摘要
在CDMA移动通信系统中，因为信号带宽比较宽，会存在着复杂的多径无线电信号，所以通信受到多径衰落的影响。分集接收是抵抗多径衰落的有效方法，RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术。RAKE接收机能够在时域中充分利用信号的多径结构，从而提高系统的输出信噪比，因而成为目前CDMA系统中广泛被应用的抗多径衰落技术。
本文在CDMA系统多径衰落信道下，对单用户RAKE接收机和多用户RAKE接收机进行MATLAB仿真。并分别对最大比合并、等增益合并、选择式合并这三种合并方式进行比较。仿真得到RAKE接收机的误码率性能。通过三种合并方式的比较，得出最大合并比方式的误码率性能最好。通过单用户与多用户RAKE接收机的比较，得出RAKE接收机更适合于多用户情况。
关键词RAKE接收机；多径；多址；分集；误码率
ABSTRACT
In the CDMA mobile communication system, because of the signal bandwidth is so wider that exist complex multipath radio signals, communication is effect by multipath fading. The diversity receiving techniques can efficacious reduce the influence of multipath fading, RAKE reception technology is actually a kind of multipath diversity.RAKE receiver can full use of the structure of multipath to improve the SNR of output signal,it have become the method accounting to multipath fading which widely use in CDMA communication system.
This paper discussed the simulation under the condition of code division multiple access CDMA system multipath fading channel, single user RAKE receiver and RAKE receiver respectively between multiple users were simulated by MATLAB simulation software. And the biggest ratio merger, etc, choose best the merger of comparison of three kinds of merger. Simulation results are shown and also the SER performance parameters. Through the comparison of the three ways of merger,get the result that no way is more suitable than the largest ratio merger. Through a single user RAKE receiver with multiple users, RAKE receiver is more suitable for many users.
Keywords RAKE receiver；Multipath；Multiple access；Diversity；SER
目录
摘要 ................................................................................................................... I ABSTRACT........................................................................................................ II 第1章概论. (1)
1.1课题背景 (1)
1.1.1直扩码分多址（DS-CDMA） (1)
1.1.2 移动信道传输 (1)
1.1.3移动信道的多径传播 (2)
1.2RAKE接收机的由来 (3)
1.3国内外现状及研究成果 (3)
1.4研究本课题的意义 (4)
第2章RAKE接收机设计的相关原理 (5)
2.1码分多址与扩频 (5)
2.1.1码分多址 (5)
2.1.2扩频技术 (6)
2.2分集接收原理 (7)
2.2.1分集接收的定义 (7)
2.2.2分集接收的方式 (7)
2.2.3 合并方式 (8)
2.3RAKE接收机 (9)
2.3.1 RAKE接收机的定义 (9)
2.3.2 RAKE接收机的原理 (10)
2.3.3 RAKE接收机的性能分析 (12)
第3章RAKE接收机的仿真 (16)
3.1程序流程 (16)
3.2实验过程 (16)
3.2.1初状态设定 (16)
3.2.2产生数据源 (17)
3.2.3产生Walsh函数矩阵 (17)
3.2.3扩频产生发送信号 (18)
3.2.4获得接收信号并解扩三径信号 (18)
3.2.5采用三种合并方式 (18)
3.2.6 计算误码率并绘图 (18)
3.3单用户RAKE接收机性能仿真 (18)
3.4多用户RAKE接收机性能仿真 (19)
3.5本章小结 (21)
结论 (21)
参考文献 (22)
致谢 (22)
附录英文翻译 (23)
第1章概论
1.1课题背景
1.1.1直扩码分多址（DS-CDMA）
CDMA技术是一种多址接入的无线通信技术，CDMA技术最早出现在第二次世界大战期间，被美国军方用于军事通信，后来因为其巨大的商业价值而被转为商用蜂窝移动通信技术。从技术上来说讲，CDMA是一种基于扩频的无线通信技术，发送信号的带宽经过扩频后扩展变宽，然后进行传输。所以采用CDMA技术的通信方式通常被称为宽带无线通信。和传统的窄带通信系统相比，宽带通信系统具有传输速率高和容量大的优点。
以直接序列扩频信号为基础的码分多址方式称为直扩码分多址(DS-CDMA)。在DS-CDMA系统中，每个用户工作在相同的中心频率上，输入数据序列与PN序列相乘得到宽带信号。不同的用户(或信道)使用不同的PN序列。这些PN序列相互正交，从而可以利用PN序列来区分不同的用户或信道。常用的正交序列为Walsh序列。
1.1.2 移动信道传输
在陆地移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群以及其它地形、地物较为复杂的环境中，它的传输信道的特性是随时随地随机变化的，因此移动信道是一种典型的随参信道。
在VHF、UHF移动通信信道中，电波传播的方式主要是直射波、地面波和散射波，以及它们的合成波。在陆地移动通信中，移动台的天线将接收来自多条路径的信号，再加移动台本身是不断运动，使得移动台和基站之间的无线信道更加多变并且难以控制。
无线移动信道是一种很不良好的通信信道。衰落、多径和随机变化都是移动通信信道的基本特征。承载着信息的无线电波信号在移动信道中的传播损耗不但会随着信号传播距离的增加而增大，而且还会产生阴影效应和多径传播效应，使得电波的包络产生大幅度波动且随机变化。
与其它通信信道相比，移动通信信道是最复杂的一种。例如，在模拟有线信道中，比较典型的信噪比约为46dB，相当于信号电平要比噪声电平高40000倍
左右。而且对有线信道来说，其传输质量是可以人为控制的。通过选择合适的材料并且精心加工，可以确保在有线传输系统中有一个比较稳定的电气环境。在有线传输线路中，信噪比的波动通常不会超过l—2dB。与此相对照，陆地移动无线信道中，信号强度的骤然降低是经常发生的，衰落深度可达30dB。这种衰落现象会使接收信号的质量严重恶化，影响通信可靠性。
对于数字传输系统来说，衰落会使得比特误码率(BER)大大增加。移动信道与固定的点对点无线信道相比，前者的信号传输的误比特率比后者高106倍。在有线信道中能够很好工作的调制解调器、语音编码器以及同步装置在移动环境中的工作性能将会大大恶化。
对于移动通信系统来说，恶劣的信道特性是回避不了的问题。要在这样恶劣的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种有效的措施来抵消衰落带来的不利影响。这就是所谓的抗衰落技术。
1.1.3移动信道的多径传播
一般来说，各种随参信道具有的共同特性是：①信号的传输衰减随时间而变；
②信号的传输时延随时间而变；③信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象，如图1-1所示。
图1-1 信号的多径传播
多径效应：多径传播对信号传输的影响称为多径效应，是指由电波传播信道中的多径传输现象所引起的延时和衰落效应。在陆地移动通信中，移动台往往会受到各种障碍物和移动体的影响，导致最终到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。各传播路径参数会随时间变化，所以各分量场之间的相互关系也就随时间变化，从而引起合成波场的随机变化，形成总的接收场的衰落。因此，多径效应是引起衰落的重要原因。多径效应对数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。多径效应会使数字信号的码间串扰增大，为了减小码间串扰的
影响，通常要降低码元速率。因为信号带宽会随码元速率的降低而减小，多径效应的影响也会随之减轻。
多径衰落：多径效应会引起信号的衰落。各条路径的长度会随着时间的变化而变化，所以到达接收点的各分量场相位关系也是随时间变化的。这些分量场的随机干涉最终形成总的接收场的衰落。多径效应在不同的条件下会使传输信号发生平坦衰落、时间选择性衰落和频率选择性衰落，主要还是频率选择性衰落。
假设信号码元长度为T，第i条传输路径的信号时延与信号平均时延的差为△t,则二者的不同组合可产生三种不同的衰落现象：
①当信号码元长度T较小，且△t<=T时，将引起“平坦衰落”。
②当码元长度T较长，且△t<=T时，将引起“时间选择性衰落”。
③当信号码元长度T比较小，而△t比较大，且不满足△t<=T，将引起“频率选择性衰落”（这是时间扩散在频域中的反映）。因为多径合成波形有可能落在后续码元时间间隔内，引起码间干扰，因此，频率选择性衰落对于高速数据传输危害最大。
多径时散(时延扩展)：多径效应在时间上将造成数字信号波形的展宽，这种现象称为多径时散。时延大小主要取决于地物(如高大建筑物)和地形影响。一般情况下，市区的时延要比郊区大。也就是说，从多径时散考虑，市区传播条件更为恶劣。
相关带宽：从频域观点而言，多径时散现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。若信号带宽过大，就会引起严重的失真。为了使信号基本不受多径传播的影响，要求信号的带宽小于多径信道的相关带宽。1.2RAKE接收机的由来
在1956年，Prcie和Green首先提出了能够抗多径衰落的RAKE接收机的概念。美国的QUALCOMM公司在80年代坚持研究DS-CDMA技术，并且在1989年，QUALCOMM公司进行了首次CDMA实验。验证了DS扩频信号波形非常适合多径信道的传输，同时产生了RAKE接收机、功率控制和软切换等CDMA的关键技术。在1996年推动了窄带CDMA IS-95商用运行，让RAKE接收机产业化，同时也推动了RAKE接收技术的长足发展。
1.3国内外现状及研究成果
在目前的数字移动通信网中，CDMA系统正占据着越来越高的地位。TDMA 系统的业务综合能力比较高，能够进行数据和话音的综合，但终端接入速率有限。因为TDMA系统无软切换功能，所以容易掉话，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，因此TDMA并不是目前蜂窝移动通
信的最佳无线接入方式，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频技术将信号频谱进行扩展后，使其分散到较宽的频段上传输，然后在接收端进行解码，将原来的信号频宽恢复出来。扩展频谱技术主要可分为直接序列扩频、跳频和扩频。
然而，经过扩频后的带宽会变宽。当信号带宽大于通道的相干带宽时，信号在经过无线通信信道时会遭受频率选择性衰减的困扰。在接收端，为了克服信号衰落失真，就必须利用比较复杂的RAKE接收机来接收每个路径的信号，从而克服多重路径的影响。
面向未来的发展，RAKE接收机的发展将同三项关键革新技术相结合：智能天线技术、多用户检测、MIMO系统。
如东南大学基于多径能量窗的CDMA移动通信接收技术系列发明专利。该发明系列专利共包括“基于多径能量窗的DS/CDMA综合扩频相干接收装置”、“基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法”、“基于多径能量窗的CDMA系统初始同步与小区搜索装置”、“一种适合于CDMA多径衰落信道的频率自动校正装置”、“RAKE接收机中信道估计平均长度的动态调整及方法”、“LCR多普勒频率估计及信道估计平均长度动态调整方法”、“基于快速信道估
“CDMA系统低扩频比下的RAKE和SOV A 计子窗和保护窗的多径信道估计器”、
均衡级联接收方法和装置”和“CDMA系统导频干扰抵消方法和装置”等11项专利，其中7项已获国家专利局授权，4项已申请国际PCT专利。
1.4研究本课题的意义
由于在移动通信系统中，不可避免地存在着多径传播，接收机需要用均衡器来消除相邻符号间的干扰。CDMA扩频系统由于采用了自相关特性良好的扩频序列，只要各多径分量的相关带宽大于码片间隔，多径传播引起的干扰就仅仅是多径干扰而已，不影响信号的解调。因此，扩频通信系统中不需要采用均衡器。由于深度衰落时，接收机容易出现错误的判决，导致系统性能下降，因此，应采用RAKE接收技术来提高通信系统的性能
。
第2章RAKE 接收机设计的相关原理
2.1 码分多址与扩频
2.1.1 码分多址
CDMA 是码分多址(Code －Division Multiple Access)技术的缩写，是近年来在
数字移动通信发展进程中出现的一种较为先进的无线扩频通信技术，是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它并不像FDMA 、TDMA 那样把用户的信息在频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传送多个用户的信息，换句话说就是它允许用户之间的相互干扰。
在CDMA 通信系统中，不同用户的信息所用的信号不是靠频率域的不同或时
隙不同来区分的，而是用它们各自不同的编码序列来区分。接收机利用相关器可以从多个CDMA 信号中选出使用了预定码型的信号。其它使用不同码型的信号不能被解调，因为它们和接收机本地产生的码型不同。不同码型信号存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，因此通常称之为多址干扰。
码分多址能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。
图2-1 多址技术图
码分多址的关键在于信息在传输以前要进行相应的编码，编码并且信息混合
后不会丢失原来的信息。有多少个用户可以同时在一个载波上通信取决于有多少个互为正交的码序列。每个发射机都拥有属于自己的唯一伪随机码，同时接收机
也有要接收的代码的信息。用这个代码对信号进行滤波，接收机就能从混合的信号中恢复成原来的信息码。
CDMA的技术特点：
(1)CDMA是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点：①抗干扰能力强；②宽带传输，抗衰落能力强；③功率话密度比较低，有利于信号隐蔽；④利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。
(2)在扩频CDMA通信系统中，采用了新的关键技术：
①采用了多种分集方式。除了采用空间分集外，还采用了频率分集进行宽带传输，同时还采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。
②采用了话音激活技术和扇区化技术。
③采用了移动台辅助的软切换，通过它可以实现无缝切换，处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰。
④采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。
⑤具有软容量特性，兼容性好。
⑥CDMA的频率利用率高，不需频率规划。
2.1.2扩频技术
扩频技术是一种对信息进行处理的传输技术。扩频技术是利用和传输数据无关的码对被传输信号的频谱进行扩展，将信号调制到多个载波频率上的技术。使之占有远远大于被传送信息所必需的最小带宽的带宽。
扩频的基本方法有：直接序列、跳频、跳时和线性调频等。
直接序列扩频是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信号。
扩频技术提供了更为安全的传输，并且可以降低干扰，进而提高频带的利用率。在利用扩频技术时，对时钟频率加入抖动处理，使发射频率不再集中于一个频点上，还可以降低电磁干扰。
扩频信号具有以下三个特性：
(1)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；
(2)扩频信号带宽远大于欲传输数据带宽；
(3)接收机中必须有与宽带载波同步的副本。
目前为人们所熟知的手机标准CDMA就是对直接序列扩频技术的一个应用。进行扩频的主要特点有：低截获概率、抗干扰、抗多径衰落、码分多址能力、高距离分辨率以及精确定时特性等。
2.2分集接收原理
2.2.1分集接收的定义
所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的方法。
分集接收有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。
分集技术利用多条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。
2.2.2分集接收的方式
分集方式主要可分为“宏分集”和“微分集”：“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上，并使其在不同的方向上，这些接站同时和小区内的移动台进行通信；“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。
“微分集”主要可以分为以下六种：
(1)空间分集。空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关。
(2)频率分集。频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。
(3) 极化分集。由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。
(4) 场分量分集。由电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。
(5) 角度分集。角度分集的作法是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量；由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。
(6) 时间分集。快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，
即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。
2.2.3 合并方式
接收端收到M (M ≥2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。一般均使用线性合并器，把输入的M 个独立衰落信号相加后合并输出。
假设M 个输入信号电压为r 1(t )，r 2(t ), …，rM (t )，则合并器输出电压r (t )为：
2221111
N N N i i i i i i i i A A G A A A σσ=====?=∑∑∑ (2-1)
式中，ak 为第k 个信号的加权系数。
选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的有以下三种方式：
(1)选择式合并。选择式合并是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。
图2-2为二重分集选择式合并的示意图。两个支路的中频信号分别经过解调，然后作信噪比比较，选择有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。
选择式合并又称开关式相加。这种方式方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两种方式。
(2) 最大比值合并。最大比值合并是一种最佳合并方式，其方框图如图2-3所示。为了书写简便，每一支路信号包络rk (t )用rk 表示。每一支路的加权系数ak 与信号包络rk 成正比而与噪声功率Nk 成反比，即
(2-2)
由此可得最大比值合并器输出的信号包络为
(2-3) 可见合并增益与分集支路数N 成正比。
(3) 等增益合并。等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，
k k k r a N =211M M
k k k k k k k r r a r N ====∑∑
其方框图如图2-4所示。等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。
等增益合并器输出的信号包络为 ：
(2-4)
图2-2 二重分集选择式合并
2.3 RAKE 接收机
2.3.1 RAKE 接收机的定义
RAKE 接收技术是第三代CDMA 移动通信系统中的一项非常重要的技术。在CDMA 移动通信系统中，由于信号带宽比较宽，存在着比较复杂的多径无线电信号，通信会受到多径衰落的影响。RAKE 接收技术实际上是一种多径
分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。由于该接收机中横向滤波器具有类似于锯齿状的抽头，就像耙子一样，故称该接收机为RAKE 接收机。横向滤波器如图2-5所示。
图 2-5 实现最佳合并的横向滤波器
1M
E k k r r ==∑
∑=k
k r 12=k r 1图2-3 最大比值合并 图2-4 等增益合并
2.3.2 RAKE接收机的原理
在陆地通信系统中普遍存在着多径干扰和衰落，在城市环境中尤为严重。当不同的多径分量的衰落相互独立时，就可以采用分集接收技术来对抗衰落。
多径信号分离的基础原理是采用直接序列对信号频谱进行扩展。当直扩序列码片宽度为TC时，系统所能分离的最小路径时延差为TC。RAKE接收机利用直扩序列的相关特性，采用多个相关器来分离直扩多径信号，然后按照一定的规则将分离后的多径信号合并起来，用以获得最大的有用信号能量。这样就将有害的多径信号变成了有利的有用信号。
由于用户移动的随机性，接收到的多径分量的数量、幅度、时延、相位都是随机量。若不采用RAKE接收机，多径信号的合成如图2-6(a)所示，若采用了RAKE 接收机，则多径信号的合成如图2-6(b)所示。
图2-6 多径信号的矢量合成图
RAKE接收机主要应用在直扩通信系统中，特别是民用的CDMA通信系统。
在移动通信的环境中，不仅需要移动台收发器，也需要基站收发器。无论移动台处在通信区域中的哪一个位置上，系统都能够提供一条高品质的通信链路。对窄带系统来说，由于在传送一个符号的时间内，总会有那么一小部份功率较强的多径信号会出现在接收机端，因此系统需要通过软件操作来实现信道等化功能，以便消除符码之间的干扰现象。
由于CDMA通信系统具有宽带的特性（码片速率较高），因此在这些路径上可能会超过一个CDMA位的宽度。在这种情况下，传统的等化功能将不再适用，因此需要一种新的技术，它必须能够接收所有路径的信号，然后将它们组成一个完整的信号。RAKE接收机就扮演这样的角色，它可以收到所有可能路径上的信号，然后再将这些路径上的信号按一定规则组合成一个清晰的信号，它的强度远超过单个路径上接收到的信号。基本上，RAKE接收机会计算出参考模式与接收信号之间的相关性，而后找出个别信号的传送路径。
所谓的RAKE接收机，就是利用多个并行相关器来检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号以供解调用的接收机。特别指出，一般的分集技术会把多径信号作为干扰来处理，然而RAKE接收机采取变害为利的方法，就是利用多径现象来增强信号。图2-7示出了简化的RAKE接收机的组成。
图2-7 简化的RAKE接收机组成
在最大时延扩展为m的多径衰落信道中，RAKE的概念就是采用一种特定的宽带传输信号，其带宽W远远大于信道的相干带宽m，根据可分离的多径的概念，这种情况下可分离的多径数为L。于是RAKE接收机采用L个相关器，相邻相关器所处理的时延之差为1/W，每个相关器只从总的接收信号中提取相应延时的那部分多径信号。
移动通信信道本身是一种多径衰落信道，RAKE接收用于分别接收每一路的信号并进行解调，然后合成输出达到增强接收效果的目的，这里的多径信号不仅不是不利的因素，而且在CDMA系统中变成一个有利因素。
在移动通信系统中，受到城市建筑物和地形地貌的影响，用电波进行传播必然会出现多径传播和时延，使得接收信号出现延时和衰落，采用RAKE接收技术是十分有效的对抗多径衰落的方法。
在CDMA扩频系统中，信道的平坦衰落带宽远远小于信道带宽。与传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰不同的是，CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。于是，在无线信道中出现的时延扩展，就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，那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声，从而不再需要均衡了。
由于在多径信号本身是信号，只是因为在传播过程中衰落了，所以CDMA 接收机就利用多径现象，通过合并各路径信号来改善接收信号的信噪比。其实，RAKE接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的信号，并把它们合并在一起。图为一个RAKE接收机，它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器，它的理论基础就是：当传播时延超过一个码片时，多径信号可以被看
作是互不相关的。
图2-8 RAKE 接收机框图
图2-8中，带DLL 的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差±1/2(或1/4)个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。
延迟估计的主要部件是匹配滤波器，匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关，取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时，其相关能力最大，在滤波器输出端有一个最大值。根据相关能量，延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。
2.3.3 RAKE 接收机的性能分析
众所周知，误码率是衡量系统抗衰落性能的重要指标。在锐利衰落情况下，平均误码率与分集重数和合并方式密切相关。
M 进制DS-CDMA 系统误码率e P 和误比特率b P 的关系为：
/2(1)b e P P M M ?=- (2-5)
(1)不采用RAKE 接收(SFR)
在不采用RAKE 接收时。信号的接收相当于RAKE 接收机中单一支路接收。假定接收机随机捕获L 条多径中的一条，误码率为：
1{(1,)(2,),...,(1,)(,)}e P P s l s l s l s M l =->>
11[{(1,)(,),1}]M P s l s k l k -=->≠
111[1]SFR M e P -=-- (2-6)
基于高斯分布假设，可推导出1SFR e P 为：
1{(1,)(,)}SFR e P P s l s k l Q =<=
Q = (2-7) 其中，1SFR e P 是一个条件概率分布。 令222,/2j j j j j j b b γγβσ==是自由度为2的2χ分布。当L 个多路径成分都是相等平均强度的瑞利分布，即当j γγ=，存在j 时利用近似算法可得到1SFR e P 的均值为：
,1{j SFR avg e b P E ≈
1(12=- (2-8)其中，
1221(2(2/)cos ()(/))(4/3)(1))SFR ll ll c N T N L γφτ--Λ=+??+- (2-9)
(2)选择式合并(SDC)
1SDC e P Q = (2-10) 假设选择式合并仅搜索L 条多径中的前J 个。不失一般性，可假设第l 条路径的信号幅度最大，则1SDC e P 表达式与1SFR e P 相同 当j γγ=，存在j 时，
,1{l SDC avg e b P E ≈ (2-11)
其中，
122124(2{}cos ()(/)({}))3SDC l ll ll c l E b T L E b N N
γφτ--Λ=+??+- (2-12) 且有， 11201{}(1)()J J j l j J E b J J j j --+-=-??=-- ???
∑ (2-13) (3)等增益合并(EGC)
J 条支路RAKE 接收机在等增益合并和最大比合并时输出的判决分量为：
1
(1,)J
J j j s c s j ==∑ (2-14)
一般J L ≤。考虑到接收机实现的复杂性，选取L 个多径中前J 个进行处理。假定(1,)s j 是相互独立的高斯随机变量，,jj jj φφττ?=??=?，存在j ，容易得到
J s 的均值和方差：
11{})()J
c j j j E s T c φτβ==?-?∑ (2-15)
11112
22221()j j j J
s j D I N j c σσσσ==++∑ (2-16) 其它支的输出()s k 均值为0，方差为：
22221
()k kl kj J s j I N j c σσσ==+∑ (2-17)
当采用等增益合并时，1j c =，存在j 。则有
11{}EGC e k P P s s Q =<=
Q = (2-18) 当l γγ=，存在l 时，l γγ=
1EGC e P Q ≈ (2-19)
其中，
11221(2(2/)cos ()(/)(4/3)(1))EGC c J N T N L γφτ---Λ=+??+- (2-20)
(4)最大比合并(MRC)
当采用最大比合并时，在式(2-27)中
1MRC j j e c P β?=
Q =
Q = (2-21)
同理，可推导出如下公式：
1
MRC e P Q ≈ (2-22) 其中， 1221(2(2/)cos ()(/)(4/3)(1))MRC c N T N L γφτ--Λ=+??+- (2-23) 则平均误码率为：
,11{12MRC avg e P ≈1
22021[]}
4(1cos ()(1/))J k
MRC c k k k T φτ-=??? ?+?-?Λ??∑
(2-24)
第3章 RAKE接收机的仿真
3.1程序流程
图3-2 RAKE接收机软件仿真流程图
3.2实验过程
3.2.1初状态设定
本程序设计将比较不同用户下的多径接收误码率，所以设用户数为
******************* 实践教学 ******************* 兰州理工大学 计算机与通信学院 2010年秋季学期 通信系统综合训练 题目: 扩频多径信道下RAKE接收机的性能分析专业班级: 07级通信工程(3)班 姓名: 陈晓莉 学号: 07250312 指导教师: 曹明华 成绩：
本训练针对多径衰落信道，对移动通信系统中RAKE接收机实现原理进行了研究，设计了RAKE接收机的系统框图，利用MATLAB软件编程实现多径信道下RAKE接收机的性能仿真。通过对RAKE接收机在最大比值合并、等增益合并、选择式合并三种合并方式下的误码性能仿真比较可知，RAKE接收机应采用最大比值合并方式最为理想。 关键字：RAKE接收机；多径衰落；扩频通信；MATLAB
前言- 1 - 第1章绪论- 2 - 1.1移动信道的多径传播特性-2- 1.2扩频技术-2- 1.3RAKE接收机的由来-3- 第2章RAKE接收机基本原理- 4 - 2.1分集技术-4- 2.2合并方式-5- 2.3RAKE接收机的关键技术-7- 2.4RAKE接收机的基本原理-10- 第3章RAKE接收机的MATLAB编程与仿真- 13 - 3.1MATLAB语言的介绍-13- 3.2蒙特卡洛仿真模型-14- 3.3程序流程-14- 3.4MATLAB程序-15- 第4章仿真结果及分析- 18 - 4.1单用户RAKE接收机误码性能仿真-18- 参考文献- 19 - 总结- 20 -
前言 进入二十世纪，以码分多址（CDMA）技术为基础的第三代移动通信系统的开发成为通信领域中最热门的话题。第三代移动通信追求极大的通信容量，极好的通信质量和极高的频谱利用率。然而，在复杂的无线通信环境和有限的频率资源中实现这个目标，主要受到三个客观存在因素的限制：多径衰落、时延扩展以及多址干扰。在CDMA通信系统中，由于发送信号占用较宽的频谱资源，因而可以分辨出时间延迟存在细微差别的多径信号，利用这一特点，尽可能多地接收来自不同路径的信号，并按一定方式合并多径信号，以增加接收信号电平，克服多径衰落信道所造成的不良影响，这就是Rake多径分集接收的设计思想。 随着无线通信中扩频技术、智能天线技术和现代信息处理技术的不断变化发展，RAKE接收技术成为了第三代移动通信系统中的一项重要技术。掌握RAKE 接收机原理和技术有助于培养学生综合分析问题的能力，成为学习系统设计、巩固理论知识的最有效途径，对培养学生学习兴趣、提高综合素质具有非常重要的作用。 不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，在选择CDMA扩频码时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作是信号的再次传送。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。基于以上原理，RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。利用该特性，RAKE接收机可实现分集接收，达到抗多径干扰和抗衰落的目的。 本训练针对多径衰落信道，对移动通信系统中RAKE接收机实现原理进行了研究，设计了RAKE接收机的系统框图，利用MATLAB软件编程实现多径信道下RAKE接收机的性能仿真。
同步技术 一、同步技术的定义： 同步技术即调整通信网中的各种信号使之协同工作的技术。诸信号协同工作是通信网正常传输信息的基础。 二、同步技术的分类： 按照同步的功能来分，同步可以分为载波同步、位同步（码元同步）、群同步（帧同步）和网同步（通信网中用）等四种。 （一）载波同步 1、定义 当采用同步解调（相干检测，它的基本功能就是完成频谱的线性搬移，但为了防止失真，同步检波电路中都必须输入与载波同步的解调载波。）时，接收端需要提供一个与接收信号载波同频同相的相干载波，而这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。 2-1 2、提取方法 载波同步一般有两类方法：一类是直接提取法（自同步法），一类是插入倒频法（外同步法）。 （1）直接提取法（自同步法） 定义： 是从接收到的有用信号中直接（或经变换）提取相干载波，而不需要另外传送载波或其它倒频信号。 基本原理： 有些信号（如DSB信号、2PSK信号等）虽然本身不包含载波分量，但却包含载波信息，对该信号进行某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量来。 提取方法： 平方变换法和平方环法、同相正交环法（科斯塔斯环） ①平方变换法和平方环法
图2-2平方变换法提取载波 图2-2即为平方变换法提取载波，为了改善性能，可以在平方变换法大的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图2-3所示的方框图，这就是平方环法提取载波。 图2-3平方环法提取载波 由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。 ②同相正交环法（科斯塔斯环） 图2-4同相正交环法提取载波 同相正交环法（科斯塔斯环）是利用锁相环提取载波的另一种常用方法，由于加到上下两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号和它的正交信号，因此常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯环（Costas）环。如图2-4所示。 （2）插入倒频法（外同步法） 定义： 是在发端发送信息码元的同时，再发送一个（或多个）包含载波信息的倒频信号，并且要求这个倒频信号不随传播的信息变换，在接收端根据倒频信号提取载波。即发端除了发送有用信号外，还在适当的位置上插入一个供接收端恢复相干载波之用的正弦波信号（这个信号通常称为导频信号）。
《电子信息系统仿真》课程设计 级电子信息工程专业班级 题目FM调制解调系统设计与仿真 姓名学号 指导教师胡娟 二О一年月日
内容摘要 频率调制(FM)通常应用通信系统中。FM广泛应用于高保真音乐广播、电视伴音信号的传输、卫星通信和蜂窝电话系统等。 FM调制解调系统设计是对模拟通信系统主要原理和技术进行研究，理解FM系统调制解调的基本过程和相关知识，利用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现FM调制与解调过程，并分别绘制出基带信号，载波信号，已调信号的时域波形；再进一步分别绘制出对已调信号叠加噪声后信号，非相干解调后信号和解调基带信号的时域波形；最后绘出FM基带信号通过上述信道和调制和解调系统后的误码率与信噪比的关系，并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调系统的正确性及噪声对信号解调的影响。在课程设计中，系统开发平台为Windows XP，使用工具软件为 7.0。在该平台运行程序完成了对FM调制和解调以及对叠加噪声后解调结果的观察。通过该课程设计，达到了实现FM信号通过噪声信道，调制和解调系统的仿真目的。了解FM调制解调系统的优点和缺点，对以后实际需要有很好的理论基础。 关键词 FM；解调；调制；M ATL AB仿真；抗噪性
一、M ATLAB软件简介 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。其特点是： (1) 可扩展性：Matlab最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M文件。对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用Matlab所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。从而大大扩展了其应用范围。当前支持Matlab的商用Toolbox(工具箱)有数百种之多。而由个人开发的Toolbox则不可计数。 (2) 易学易用性：Matlab不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。 (3) 高效性：Matlab语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。如fft语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功能。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。据MathWorks公司声称，Matlab软件中所包含的Matlab 源代码相当于70万行C代码。
3G移动通信 实验报告 实验名称：Rake接收机仿真 学生姓名： 学生学号： 学生班级: 所学专业： 实验日期:
1. 实验目的 1. 了解Rake 接收机的原理。 2. 分析比较三种不同合并算法的性能。 2. 实验原理 移动通信系统工作在VHF 和UHF 两个频段（30——3000MHz ）,电波以直射方式（即“视距”方式）在靠近地球表面的大气中传播。由于低层大气并非均匀介质，会产生折射和吸收现象；而且传输路径上遇到的各种障碍物（如山，高楼，树等）还可能发生反射、绕射和散射等，到达接收方的信号可能来自不同的传播路径。即移动通信的信道是典型的多径衰落信道，如下图所示： 图9-1 多径传播示意图 多径传播将引起接受信号中脉冲宽度扩展，称为时延扩展。时延扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来测量。时延扩展会引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 分集技术是克服多径衰落的一个有效方法。包括频率分集，时间分集、空间分集和极化分集。其基本原理是接收端对多个携带有相同信息但衰落特性相互独立的多径信号合并处理之后进行判决，从而将“干扰”变为有用信息，提高系统的抗干扰能力。 本仿真采用在CDMA 系统中广泛使用的Rake 接收技术，且为时间分集。因为当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可看成是互不相关的。Rake 接收机采用一组相关接收机，分布于每条路径上，各个接收机与同一期望信号的多径分量之一相关，根据各个相关输出的相对强度加权后合成一个输出。根据加权系数的选择原则，有三种合并算法：选择式合并，等增益合并和最大比合并。 Rake 接收机的相关器的原理如图： 图9-2 Rake 接收机的相关器的原理 假设采用M 个相关器去接收M 个多径信号分支，其中12,,,M ααα是每一条分支的乘性系数，它们的取值是根据所采用组合方式（例如最大比合并、等增益合并等）而可调的。不妨令相关器1与最强的多径支路1m 同步，并且多径支路2m 比多径支路1m 延迟时间1 τ
程序： clear all clear all clc a=30; source=zeros(1,a); source=randint(1,a,2); %产生长度为a的随机二进制信号 figure(1);subplot(3,2,1);stem(source);title('二进制信号波形');grid on; axis([0,a, -0.1,1.1]); x=source; %%%%%%%%%%%%%%差分编码%%%%%%%%%%%%%%%%% y1=zeros(1,a); for n=1:a-1 y1(n)=xor(x(n),x(n+1)) end figure(1);subplot(3,2,2);stem(y1);title('差分编码后信号波形');grid on; axis([0,a, -0.1,1.1]); %%%%%%%%%%%%%%%BPSK调制%%%%%%%%%%%%%%% fc=4800; %载频 fd=2400; %码元速率 fs=12000; %采样频率 y2=dmod(x,fc,fd,fs,'psk',2); figure(1);subplot(3,2,3);plot(y2);title('BPSK调制后信号波形');grid on; axis([0,a,-1.1,1.1]); %%%%%%%%%%%%%%加入带有高斯白噪声的信道%%%%%%%%%%% b=3 y3=awgn(y2,b);%信号调制中加入白噪声，信噪比为b figure(1);subplot(3,2,4);plot(y3);title('经过高斯白噪声信道后的信号');grid on; axis([0,a, -1.1,1.1]); %%%%%%%%%%%%%%%%%%BPSK解调%%%%%%%%%%%%%%%% fc=4800; fd=2400; fs=12000; y4=ddemod(y3,fc,fd,fs,'psk',2); figure(1);subplot(3,2,5);stem(y4);title('BPSK解调后信号波形');grid on; axis([0,a,-0.1,1.1]); %%%%%%%%%%%%%%差分译码%%%%%%%%%%%%%%%%%
数字通信系统中的载波同步技术研究 一、引言 在数字通信系统中解调方式可以决定数字调制系统的性能。载波恢复是数字通信系统中一个必不可少的部分，补偿了信号在传输过程中造成的频偏损害且跟踪相位。 二、载波同步信号的性能要求 载波同步系统的主要性能指标是精度、效率、相位抖动、同步建立时间等。 （一）精度 精度是指提取载波与需要的载波标准比较，相位误差应该尽量小。 （二）效率 效率指获取载波信号的过程中尽量少消耗发送功率。载波同步追求的是高效率。 （三）同步建立时间ts 同步建立时间是指从开机或失步到同步所需要的时间。为了使同步建立的更快载波同步系统要求ts越小越好。 三、频偏及载波相位误差对数字通信系统的影响 对双边带信号设，是提取的相干载波，解调器滤波后输出低频信号m’(t)为（1） 如果提取的相干载波与输入载波没有相位差，即 =0， =1，则解调输出，这时信号幅度最大。若存在相位误差，因为 <1，解调后输出信号幅度下降，信噪比下降倍，因此会使误码率增加。对2psk信号当信噪比下降倍时，这时误码率将会变为 （2） 对于单边带解调和残留边带解调而言，相位误差不仅会使信噪比下降，而且在解调器输出中会产生原基带信号的正交项，使基带信号发生畸变，这种影响将随增大而严重。 （3） 在数字通信系统中因为发送端和接收端的本振时钟不一致，用在载频和中频上的射频振荡器的频率不确定性也会引起大的频偏，不同频偏时相邻符号间不仅有固定的相位差变化，而且还会随着时间的变化额外加上某个不确定相位。星座图上表现出来的就是星座图不是在固定的几个点而是随着时间变化在旋转。 图1是用matlab工软件仿真的不同频率偏移时 -dqpsk通信系统的误码率曲线。从图1可以看出频率偏移也会导致 -dqpsk通信系统在检测时误比特率(ber)性能变差，频偏对通信系统的误码率的影响很大，为此必须在接收端补偿这个频偏，这就需要进行载波恢复，评价接收机性能的重要标准之一就是载波提取性能的好坏，为了保证信息的可靠传输，对载波相位偏移以及频率偏移的估计方法的研究具有重要意义。
跳频通信系统中同步技术研究 作者：李娜 来源：《现代电子技术》2011年第01期 摘要：同步技术是跳频通信系统关键技术之一。针对跳频通信系统中同步的要求，采用同步字头与时间信息相结合的方法实现跳频同步。首先研究了跳频同步方法、同步信息格式和初始同步等问题，最后对同步性能进行了分析。结果表明，该跳频通信系统的同步时间短、捕获概率高、虚警概率低。 关键词：跳频通信；同步字头; 时间信息TOD; 同步方案；同步性能 中图分类号：TN914.41-34文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)01-0095-02 Technology of Synchronization in Frequency-hopping Communication System LI Na (Beijing HAIGE SHENZHOU Communications Technology Co. Ltd., Guangzhou HAIGE Communications Group，Beijng 100070, China) Abstract： Synchronization is one of the key technologies of FH communication. The synchronization of frequency hopping is achieved by adopting synchronization head and time of day to meet the requirement of practical development of FH communication system. The method of frequency-hopping synchronization, the format of synchronization information and the capture of synchronization are studied, and the performance of synchronization is analyzed. The results show that the FH communication system has characteristics of short synchronization time, high capture probability and low false probability. Keywords： frequency-hopping communication; synchronization head; TOD; synchronization scheme; synchronization performance 0 引言 跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段，其独特的抗干扰性能使其在军事和民用领域都得到了越来越广泛的应用。由于定时时钟相对误差、传输信道的多普勒频移等因素，跳频通信系统存在时间和频率的不确定性，为保证正常工作，建立和实现准确的跳频同步是关键［1］。 1 跳频同步方法的研究
题目基于SIMULINK的通信系统仿真 摘要 在模拟通信系统中，由模拟信源产生的携带信息的消息经过传感器转换成电信号，模拟基带信号在经过调制将低通频谱搬移到载波频率上适应信道，最终解调还原成电信号；在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。本文应用了幅度调制以及键控法产生调制与解调信号。 本论文中主要通过对SIMULINK工具箱的学习和使用，利用其丰富的模板以及本科对通信原理知识的掌握，完成了AM、DSB、SSB、2ASK、2FSK、2PSK三种模拟信号和三种数字信号的调制与解调，以及用SIMULINK进行设计和仿真。首先我进行了两种通信系统的建模以及不同信号系统的原理研究，然后将学习总结出的相应理论与SIMULINK中丰富的模块相结合实现仿真系统的建模,并且调整参数直到仿真波形输出，观察效果，最终对设计结论进行总结。 关键词通信系统调制 SIMULINK
目录 1. 前言 (1) 1.1选题的意义和目的 (1) 1.2通信系统及其仿真技术 (2) 3. 现代通信系统的介绍 (7) 3.1通信系统的一般模型 (7) 3.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型 (7) 3.2.1 模拟通信系统模型 (7) 3.2.2 数字通信系统模型 (8) 3.3模拟通信和数字通信的区别和优缺点 (9) 4. 通信系统的仿真原理及框图 (12) 4.1模拟通信系统的仿真原理 (12) 4.1.1 DSB信号的调制解调原理 (12) 4.2数字通信系统的仿真原理 (16) 4.2.1 ASK信号的调制解调原理 (16) 5. 通信系统仿真结果及分析 (21) 5.1模拟通信系统结果分析 (21) 5.1.1 DSB模拟通信系统 (21) 5.2仿真结果框图 (24) 5.2.1 DSB模拟系统仿真结果 (24) 5.3数字通信系统结果分析 (28) 5.3.1 ASK数字通信系统 (28) 5.4仿真结果框图 (35) 5.4.1 ASK数字系统仿真结果 (35)
直扩通信系统基本原理与仿真 摘要：扩频通信技术是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越为人们所认识，并被广泛地应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的发展。在扩频通信中，最常用的一种调制方式是直接序列扩频。本文阐述了扩频通信的基本概念，并且着重介绍了直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)通信系统的基本原理，分析了其主要性能指标，通过MATLAB软件仿真直接序列扩频通信系统，得到了在不同干扰下系统的误码性能，根据仿真结果，给出了关于扩频通信系统性能的一些结论，最后，对扩频技术发展提出了一些有益的设想。 【关键词】直接序列扩频误码性能扩频多址抗干扰 Abstract:Spread spectrum communication technology is a emerging communication methodof modern communication systems.This communication method has the excellent properties: the strong anti-jamming , anti-fading and multipath performance and high spectrum efficiency , multiple access communications. And more and more people knowmany other advantages , and it is widely used in various fields of military and civilian communications traffic.It promotes the development of all undertakings. In spread spectrum communications , the most commonly method to be used is direct sequence spread spectrum modulation. This paper describes the basic concepts of spread spectrum communications , and focuses on the basic principles of direct sequence spread spectrum communication system, then analyzes its key performance indicators. We use MATLAB software for direct sequence spread spectrum communication system to conduct simulation, then system error performance can be obtained under different conditions of interference. Finally, according to the simulation results, I give some conclusions about the performance spread spectrum communication system, and put forward some useful ideas of spread spectrum technology. 【Keyword】Direct Sequence Spread SpectrumBER performanceSSMAAnti-jamming performance 1绪论 1.1扩频通信引入背景 美国在20世纪50 年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。以后随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，而且与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展，而且也使扩频通信的理论和技术得到了进一步的发展。目前在军事上，它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。 扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS和GLONASS)以及美军的联合战术分布系统(JTIDS)为代表，GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了
技术研发TE C H N O LO G Y A N D M A R K ET V〇1.23,N〇.12,2016通信系统中同步技术的类型与实现方法 彭宇 (平江第一中学，湖南平江41500) 摘要：同步属于通信系统的重要部分，其性能直接影响着通信系统的运行效果，如果同步技术不到位，会影响整个通信系统的稳定性。主要针对通信系统中常用的同步技术的类型与实现方法进行分析。 关键词：通信系统；同步技术；类型；实现方法 doi：10. 3969/j.issn.1006 -8554.2016. 12.070 〇引言 同步技术对于通信系统运行的影响非常大。在各类因素的影响下，通信时收发双方需要设置在不同的地点，要想同一步调地进行工作，就需要利用通信系统的同步技术来完成。同步系统性能的好坏会直接影像整个通信系统的运行效率，如果性能不佳，甚至会给整个系统带来瘫痪性后果。同步技术有很多的种类，本文是对整个通信系统进行研究分析，讲述同步技术的方法、性能和原理及对系统性能的影响等，从而对同步技术有一个较完整和全新的认识。 1同步技术的类型和基本原理 1.1功能分类 按功能划分，同步技术主要包括载波同步、位同步、群同步和网同步几种类型。载波同步技术在通信中频带的传输采用长距离传输方式，而基带传输是短距离采用的传输方式，因此通信系统主要通过发送端来进行调制。信号中的接收调制载波与本地的载波信号达到同频同相，获取的本地载波就是载波同步。位同步技术又可以称之为元同步，它是数字通信系统中特殊存在的一种同步技术，位同步的产生是基于基带传输和频带传输的需要。所有消息在数字通信系统中都是通过位同步传送的，这是取样判决的基础。 在数字通信中，字是组成信息流的基本单位，首先字是由多个码元所形成，然后再由多个字形成句。对于多路信号而言，各路正确的信号是由接收端区分的，利用发送端的合路规律进行分路。每群头尾的标记是在数字信息流中发送端插人一些特殊码组，帮助接收端正确的分离各路信号，因此，这一技术又被称为群同步。此外，在社会的发展下，同步技术开始实现与网络通信技术的融合，网络通信是现代通信的一种手段，在通信中有很多种通信和信息传递的设备，各种不同的信息码流是通过设备产生和传送的。建立一个统一协调的系统，其目的就是将低速数字流合并成调整数字进，避免信息丢失，让整个网络系统工作能够顺利的完成。 1.2 实现分类 按照实现类型来分类，同步技术可以分为外同步法和自同步法。在外同步法中，同步信息是由专门的发送端发送，由于在传送的信息并不在导频范围内，所以其频率和功率也受到了限制。第二种方法是自同步法:专门同步的信息将不会被发送端传送出来，但是为了得到专门同步的信息，接收端会从接收到的信号中进行收集。自同步法工作效率高，抗干扰性强，但是，与外同步法相比，该种方式的接收端更加的复杂，增加了成本。 2同步技术的实现方法 目前，最为常用的方法是自同步法，采用该种方式，整个功率和带宽分配都可以通过其进行信号传输，有着广泛的应用空间，载波同步和位同步中也广泛采用了这种方法;此外，自同步 法也是群同步的采用方法，其核心内容包括几个方面:①在自 同步法中，平方变换法、同相正交环法和平方环法是自同步下 载波同步的三个组成部分，在将不直接包含载波的信号进行非 线性变换后，即可提取载波。②自同步法的主要方法就是滤波 法与锁相环法，其中，锁相环法需要在鉴相器后加数字滤波器，这样可以有效解决位同步的抖动问题。③网同步也是自同步 法的一个重要内容，由准同步、主从同步以及相互同步三种组成，准同步这种方法非常的繁琐，其运营效果关系到通信网整 体的状态和运行的状况，此外，准同步还需要保持自身时钟设 置的稳定性，确保设备自身时钟与其他设备是同步的，并将滑 码控制在规定的范围内。 3同步技术的性能指标 影响同步技术性能指标的因素多样化，为了判定这一技术 的有效性，一般采用几个性能指标进行评估:①精度、效率、同 步保持时间和同步时间是载波同步的性能指标。②相位误差、同步立时间、保持时间及同步带宽等是同步的性能指标。③群 同步的性能指标与载波同步、位同步有着很大的不同，它的性 能指标包括假同步概率、漏同步概率和平均建立时间等，正确 或错误是群同步的两种状态，两者必定会有一个存在。④时间 间隔误差、最大时间间隔误差、时延和频率准确度等是网同步 的性能指标。 4结语 同步系统对于通信系统的正常运行影响是非常大的，为了 充分发挥同步系统的作用，需要采取科学的措施提升其有效性，不断创新其理论与技术，就目前来看，我国学者已经针对同 步系统展开了深人的研究，各类专用性集成软件与多用软件已 经在市场上得到推广。但是，在科技的日新月异的发展下，通 信系统也针对同步系统提出了更高的要求，我们需要不断的进 行创新，进一步提升同步技术的稳定性。 参考文献： [1]商贺，谭志良.基于System Generator的跳频通信系统 LMS干扰对消算法实现[J].军械工程学院学报，2016 (3). [2]向春枝，崔艳.跳频通信系统的异常跳变故障检测模型仿 真[J].计算机仿真，2014(10). [3]谢轲，陈建行，高留洋，等.应用灰关联评估方法分析跳频 通信系统[J].现代电子技术，2013(7). [4]鄢茂林，蒋子刚，涂卫红.跳频通信同步信息传输的抗干 扰策略[J].电讯技术，2〇09(4). 118
在CDMA扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA 扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作只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，那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了。 由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。图为一个RAKE接收机，它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器，其理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可 RAKE接收机框图 带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差±1/2（或1/4）个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。 由于信道中快速衰落和噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。 基于连续导频信号的信道估计方法
使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法 LPF是一个低通滤波器，滤除信道估计结果中的噪声，其带宽一般要高于信道的衰落率。使用间断导频时，在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计，采用判决反馈技术时，先硬判决出信道中的数据符号，在已判决结果作为先验信息（类似导频）进行完整的信道估计，通过低通滤波得到比较好的信道估计结果，这种方法的缺点是由于非线性和非因果预测技术，使噪声比较大的时候，信道估计的准确度大大降低，而且还引入了较大的解码延迟。 延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到RAKE 接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/4～1/2码片，而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中，如果延迟估计的更新速度很快（比如几十ms一次），就可以无须迟早门的锁相环。 本地的扩频码和扰码 串行输入 采样数据 匹配滤波器的基本结构 延迟估计的主要部件是匹配滤波器，匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关，取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时，其相关能力最大，在滤波器输出端有一个最大值。根据相关能量，延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。
通信系统主流仿真软件简介 学号： 姓名： 专业：
Systemvue（原System View） System View 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，System View 在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。 在2005年Elanix被美国安捷伦（Agilent）公司收购，把软件名字改为SystemVue,由原先的SystemView1.0，SystemView4.5，SystemView5.0，SystemView.6.0,再到后来的SystemView2005，SystemVue2007，SystemVue2008.功能也逐步的的完善，有开始的具有基本的仿真功能到后来的增加了DSP库，第二代，第三代移动通讯，蓝牙库的完善，实例仿真的范围的拓展，眼图相位噪声处理的完善。随着科技的发展，人类创造出来的智慧也在不断升值。 ELANIX公司位于CALIFORNIA州，公司总裁和创建人PATRICK J.READY博士拥有先进的信号处理器的美国和国际专利权,是一位信号处理和通信方面的改革者。ELANIX公司的技术力量雄厚,其设计工作可以依据使用的处理器及其环境的状况,使用DSP,MP'S,ASIC,VLSI神经网络和其他当前领先的技术。包括所有的用于商业和军用的信号处理在内,公司在理论分析,软件开发,仿真与测试,硬件设计和微处理器等方面有广泛的经验。 SystemView的特点 1.真正的动态系统仿真器； 2.直觉样本数据（Z域）和连续的Laplace域系统详细说明； 3.多速率系统和并行的平行系统； 4.时间连续和时间离散的混合系统；
3.3 单用户RAKE接收机性能仿真 3.3.1 仿真程序 利用MATLAB软件来仿真RAKE接收机分集接收性能的程序如下：Numusers=1; %用户数 Nc=16; %扩频因子 ISI_Length=1; %每径延时为ISI_Length/2 EbN0db = [0:2:10]; %信噪比，单位db Tlen=5000;%数据长度 Bit_Error_Number1=0;%误比特率的初始值 Bit_Error_Number2=0; Bit_Error_Number3=0; power_unitary_factor1=sqrt(5/9);%每径功率因子 power_unitary_factor2=sqrt(3/9); power_unitary_factor3=sqrt(1/9); s_initial=randsrc(1,Tlen);%数据源 %产生Walsh 矩阵 Wal2=[1 1;1 -1]; Wal4=[Wal2 Wal2;Wal2 Wal2*(-1)]; Wal8=[Wal4 Wal4;Wal4 Wal4*(-1)]; Wal16=[Wal8 Wal8;Wal8 Wal8*(-1)]; %扩频 s_spread=zeros(Numusers,Tlen*Nc); ray1=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc); ray2=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc); ray3=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc); for i=1:Numusers x0=s_initial(i,:).'*Wal16(8,:); x1=x0.';
RAKE 接收机可以有效降低误码率，克服多径效应，是一种有效的多径分集方式，通过仿真可知，采用三种合并方式都能提高其性能，其中，最大比值合并方式最有效。 移动通信系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，信号的传播过程中，受地面或水面反射和大气折射的影响，会产生多个经过不同路径到达接收机的信号，通过矢量叠加后合成时变信号，这种现象称作多径效应。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题，陆地无线移动信道中信号强度的骤然降低（衰落）是经常发生的，衰落深度可达30 d B。 要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。对模拟移动通信系统来说，多径效应引起接收信号的幅度发生变化；对于数字移动通信系统来说，多径效应引起脉冲信号的时延扩展，时延扩展将引起码间串扰（ISI），严重影响数字信号的传输质量 在移动通信中多径衰落以瑞利（Rayleigh）衰落为主，他是移动台在移动中受到不同路径来的同一信号源的折射或反射等信号所产生，他的变化是随机的，因此只能用统计或概率 的观点来定量描述。 RAKE 接收机基本原理 一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE 接收机变害为利，利用多径现象来增强信号，CDMA移动通信系统中，信道带宽远远大于信道的相关带宽，不同于传统的调制技术需要用均衡法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA 扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性，这样，在无线信道传输中出现的时延扩展，可以被看作只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周期，那么它们就可看作是互不相关的。RAKE 接收机包含多个相关器，每个相关器接收多路信号中的一路，各相关接收机与被接收信号的一个延迟形式相关，通过多个相关检测器，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求和，以提供优于单路相关器的信号检测，然后在此基础上进行解调和判决。简化的RAKE接收机框图如图1所示 采用三种合并方式 采用最大比值合并时，需要计算出每径的加权系 数。首先计算出每一路径的信号功率，然后把每一路径 的功率与所有路径功率的比值作为该路径的加权系数， 得到最大比值合并器的输出信号包络；采用等增益合并
大学 本科实验报告 课程名称：通信系统仿真实践 学院（系）：电子信息与电气工程学部专业：电子信息工程 班级： 学号： 学生姓名： 2011年11 月29日
实验项目列表
大学实验报告 学院（系）：专业：电子信息工程班级： 姓名：学号：组：___ 实验时间：2011.10.17 实验室：C223 实验台： 指导教师签字：成绩： 实验一简单基带传输系统 一、实验目的和要求 掌握观察系统时域波形，特别是眼图的操作方法。 二、实验原理和内容 【实验原理】 简单的基带传输系统原理框图如图1所示，该系统并不是无码间干扰设计的，为使基带信号能量更为集中，形成滤波器采用高斯滤波器。 图1. 简单基带传输系统组成框图 【实验内容】 构造一个简单示意性基带传输系统。以双极性 PN 码发生器模拟一个数据信源，码速率为100bit/s，低通型信道噪声为加性高斯噪声（标准差＝0.3v）。要求：观测接收输入和滤波输出的时域波形； 观测接收滤波器输出的眼图。
三、主要仪器设备 PC机 四、实验步骤与操作方法 第1 步：进入SystemView 系统视窗，设置“时间窗”参数如下： ①运行时间：Start Time: 0 秒； Stop Time: 0.5 秒； ②采样频率：Sample Rate：10000Hz。 第2 步：调用图符块创建如图1 所示的仿真分析系统： 图1. 创建的简单基带传输仿真分析系统 其中，Token1 为高斯脉冲形成滤波器；Token4 为高斯噪声产生器，设标准偏差StdDeviation=0.3v，均值Mean=0v；Token5 为模拟低通滤波器，来自选操作库中的“LinearSys”图符按钮，在设置参数时，将出现一个设置对话框，在“Design”栏中单击Analog…按钮，进一步单击“Filter PassBand”栏中Lowpass 按钮，选择Butterworth 型滤波器，设置滤波器极点数目：No.of Poles=5（5 阶），设置滤波器截止频率：LoCuttoff=200 Hz。 第3 步：单击运行按钮，运算结束后按“分析窗”按钮，进入分析窗后，单击“绘制新图”按钮，则Sink10～Sink13 显示活动窗口分别显示出“PN 码输出”、“信道输入”、“信道输出”和“判决比较输出”时域波形，如图1 所示： 第 4 步：观察信源PN 码和波形形成输出的功率谱。通过两个信号的功率谱可以看出，波形形成后的信号功率谱主要集中在低频端，能量相对集中，而PN 码的功率谱主瓣外的分量较大。在分析窗下，单击信宿计算器按钮，在出现的“System Sink Calculator”对话框中单击Spectrum 按钮，分别得到Sink10 和Sink11 的功率谱窗口后，可将这两个功率谱合成在同一个窗口中进行对比，具体操作为：在“System Sink Calculator”对话框中单击Operators 按钮和Overlay Plots 按钮，在右侧窗口内压住左键选中“w4：PowerSpectrum of Sink10”和“w5：Power Spectrum of Sink11”信息条，使之变成反白显示，最后单击OK 按钮即可显示出对比功率谱，如图2 所示。
实验报告 --Rake接收机及其特性实验 班级：XXXXXXXX 学号：XXXXXXXX 姓名：XXXXXXXX
Rake接收机仿真 一、实验目的 (1)了解rake接收机的原理 (2)分析比较3中不同合并算法的性能 二、实验内容 (1)编写MATLAB程序，实现Rake接收机 (2)修改信噪比，观察3种合并算法的误码率 三、实验原理 本仿真采用在CDMA系统中广泛使用的Rake接收技术，且为时间分集。因为当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上课看成是互不相关的。Rake接收机采用一组相关接收机，分布于每条路径上，各个接收机与同一期望信号的多径分量之一相关，根据各个相关输出的相关强度加权后合成一个输出。根据加权系数的选择原则，有3种合并算法：选择式合并、等增益合并和最大比合并。 选择式合并是检测接收到的多径信号，挑选其中信噪比最大的一径作为输出；等增益合并是将接收的多径信号按照相等的增益系数，同相相加后作为输出；最大比合并时按照适当的增益系数，同相相加后作为输出。在不同的噪声环境中，三种合并算法的效果不同。 Rake接收机的相关器的原理图如下图所示 假设采用M个相关器去接收M个多径信号分支，其中a1,a2,……,aM是每一条分支的乘性系数，它们的取值是根据所采用组合方式（例如最大比合并、等增益合并等）而可调的。不妨令相关器1与最强的多径支路m1同步，并且多径支路m2比多径支路m1延迟时间t1到达接收端。相关器2与多径支路m2同步，它与m2具有很好的相关性，但与m1的相关性则很差。以此类推，第M个相关器与m1时延tM-1的多径分量mM相关性很强，但与m1、m2、……mM-1等多径分量相关性则很差。因此如果一条多径分支受到衰落的影响，则由于各条支路的独立性，还会有其他没有受到衰落的信号分支，此时给衰落的信号分支设定一个很小的加权系数，就可以将该路的干扰抑制。Rake接收机的原理图如下图所示：