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1、精品论文推荐基于多载波扩频通信的 Rake 接收机的 FPGA 实现卢宏刚,于厚刚北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876）E-mail：yifei80摘要：由于移动环境的复杂性,无线信号在发送传输和接收过程中有很明显的衰落现象, 特别是在高频无线通信中，多径衰落或频率选择性衰落对无线信号的干扰最为严重。通过分集接收技术，Rake 接收机在 CDMA 移动通信系统中抗多径衰落效果最为明显。多径信号的每路信号都可能含有可以利用的信息, Rake 接收机就是通过多个相关接收器接收多径信号中 各路信号,通过信道估计和信道补偿消去信道因子的附加相位，并把他们合并在一起,以此来改善信号的信噪比
2、。本文介绍了某多载波扩频通信系统中的 Rake 接收机工作原理和设计思 想，并用 FPGA 予以实现。关键词：多载波扩频通信，CDMA，Rake 接收机，FPGA 中图分类号：TN850.91. 引 言移动通信无线信道中的衰落损耗分为路径传播损耗、慢衰落损耗和快衰落损耗。慢衰落 通常是由电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生的阴影效应造成的,服从对数正态 分布,通常的克服方法是采用基于蜂窝系统的宏分集技术和功率控制。快衰落又分为空间选 择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落，通常是由移动台周围物体的复杂的反射引起 的,服从瑞利分布、莱斯分布和纳卡伽米分布,克服方法是采用和宏分集对应的微分
3、集技术。分集技术是补偿衰落信道损耗的。基站和移动台都可以应用分集技术。分集技术有多种, 主要可分为两大类1:显分集和隐分集。显分集最常用的分集技术是空间分集,即几个天线被 分隔开来,并被连到一个公共的接收系统中。当一个天线未检测到信号时,另一天线可能会检 测到信号的峰值,而接收机可以随时选择接收到的最佳信号作为输入。其他显分集技术包括 天线极化分集、频率分集、时间分集等。隐分集主要是把分集作用隐蔽于传输信号之中。在 接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集只需一副天线来接收信号,因此在数字移动通信 系统中得到广泛的应用。TDMA移动通信系统（如GSM）采用均衡技术来抗多径衰落，CDMA系 统（如
4、 3G系统）通常采用Rake接收机来抗多径衰落或频率选择性衰落，Rake接收是一种隐 分集技术，从现象上看是利用多径时延进行的分集，但从理论上看它属于频率分集，正是由 于时延扩散才引入了频率选择性衰落。2系统介绍在移动通信系统中，需要在每个小区同事支持多个用户的通信，而CDMA就是一种较理 想的多用户的多址方式，它利用地址码来正交（或准正交）地区分用户。但CDMA系统是一 个干扰（或信噪比）受限系统。其容量主要受限于移动信道中的主要干扰3：多径干扰和多 址干扰；其速率也受限于多径干扰产生的时延功率谱扩展与信息符号码元之间的比值，即相 对多径干扰比值。而OFDM又可以在多个载波上进行并行传送，既
5、可以提高频谱利用效率， 又可以实现理想的频率分集效果，提高抗衰落、抗干扰的能力。因此，将CDMA与OFDM有 机结合，有可能成为未来高速率传输的移动通信中富有竞争力的新体制之一。MC-DS-CDMA 就是CDMA与OFDM最有效的结合方案之一。本文就是介绍了一个MC-DS-CDMA系统的 Rake接收机的设计实现，它采用四个载波调制，每个载波在理想情况下分两径。- 5 -3Rake 接收机原理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。由于用户的随机移动性，经过无线信道传播后接收到的多径分量的数 量、大小（幅度）、时延、相位均为随机变量
6、3，因此合成后合成矢量亦为一个随机变量。 但可以利用扩频信号设计将各路径信号加以分离，再利用Rake接收将被分离的各条路径信 号相位校准、幅度加权，并将矢量和变成代数和，从而加以充分利用。Rake接收机就是通 过多个相关接收器接收多径信号中各路信号4,并把他们合并在一起,如图 1 所示。图 1 Rake 接收机结构图假设:信号 s(t)通过扩频调制后为 y(t),那么经过传输路径到达接收机,接收信号 r(t)可表示为 r(t)=y(t) c(t),这里 c(t)是此传输路径的冲激响应函数, 表示卷积。信号经过多个路径传到接收机时,由于不同路径的时延不同,对信号幅度,相位的影响不同,所以接收信号
7、可表示为:L 1L 1r(t)= rl (t ) cl (t ) s(t- l )+n(t)l =0l =0其中, rl (t)表示由第 l 条路径传输过来的信号,是复函数,表示第 l 条路径对信号幅度和相位的影响,s(t)是发送端发射的信号,和。 l 是第 l 条路径的传输时延,n(t)表示各路的加性噪声之4. 本系统 Rake 接收机的设计4.1 系统指标Rake接收机分离和利用多径的能力受分辨率即扩频增益和Rake接收的信号处理方式及 能力所限。根据宽带扩频信号的相关理论2，设计适当扩频比的扩频信号和相应的Rake接收 的信号处理方式就能将被扩散的信号能量分离、处理、合并，并加以有效利用
8、。而时延功率 谱的利用效率主要取决于多径时延带宽的程度及多径分离的能力。多径分离的能力则主要取 决于扩频增益与扩频带宽。本系统采用四个载波调制，每个载波分两径接收，为了减小硬件 实现的复杂度，没有去跟踪每一径的实际延时，而统一用一个 65M时钟的固定时延来分径 接收。所以实际情况下并没有达到理想的 8 径分集效果，不过由于使用了多载波调制，单天 线接收时最低可达 4 重分集，性能上能满足要求，硬件处理上时延也小。因而单天线接收 时采用带内四频、每频内两径分集以期达到等效四至六重分集接收效果。在需要增加 通信距离时，可以使用双天线接收，预期达到八至十二重分集接收效果。4.2 硬件实现本系统 Ra
9、ke 接收机的 FPGA 实现框图如下图 2：Walsh码 发生器复解扰输 数据出 解扩信 道累 信道信加 息处理数 据双口 RAM速率 匹配信道 补偿频偏校 正输入指峰累 加1512解时分 复用发端每ms前16个 给帧同步业务数据 P/S125每ms后112 个125维特比译码 输入业务数 据维特比译码 输入补充数 据图 2Rake 接收机 FPGA 实现框图 其中在数据解扩前有一个相关器模块，多个相关器进行最强径的搜索，对每一径一个码片的 4 个采样值搜索出一个幅度最大的样值送给数据解扩模块进行解扩。信道信息处理模块 前有一个信道估计模块，用来估计信道复数因子进行信道补偿。因此此 Rake
10、 接收机主要包 括相关器强样值搜索、信道估计、数据解扩、信道信息处理、信道补偿和累加、业务数据并 串变换和 12 截 5、发端解复用及 12 截 5 等五大模块以及其它一些小模块。Walsh 码发生器 模块从地 ROM 中读出预先存入的同发端一致的 walsh 码用来解扩；数据解扩模块之后要加 上双口 RAM，目的是对解扩后的数据作延迟，因为信息数据解扩和信道数据解扩都是对复 解扰之后的数据进行的，信息数据的扩频比比信道数据的扩频比小，解扩后生成的数据早， 由于延迟的时间不一样，所以如果直接输出到信道补偿模块，因为信道数据产生的慢，两者 对不齐，就会产生错误。因此在信息数据解扩模块之后加上双口
11、 RAM，目的是对解扩后的 数据进行延时，使得它们到来的时间和信道数据产生的时间一致；解扩的工作原理是输入数 据乘以（0、1 序列时是模二加）对应的 Walsh 码，然后再累加；速率匹配是对信道估计后 的导频信息的速率插值成同解扩后数据相同的速率，再进行信道补偿；信道补偿是将信道估 计出的信道信息补偿解扩后的数据，以消去信道因子的影响，并对解扩后的数据幅度加权， 再将 I、Q 两路合并（复数调制，I、Q 两路正交）；指峰累加就是对补偿后的数据进行最大 比合并，多径累加；设扩频后的数据为 DI，导频信息加在正交路，记为 DQ，合并后为（DI+jDQ），信道因子为 e j (cos +jsin )
12、,则经过信道后收端接收到的信号为（DI+jDQ）e j （DI+jDQ）(cos +jsin )（DIcos -DQsin ）+j(DIsin +DQcos )信道估计就是对对导频信息进行解扩，导频信息是 4096 个全 1 扩频码扩频的，解扩就相当于 4096 个码片累加，累加后含 DI 项全为 0，则 I 路累加后为-Asin ,Q 路累加后为 A cos ，用 Q 路信道估计值去补偿 I 路：（DIcos -DQsin ）A cos DIAcos2 DQA sincos ，用 I 路信道估计值去补偿 Q 路：(DIsin +DQcos （)-Asin ）-ADI sin 2 -ADQ s
13、incos ,I 路减 Q 路得 ADI（ sin 2 cos2 ）ADI，即为所需的无失真数据信息。 本系统使用 65M 时钟，每个数据量化为 12bit，在解扩后有一个 18 位截 12 位，补偿后15 位截 12，原则根据不同速率时在性能要求的最低信噪比情况下保证最高位不溢出，来截取 12 位。指峰累加 12 截 5，截取的方法是由定点仿真的结果来确定的，原则根据不同速率 时在性能要求的最低信噪比情况下保证最高位不溢出，来截取 5 位。这样在高信噪比的时候就可能溢出，这时就根据符号位，置正的或负的最值，因而符号位不会错。虽然这时在高信噪比的时候会退化成硬判决，但由于高信噪比的情况下性能比
14、较好，所以即使是硬判决也能 满足性能要求。最后通过仿真观察性能，速率不同时相应截位有所区别，分别截取最佳 5 位送给维特比译码模块。5 仿真结果及分析本系统用 Xilinx 公司的 Vertex5 FPGA 实现并用 Modelsim 仿真，最后功能和时序仿真 都能通过且延时较小，所用资源也不多。上板调试后用逻辑分析仪对 Rake 接收机中的解扩、 信道补偿、指峰累加等 3 个关键模块输出数据进行了采集，逻辑和时序都和仿真的一致，再 次验证了此方案的可行性和有效性。采样结果如下：解扩后数据：Dataport_1 为径数指示 dataflag，dataport 为解扩后 I 路数据 dOut_D
15、10_FI，图 3 解扩后数据补偿后数据：Dataport_4 为径数指示 tflagnew，Dataport_3 为补偿后数据指峰累加后数据：图 4 补偿后数据Dataport_2 为指峰累加后的数据，Dataport44为数据使能信号图 5 指峰累加后数据参考文献1 RAPPAPORT T S. Wireless Communications Principles and Practice( 影 印 版 )M. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 1998.2 PROAKIS J G. Digital Communicati
16、ons (影印版)M. Beijing: Publishing House of ElectronicsIndustry, 1998.3 吴伟陵，牛凯。 移动通信原理，北京：电子工业出版社，2005.1。4 唐友喜，李少谦，朱近康.空时发射分集 CDMA 的多径分集接收J.电子学报，2000, 28(11A): 62-66.The Implementation of Rake Receiver Based on theMuti-Carrier Spreading Communication SystemLu Honggang，Yu HougangBeijing University of Po
17、sts and Telecommunications (100876)AbstractBecause of the complexity of mobile environment, wireless signalis fading in the process of transmission and receiving.Especially in the high frequency band wireless communication, muti-path fading is the most serious interference. Through diversity receivi
18、ng, Rake receiver is most effective in resisting muti-path fading of CDMA system. Because multipath signal contains useful linformation, the receiver can change SNR by receiving it. Rake receiver is based on receiving multipath signal by multireceiver. In this paper, the theory and designing method of Rake receiver in the muti-tone spreading communication is being discussed and it being implemented with FPGA.Keywords: Muti-Carrier spreading communication; CDMA; Rake receiver; FPGA
