度雖然會影響到PN碼的周期和頻率，但是由于其帶寬不變，與基帶信號通過乘法器的運算和BPSK調制后的擴頻調制波形沒有太大的變化，且修改白噪聲干擾對系統信號波形產生的變化也是微乎其微。

圖6"三種分集合并方式的性能比較

Rake接收機不同合并方式的性能比較如圖6所示，可以看出，當信噪比的數值逐漸遞增時，誤比特率明顯可以看出在逐漸遞減。其中，最大比合并的隨信噪比遞增而誤比特率遞減的趨勢遠遠大于等增益合并和選擇式合并，說明了最大比合并的性能要優于等增益合并和選擇式合并。當然，選擇哪種合并方式都要基于當時的實際情況來抉擇。

結語

本文搭建運用Rake接收機技術的直接序列擴頻通信系統模型，包含了信源、調制、輸出、信道、接收、解調和誤比特率統計等模塊，進行仿真驗證了模型的完整性。通過修改系統PN擴頻碼的長度、多徑信道的信噪比后，發現都無法對Rake接收機性能產生影響；在保證Rake接收機其他參數不變的情況下，對比三種不同的分集合并方式發現，采用最大比合并的Rake接收機會比采用等增益合并和選擇式合并的性能好。選擇式合并的性能最差，但實現最簡單，最大比合并的性能最好，實現最復雜。

參考文獻：

［1］王成偉.基于HLS的Rake接收機關鍵技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2022.

［2］陳龍.移動水聲擴頻通信RAKE接收機關鍵技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2021.

［3］葛駿偉.擴頻通信系統RAKE接收機研究與FPGA實現［D］.南京：南京理工大學，2021.

［4］盧鑒鑫，胡佳臣，鄢泓哲.水聲混沌擴頻RAKE接收機的Simulink仿真［J］.中國水運：下半月，2019，19（01）：8991.

［5］周錁.直接序列擴頻CPM的波形優化設計與接收機關鍵技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2016.

［6］胡承銘.WCDMA系統中抗多徑干擾技術的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

［7］李偉，張真，呂路靜.基于Matlab的CDMA"RAKE接收機性能仿真［J］.現代電子技術，2015，38（05）：8082+86.

［8］梁璐，王永生，劉翠海.基于MATLAB的Rake接收機仿真及性能分析［J］.數字技術與應用，2014（10）：6667.

［9］劉樹楷.RAKE接收機的設計實現［J］.電子世界，2013（12）：135+231.

［10］方丹.擴頻通信中Rake接收機研究及數字化設計［D］.重慶：重慶大學，2010.

作者簡介：林臻（1995—"），男，漢族，福建莆田人，碩士研究生，助教，研究方向：自動化；余體學（2002—"），男，漢族，福建莆田人，本科，研究方向：通信工程。