（通信与信息系统专业论文）基于神经网络的rake接收机合并技术的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于神经网络的r a k e 接收机合并技术的研究 摘要 r a k e 接收是一种基于扩频的抗多径衰落技术，它被广泛应用于c d m a 系统中，随 着第三代移动通信技术的发展，r a k e 技术的研究也在不断地加深。r l l k e 接收机中主要 包含了两大关键技术：多径搜索和多径合并。p o k c 接收机不但可以通过各径相关来分 离信号在时间上形成的多径，还可以利用分离出来的多径信号，增加信号能量，通过各 种合并技术来获得合并增益，使其具有更好的信噪比性能。采用什么样的合并技术直接 关系到p o k e 接收机的接收性能。传统合并技术都是把信号传送过程中产生的多址干扰 和多径干扰近似作为白噪声处理，并且采用线性叠加的处理方法来合并多径信号。但针 对无线信道中的非线性变化，这些方法不是很适合。 本文对p o k e 接收机的合并技术进行了详细研究，并设计了基于神经网络的合并器。 首先从理论上对传统r # k e 接收机进行了性能分析，了解到采用传统合并技术的r a k e 接收机其接收性能局限性在于其多径、多址干扰韵近似处理和相关检出信号的线性叠加 方法在解非线性场合不是很适合。为此依据神经网络非线性处理的特点，提出了利用神 经网络的非线性映射来改进r a k e 合并技术的设想。在详细讨论了其可行性的基础上， 设计完成了基于神经网络技术的合并器，并在r a k e 接收机上得以实施。通过仿真实验 证明此合并器的设计是成功的，经比较分析各种r 量k e 接收机其接收性能有一定的改善， 更适合于无线信道中的非线性交化。 关键词：d 接收机；多层感知机；b p 算法；系统辨识；神经网络；多径衰落 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho f r a k er e c e i v e r sc o m b i n a t i o nt e c h n i q u eb a s eo n n e u r a ln e t w o r k s a b s t r a c t r a k er e c e i v i n gt e c h n i q u ei sw i d e l ya p p l i e di nc d m a s y s t e mb e c a u s eo fi t sr o b u s t n e s s a g a i n s tt h ee f f e c t so f m u l t i - p a t hp r o p a g a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t l 】j r dg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m o r ea t t e n t i o ni sb e i n gf o c u s e do nr a k er e c e i v e r r a k e r e c e i v e rc o n s i s t so f t w ok e yt e c h n i q u e s ：p a t h s e a r c ha n dm u l t i - p a t hs i g n a lc o m b i n a t i o n i tc a n s e p a r a t et h es i g n a lt h r o u g ht h ep e r t i n e n c yo fm u l t i p a t h ，b u ta l s oc a ni m p r o v et h es n r ( s i g n a ln o i s er a t i o ) b ye n h a n c et h ee n e r g yo ft h es i g n a lu s i n ga l lk i n d so fm u l t i p a t h s i g n a lc o m b i n a t i o nt e c h n i q u e s m u d - p a t hs i g n a lc o m b i n a t i o nt e c h n i q u ep l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fr a k er e c e i v e r _ b u tt h em u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c ea n d m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h et r a n s m i s s i o na r er e g a r d e da sw h i t eg a u s s i a nn o i s ei n t h et r a d i t i o n a ll i n e a rc o m b i n a t i o n t l l i sl i n e a rp r o c e s si sn o ts u i t a b l ef o rn o n - l i n e a rc h a n g ei n w i r e l e s sc h a n n e l t 1 i sp a p e rd o e sd e e pr e s e a r c ho nt h ec o m b i n a t i o nt e c h n i q u e so fr a k er e c e i v e r , a n d d e s i g n st h ec o m b i n a t i o np r o c e s s o rb a s e do nn e u r a ln e t w o r k s f i r s t l y , i ta n a l y z e st h e p e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e rt h e o r e t i c a l l y , a n ds u m m a r i z e st h el i m i t a t i o n o f t r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e r 1 1 1 en e u r a ln e t w o r k sc o m b i n a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h e n o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fi tt oi m p r o v et h ec o m b i n a t i o nt e c i m o l o g yo fr a k e a f t e r d i s c u s s i n gt h ef e a s i b i l i t y , t h i sp a p e rd e s i g n st h ec o m b i n a t i o np r o c e s s o rb a s e do nn e u r a l n e t w o r k sa n di m p l e m e n t si nr a k er e c e i v e r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fr a k er e c e i v e rb a s e do nn e u r a ln e t w o r kc o m b i n a t i o ni sb e t t e rt h a nt h a to f t r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e ra n di sm o r ef i tf o rn o n 1 i n e a rc h a n g ei nw i r e l e s sc h a n n e l k e yw o r d s ：r a k er e c e i v e r ；m u l t i l a y e rp e r c e p t r o n s ；b pa r i t h m e t i c ；s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ； n e u r a ln e t w o r k s ；m u l t i - p a t hf a d i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：割如晔 日 期：砌啤，7 珥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 无线通信系统中，信号的传播是复杂的多径传播，传播过程中信号发生时间扩展、 多普勒频率扩展和角度扩展，从而使接收端接收的信号产生频率选择性衰落和时间选择 性衰落，引起码间干扰( i s i ) ；同时为了节省频率资源，无线蜂窝网采用频率复用技术， 也会使基站接收期望用户信号的同时，产生同信道干扰( c c i ) ；尤其是在c d m a 系统 中所有的用户可能会占用同一时间和同一频带，唯一不同的是各用户自己的相互正交的 扩频码，接收端只是凭借各自的扩频码解扩，这样就造成了大量的多址干扰( m a d ， 以上这些都使得c d m a 系统成为干扰限制系统。 r a k e 概念最早由p r i c e 和g r e e n 于1 9 5 8 年提出。它可以分离信号在时间上形成的 多径，并把这些多径信号利用起来，从而有效地克服多径衰落对系统性能产生的严重影 响。大规模集成电路和数字信号处理技术的发展也为r a k e 接收机的实时实现提供了可 能，使其成为了通信领域的一项关键技术，应用到该领域各个层面。伴随蜂窝移动通信 的发展，r a k e 技术已广泛应用于民用移动通信领域，例如基于i s - 9 5 标准的第二代移动 通信和第三代宽带移动通信( w c d m a ) 。与此同时它也被应用于多用户检测和多载波 传输。 但是r a k e 接收机也有它固有的缺点，它受到多径干扰和多址干扰的限制，同时r a k e 接收机只能分离时延超过一个码片的不相关多径信号，对时延小于一个码片的相关多径 信号却无法分辨【”。如何进一步提高r a k e 接收机的性能已经成为时下研究的热点。一 方面，人们在寻求r a k e 接收机与其他技术的结合，取长补短、互通有无，共同提高系 统的整体性能。例如与均衡技术、自适应天线技术相结合等 3 1 1 4 1 5 1 ，实现了干扰抵消r a k e 接收机以及空时二维r a k e 接收机。另一方面对r a k e 接收机的两大关键技术一多径搜索 和多径合并技术的研究也不断的加深【2 j 。 1 2 论文内容概述 本文研究的主要内容是基于神经网络的r a k e 接收机合并技术的研究及设计。主要 包括了三个部分： ( 1 ) r a k e 接收机的传统合并技术的性能分析。以及采用神经网络的r a k e 接收机 合并技术可行性分析。 ( 2 ) 基于神经网络的合并器的设计。 ( 3 ) 完成基于神经网络的合并器在r a k e 接收机上的实施，通过r a k e 接收机的系 东北太学硕士学位论文第一章绪论 统仿真，比较基于神经网络合并器的r a k e 接收机和传统合并技术下的r a k e 接收机的性 能，得出性能有所改善的结论。 1 3 论文内容安排 第一章绪论：介绍了本课题的研究背景，提出r a k e 接收机的研究现状，并简要介 绍了本文的内容。 “ 第二章无线信道的多径传输：介绍无线信道的特点及类型，总结了无线信道对信 号传输的影响，最后给出了克服各种信道衰落的措施。 第三章r a k e 接收机简介：简要的介绍了分集技术和扩频技术。阐述了r a k e 接收 机的基本原理及其系统模型。重点介绍了r a k e 接收机中的多径搜索技术。 第四章r a k e 接收机中的合并技术：总结了现今r a k e 接收机中的各种合并技术， 并对其进行了性能分析。得出传统合并技术下的r a k e 接收机的性能局限。 第五章神经网络简介：简要的介绍神经网络技术的发展、特点、结构、学习规则 等基本的理论。 第六章应用于r a k e 接收机的神经网络合并器的设计：介绍了应用于r a k e 接收机 中的神经网络合并技术的主要思路。介绍了合并器的设计，包括结构的确定和数学模型 的确定。 第七章基于神经网络合并器的r a k e 接收机的设计与仿真：对基于神经网络判决 的r a k e 接收机进行性能仿真，并与传统合并技术下的r a k e 接收机进行性能比较，得出 相应的结论。 2 东北大学硕士学位论文第二章无线信道的多径传输 第二章无线信道的多径传输 2 1 无线信道的概述： 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称。它是任何一个通信系统不可或缺的组 成部分。按传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。一般情况下， 有线信道是平稳和可预测的，而无线信道则是极其随机的，并且不易分析。 无线信道包括中、长波的地表面波传播，短波的电离层反射传播，超短波和微波的 直射传播以及各种散射传播等。无论电磁波传播的形式有多么的复杂，一般都可以归结 为反射、绕射和散射三种基本传播方式。 2 1 1 无线信道影响衰落的物理因素 经过无线信道的信号都会产生不同程度的衰落。影响衰落的物理因素主要有： ( 1 ) 多径传播 信道中反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号在幅值、相 位和时间延迟方面产生弥散，这些效应会使得发射信号经过不同路径到达接收天线时的 形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不同的多径分量的随机幅值和相位引起信号 强度的扰动，从而产生小尺度衰落、信号畸变或二者兼有。多径传播通常会使信号到达 接收端所需要的时间加长，引起码间干扰。 ( 2 ) 移动台的速度 基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移，从而引起 接收信号的随机频率调制。多普勒频移有可能为正，也可能为负，取决于移动接收机与 基站之间的传播路径是缩短还是加长。 ( 3 ) 周围物体的速度 如果信道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生时间变化的多普勒频移。 若周围物体以明显快于移动台的速度运动，这种效应就会压倒小尺度衰落。否则周围物 体的运动就可以忽略，只需要考虑移动台的速度。 ( 4 ) 信号的发射带宽一 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关时间小于多 径信号的时延差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显。相干带宽是信号在 幅值上仍然保持强相关时的最大频率差的测度。若发射信号相对于信道有一个窄的带 宽，则信号的幅值将快速变化。但信号在时间上将没有畸变。因此小尺度信号强度的统 计特征和小尺度距离范围内信号畸变的可能性在很大程度上与多径信道的幅值特性、时 3 东北大学硕士学位论文第二章无线信道的多径传输 延及发射信号的带宽有关。 2 1 2 无线信道信号的衰落 经过无线信道后，接收信号功率可以表示为： e ( d ) = i d r ”s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 其中d 表示距离向量，其绝对值表示移动用户与基站的距离。( 2 1 ) 式表示出信道 对无线电信号的影响可归为三类： ( 1 ) 自由空间的传播损耗与弥散，称为路径损耗。用例1 表示，其中n 一般为3 4 。它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反应了传播在宏观大范围的空间距离上 的接收信号电平平均值的变化趋势 6 1 。 ( 2 ) 阴影衰落，用s ( d ) 表示。这是由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其他障 碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落；它是慢衰落损耗，它反应了中等范围内数百波 长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布。 ( 3 ) 多径衰落，用r ( d ) 表示。这是由于移动传播环境中的多径传输而引起的衰落。 它是快衰落损耗：反应了微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损 耗。此时信号的幅值、相位发生动态变化，这种变化是由于收、发端之间空间位置的微 小变化( 小至半个波长) 引起的。服从两种分布：一种信号的包络服从瑞利分布，称为 瑞利衰落。另一种信号的包络服从莱斯分布，称为莱斯衰落1 7 。 2 2 多径传输给信号传输带来的影响 多径传输导致信号在不同维( 时间、频率、空间) 的扩展，它们对通信信号有明显 的影响。 最主要的是两类扩展，一种是多径效应引起的在时间上的时延扩展，另外一种是 多普勒效应引起的在频率上的多普勒频展r 。这实际上是移动信道的电波传播特性在 时域和频域两个方面的表现。 2 2 1 时延扩展 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，或称时延散布。当发射端发送一个 极窄的脉冲信号至移动台时，由于存在着多条不同的传播路径，路径长度不一样，则发 射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，而且传播路径又随着移动台的运动而 变化。对于不同的传输信道，接收信号中的各个时延脉冲可能是离散的，也可能联成一 d 东北大学硕士学位论文 第二章无线信道的多径传输 片。 时延扩展可以直观的理解为在一串接收脉冲中，最大传播时延和最小传播时延的差 值，也就是最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值，记为。实 际上，就是脉冲展宽的时间。 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中的一个码元的波形会扩展到其他码元周 期，引起码间干扰。为了避免码间干扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展。 或者等效为码元速率凡，小于时延扩展的倒数，即 r i a ( 2 2 ) 实际上，由于移动传播环境的复杂，不同的地域，不同的时间，的值都不尽相同。 所以，是由实测信号统计平均得来的。它是对多径信道时延特性的统计描述。越小， 时延扩展就越轻微。反之，值越大，时延扩展就越严重。 与时延扩展有关的概念是相关带宽。当信号通过移动信道时，会引起多径衰落。那 么信号中不同的频率分量的衰落是否相同? 根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两 种：频率选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落。 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，由于不同的频率分 量衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。所谓非频率选择性衰落是指信号中各分 量的衰落状况与频率无关，各频率分量的衰落具有一致性，因此衰落信号的波形不失真。 实际上，对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时， 发生非频率选择性衰落，当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落，信号包络 相关系数等于o 5 时所对应的频率间隔称为相关带宽。它反映的是两个频率分量基本相 关的频率间隔。 对于数字移动通信来说，当码元速度较低，信号带宽远小于信道相关带宽时，信号 波形不失真，无码间干扰，此时的衰落为平坦衰落。反之当码元速率较高，信号带宽大 于相关带宽时，信号波形发生失真，造成码间串扰，此时的衰落为频率选择性衰落。 2 2 2 多普勒扩展 由于移动台运动，接收信号会产生多普勒频移。在多径环境中，这种频移会成为多 普勒频展。衰落信号中频率的这种随机变化称为随机调频。 设发射频率为f o ，对于到达移动台的单个路程，若入射角为口，则多普勒频移为 厶= 厶c 。s 半r 这里无2 盖，为最大多普勒频移。 用只表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义为相干时间： 一5 - 东北大学硕士学位论文第二章无线信道的多径传输 r ：一1 ( 2 3 ) 。 只 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由于多普勒效应引起 的，并且发生在传播波形的特定时间段上，也就是信道在时域上具有选择性。因此这种 衰落又称为时间选择性衰落。要减少这种衰落的影响，就要使码元速率远大于1 t 。 2 2 3 衰落信道的类型及其对信号传输的影响 如上所述，多径移动信道中存在两类扩展：时延扩展在时域上使接收信号的波形扩 展，并相应在频域上规定了相关带宽。多普勒频展在频域上使接收信号的频谱展宽，并 相应在时域上规定了相干时间。 根据时延扩展和多普勒频展，以及相关带宽和相干时间可以将衰落信道分为四类： ( 1 ) 非弥散信道 当下面条件满足时，就构成非弥散的衰落信道： 11 f d “享且“旁 q - 4 ) 在这种信道中，接收信号遭受的衰落称为平坦衰落。它既不是频率选择性衰落，也不是 时间选择性衰落信道。 ( 2 ) 时间弥散信道 满足条件为： 11 r 二 ( 2 5 ) 。 l 。 信号所遭受的衰落为频率选择性衰落，又称时间平坦衰落。 ( 3 ) 频率弥散信道 满足条件为： 11 ， n 圭且 l ( 2 6 ) 一 y 信号所遭受的衰落为时间选择性衰落，又称频率平坦衰落。 ( 4 ) 时间频率弥散信道 在这种信道中，接收信号既遭受频率选择性衰落又遭受时间选择性衰落。也就是在 时间和频率上都是非平坦的。 一般来说，当信号的码元速率很低时，系统就处于频率弥散信道中，当码元速率很 高时。系统就处于时间弥散信道中。 6 东北大学硕士学位论文第二章无线信道的多径传输 2 3 克服多径传输造成衰落的措施 对于无线移动信道主要有三类的选择性衰落( 时间、频率、空间) 。对付这三种选 择性衰落可以选用不同的手段。 ( 1 ) 克服空间选择性衰落，可采用空间分集手段，但是分集接收机间的距离必须够大， 以保证他们之间的不相关性。一般情况下要大于3 倍波长。 ( 2 ) 克服频率选择性衰落，要采用r a k e 接收方式。 ( 3 ) 克服时间选择性衰落，要采用信道交织技术。 7 东北大学硕士学位论文第三章r f l k e 接收机简介 第三章r a k e 接收机简介 由于无线信道中的多径效应，信号经过无线信道后就造成多径衰落，影响了通信质 量。r a k e 接收就是先将多径信号分离，校正再合并，从而充分利用有用信号能量的一 种技术，是一种有效抗多径干扰的手段。 r a k e 接收技术是分集技术的一种，首先简要的介绍一下分集技术。 3 1 分集简介 分集技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠 性。其中空间分集早期已成功的应用于模拟短波通信中。在移动通信中，特别是数字移 动通信和第三代移动通信中，分集技术有了更加广泛的应用。 分集技术是研究如何充分利用信号的基本参量在时域、频域及空域中，如何分散开 又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾，从一开始研究如何将客观的多径 衰落信道分散的信号能量有效的收集起来的措施，到今天如何主动的利用信号设计技 术，能将多径衰落信道分散的信号能量更为有效的收集起来，这些都是分集技术所要研 究的内容。为了在接收端得到几乎互相独立的不同路径，可以通过空域、频域和时域的 不同角度、不同的方法与措施来加以实现。其中最基本的有如下几种： ( 1 ) 空间分集 利用不同接受地点( 空间) 收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。空间分 集的基本结构为：发送端一副天线发送，接收端n 部天线接收，如图3 1 所示： 分集接收 ( 合并) 基站 图3 1 空间分集示意图 f i g 3 1 s k e t c hm a po f s p i t i a ld i v e r s i t y 8 东北大学硕士学位论文 第三章r a k e 接收机简介 接受天线之间距离为d ，分集天线数越大，分集效果越好，但是不分集与分集差 异较大，属于质变。分集增益正比于分集的数量，其改善是有限的，属于量变，且 改变程度随分集数量的增加而逐步减少。在工程上，要在性能与复杂性之间作一个 折中，一般取n - - - - 2 到4 。 ( 2 ) 频率分集 将待发送的信息，分别调制在不同的载波上发送至信道i 只要不同的载波之间的间 距足够大，载波间隔4 厂大于频率相关带宽f ，即 ，a f = i 1 ( 3 2 ) 其中三为接收信号时延功率谱的宽度。 频率分集的载波间隔大于2 0 0 k h z 。频率分集与空间分集相比，其优点是减少了接 收天线与相应设备的数目：缺点是要占用更多的频谱资源，并且在发送端有可能需要采 用多部发射机。 ( 3 ) 时间分集 对于一个随机衰落的信号，当取样时间间隔足够大时，两个取样点间的衰落是互不 相关的，利用这一特性可以构成时间分集。将待发送的信号每隔一定时间间隔( 大于时 间相关区域a t ) 重复发送，在接收端可以得到n 条独立的分集支路。在时域上时间间 隔f 应大于时域相关区域r ，即 r r = 一1 ( 3 3 ) b 其中b 为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比。可见时间分集对 处于静止状态的移动台是无用的。时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接受天线 数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。 上述讨论的空间分集、频率分集等均属于显分集，它明显地采用多套设备在不同空 间、不同频率接收合并而成，故称为显分集。而r a k e 接收技术也是一种分集技术，它 不同于上面地显式分集技术，它是利用信号设计将分集作用隐含在被传输地信号之中， 我们称之为隐式分集。现在的隐式分集技术有很多种，例如信道交织与抗衰落纠错编码 也是现今研究较多地隐式分集技术。下面我们主要介绍r a k e 接收技术。 3 2 扩频技术的简介 本论文所研究的r a k e 接收技术是基于直接序列扩频，因此在介绍r a k e 接收机之 前，首先对扩频技术的基本理论和特点加以分析介绍。 9 东北大学硕士学位论文第三章黜k e 接收机简介 3 2 1 扩频技术基本理论 扩频技术最早应用于军事导航和通信系统中，主要是用来抗干扰。随后由于其本身 的一些特性，出现了许多方面的应用，例如降低能量密度、高精度测距、多址接入等。 通常说到的扩频系统要满足下面几个条件i s l ： ( 1 ) 信号占用的带宽远远超过发送信息所需要的最小带宽。 ( 2 ) 扩频是由扩频信号来实现的，与数据无关。 ( 3 ) 接收端解扩( 恢复原始信号) 是由接收到的信号与扩频信号的同步副本通过- 相关完成的。 从扩频技术的提出到现在移动通信中扩频技术的广泛应用，扩频技术已经渗入到通 信的各个领域，主要是因为扩频系统有其存在的诸多优点，最主要的有下面的两个方面： ( 1 ) 干扰抑制 只有存在于信号空间的有限功率噪声成分才会干扰信号的传输。所以扩频抗干扰系 统的思想就是：通信链路中有许多正交信号坐标点或维度可供选择，在任一时段只选用 其中的很小的子集。对于不知道信号子集的施放干扰的人，只能采用两种方法来施加干 扰，一是向系统使用的信号坐标点施放等强度的干扰，结果是落在每一坐标点上的干扰 噪声功率很小。二是在某些信号坐标上施放高强度的干扰，但是由于不知道信号子集， 它往往不能影响到信号。所以无论干扰施放者采用哪种方法，对于信号发射者都通过扩 频技术对信号进行干扰的抑制。 ( 2 ) 降低能量密度 在扩频系统中，信号被扩展到很宽的坐标上，信号功率在扩频内分布较为稀疏并接 近均匀。由于能量被平均分到很宽的坐标上，所以它具有低的检测概率或低的截获概率， 好像扩频信号“埋藏在噪声中”一样。同时低的截获概率特性的扩频系统也呈现出低定 位概率的特点。即使信号被他人截获到，也很难确定信号的传输方向。 以上两大特点就决定了扩频技术在通信领域中的重要地位，推动了扩频技术的广泛 应用，现在扩频技术的主要应用有： ( 1 ) 用于军事上 正如前面所介绍的，扩频技术具有干扰抑制和降低能量密度的特点，它不但可以在 有他人干扰的情况下正常传输，同时又很难被他人捕获。这些都有利于军事上信号的传 输。 ( 2 ) 用于测距和定位 利用脉冲在信道中的传输时延可以计算出传播距离，时延测量的不确定度与脉冲信 号带宽成反比。因此带宽越大，测距的精度就越高。 ( 3 ) 多址接入 1o _ 东北大学硕士学位论文 第三章r a k e 接收机简介 扩频可以用于多址接入以实现多用户共享通信资源的目的。并且它可以为使用不同 的扩频信号的用户提供通信保密。它被广泛的应用于蜂窝移动通信中。 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为【9 】： ( 1 ) 直接序列扩频方式( d s ) 直接序列扩频( d s s s ) 就是将数据速率rb s 的信号x o ) 与扩频编码信号g ( t ) 相 乘，g ( t ) 的码元速率通常称为码片速率，为五。片秒。假设工o ) 和g ( t ) 的传输带宽分别 为r 赫兹和r 。赫兹。因为信号时域相乘相当于在频域内相卷积： x q ) g ( t ) 付x ( 曲) + g ( c o ) ( 3 4 ) 所以，若原始信号相对于扩频信号而言可视为窄带信号，则x 与g ( t ) 相乘所得信 号的带宽近似等于扩频信号的带宽。在解调器端，接收到的信号与扩频编码信号g q ) 的 同步副本相乘解扩。再经过带宽为r 的滤波器滤除高频成分。 这样看来信号在发射端扩频，频谱扩展，信号能量降低。在接收端经过解扩信号的 带宽从宽带又恢复到了窄带，信号的平均功率得到了一定的恢复。如果信号中包含了噪 声或干扰，经过了解扩，相当于对这些噪声进行扩频，噪声频谱扩展，平均功率相应的 降低，从而降低干扰。 ( 2 ) 跳频方式( f h ) m 进制信号的频率在调频带宽伟0 内，由频率合成器控制伪随机跳变。由此产生的 信号称为跳频信号( f h ) ，其相应的系统为跳频系统。跳频系统的带宽可以达到数吉赫 兹，远远高于直接序列扩频系统所能达到得带宽1 0 1 。 ( 3 ) 跳时方式( t h ) 与跳频相似，t h 是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在 一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列 进行选择的多时片键控。 跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定 位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增 益等于一帧中所分的时片数。 由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。由于 简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种 混合方式。 ( 4 ) 各种混合方式 东北大学硕士学位论文第三章r r k c 接收机简介 还有一些其他的扩频方式可以通过d s 、f h 和t h 的组合来获得。例如d s f h 、 d s 厂r h 、d s f h 厂r h 等等。 一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些，但 是不同的方式结合起来的有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如d s f h 就 是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。这样就可以获得更宽的频谱扩 展。 对于d s t h 方式，它相当于在扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳 更多的用户。 对于d s f h f i h ，它把三种扩频方式组合在一起，在技术实现上肯定是很复杂的。 对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远近问题时，就不 得不同时采用多种扩频方式。 3 2 2 扩频码理论 在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。扩频码的特性，如编码类型， 长度，速度等在很大程度上决定了扩频系统的性能，如抗干扰能力，多址能力，码捕获 时间。 对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；具有尽可能长的周期， 使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列；应具有双值自相关函数和良好 的互相关特性，以便利于接收时的截获和跟踪，以及多户应用。 从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但是不利于解扩。因此， 在实际工程中，我们只能用伪随机( p n ) 序列作为扩频码。伪随机序列实质上不是随 机的，而是收发双方都知道的确定性周期信号。之所以称其为伪随机序列，是因为它表 现出白噪声采样序列的统计特性，在不知其生成方法的他人看来像真的随机序列一样。 伪随机序列有三个随机特征1 1 1 ： ( 1 ) 平衡特性 良好的平衡性要求序列的每个周期内“0 ”和“1 ”的个数至多相差一个。 ( 2 ) 游程分布特性 序列中取值相同的相连元素合称为一个游程，游程中元素的个数称为游程长度。伪随机 序列近似满足如下特性：一个周期内长度为1 的游程数目占游程总数的1 2 ，长度为2 的游程占总数的1 4 ，长度为3 的游程占总数的l 8 依此类推，长度为k 的游程占游 程总数的2 一。 ( 3 ) 相关特性 1 2 东北大学硕士学位论文第三章r a a k e 接收机简介 将伪随机序列的一个周期与其任意次的循环移位的序列逐位比较，相同的位数与不同的 将n 阶w a l s h 函数定义为n 段函数的集合，记为 ，( f ) ：f ( o ，r ) ，= 0 , 1 ，n 一1 ， t - - 些跳跃点取。外，矿，( f ) 仅在集合 + 1 ，一1 ) 中取值。 对于所有的_ ，有彤，( o ) = 1 。 在区间( 0 ，t ) 内，矿，( r ) 精确的有- ，次符号变化( 穿越零点) 。 r 删州出= 出三： s ， 关于区域的中点，每一个函数矿，( f ) 不是奇函数就是偶函数。 耻褂1 s ， 设h 。是一个n 阶的哈达玛矩阵，则它满足下式 h n h 奄= n in 妈7 1 式中，。为一个n 阶单位阵，阶数n 可取1 ，2 ，4 t ( t 为正整数) 。 东北大学硕士学位论文第三章r a k e 接收机简介 设日。和h b 分别为口阶和b 阶的哈达玛矩阵，那么，h 。h b = h b 的阶数为a b ， 其运算规则为：如果上l 矩阵中一个元素为+ 1 ( 逻辑0 ) ，就用h 。代入；如果该元素为 1 ( 逻辑1 ) ，就用一巩代入。如果为2 的幂，并规定日。= - 1 - - - 【o 】，于是日：。可以 = h u 墨i - z 这里规定日一为h 。取负。n = 2 。的哈达玛矩阵可以由n = 2 的哈达玛矩阵的规范形 排序进行相互转换，设w a l s h 函数彬( f ) 的符号改变次数为，并用二进制序列 置= ( x n ，x 。，x 。) 表示。与w a l s h 序列彬( f ) 相等的哈达玛矩阵的行序号可以用 c j = ( c 1 1 ，c 。，) 表示。则两者之间的转换方法如下面两式： 3 3 r a k e 接收的基本原理 c m = 工n ( 3 9 ) c ，i l = x foz 。，j + l 。( 3 1 0 ) 3 3 1 r a k e 接收机的基本工作原理 在移动通信中，由于城市建筑物和地形地貌的影响，电波传播必然会出现不同路径 和时延，产生多径信号。按照多径信号到达接收机相位的不同，它们可能相加，也可能 相互抵消。这样就造成了接收信号的起伏和衰落。 r a k e 接收机的简单工作原理是对每个路径使用一个相关接收机，各相关接收机与 被接收信号的一个延迟形式相关，然后对每个相关器的输出进行加权，并把加权后的输 出相加合成一个输出，以提供优于单路相关器的信号检测。一般情况下，无线信道传输 1 4 _ 东北大学硕士学位论文 第三章r a k e 接收机简介 中出现的时延扩展，可以看成是被传信号的再次传送，如果这些多径信号相互间的延时 超过一个码片的长度，那么他们就可以看成是非相关的。 接收信号矢量可以直观的由图3 2 和图3 3 来表示： 无r 丑k e 接收时，多径信号的矢量合成为： 第l 径 3 径 径 图3 2 多径信号的矢量合成图 f i g 3 2m u l t i p a t hs i g n a lv e c t o rc o m p o s i t i o nm 印 采用r a k e 接收后的合成矢量为： 第1 径第2 径第3 径 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 斗 接收后的合成矢量 ( 代数和) 图3 3 利用r b - k e 接收( 相干检测) 后的合成矢量图 f i g 3 3 s i g n a la f t e rr a k er e c e i v e rv e c t o rc o m p o s i t i o nm 印 r a k e 接收机是基于扩频通信的，首先了解一下导频辅助扩频通信系统的发射结构。 发射模型采用图3 4 的系统结构。 在这个模型中，采用了b p s k 的调制方式。( 七) 为导频信道扩频序列的第七个采 样点，x ，( 七) 为用户，信息符号的第i 个采样点，= 1 , 2 ，吒，h ( t ) 为成型滤波器e 甄( 七) 为导频信号的第七个采样点，6 ，( 岛) 为各用户的特征序列的第k 个采样值，接 收信号为s ( t ) 。 j o ( k ) = a o a o ( k ) e o s ( 2 n f o k ) ( 3 1 1 ) 1 5 东北大学硕士学位论文第三章r a k e 接收机简介 a o ( 七) 图3 4 扩频通信系统的发射结构 f i g 3 4s e n d i n gs n u c t i l f eo f s p r e a d - s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m h s ( 七) = x ，( 七) + 五( 七) j - 1 x 。( t ) = x 肚) 6 ，( 七) ( k ) c o s ( 2 n f o k ) + 4 口o ( k ) c o s ( 2 n f o k ) ( 3 1 2 ) _ 1 系统模型中插入导频信号主要是为非固定抽头的r a k e 接收机进行系统定时以及 决定多径成分的特征( 包括时延、相位、幅度的估计) 。导频序列由所有用户共同分享， 所以分配给导频信号的能量可以比其他单独用户的能量要大。五( 七) 的加权值z 。就是给 导频信号的额外增益。由于每一个用户的定时锁定在导频序列上，这样多路时延只需要 通过导频序列来搜索。 3 3 2 r a k e 接收系统模型 3 3 2 1 固定抽头的r a k e 接收机 r a k e 的概念是由r p r i c e 和p e g r e e n 首先提出来的，他们指出r a k e 接收机是 1 6 - 东北大学硕士学位论文 第三章r a k e 接收机简介 由一组互相关器组成，相邻相关器所处理的时延之差为1 w ，且是固定不变的，矽为系 统带宽。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。假设多径时 延扩展为l ，要覆盖所有的多径，分集数三必须满足下式： l = l ( 1 ) = r 。肜 ( 3 1 3 ) b p s k 信号的固定抽头r a k e 解调器的基本原理见图3 5 。 判决变量 幽3 5 崮定抽头的r a k e 解调器 f i g 3 5 r a k ed e m o d u l a t o r o f c h a n g e l e s sf i n g e r 这种固定抽头的r a k e 解调器适合在多径比较集中，多径时延扩展比较小，各条 路径的能量比较平均，也就是没有哪条路径的信号能量特别强的信道中使用。但是如果 路径比较分散，或者某几条路径的信号能量特别强时，采用这样的结构将会浪费许多的 抽头。更重要的是如果时延扩展非常大时，所需的抽头数也相应的非常大，使系统变得 17 _ 东北大学硕士学位论文 第三章r a k e 接收机简介 非常的复杂，有时可能到了硬件很难实现的地步。所以在这种情况下，一般都采用目前 移动通信中使用的r a k e 接收技术。这种r a k e 接收机各“手指”( 抽头) 的时延差是 通过路径搜索装置来动态分配的，而非固定的，而且其抽头数也要少的多。 3 3 2 2 导频辅助的r a k e 接收机( 抽头非固定) 在这里每个抽头通常叫做一个r a k e “手指”。这些抽头分别用来检测最先的几个 最强多径分量。在移动通信的i s 9 5 标准中，基站的r a k e 接收机中相关器( “手指”) 的个数为4 ，而移动台的r a k e 接收机“手指”数为3 。 这里的r a k e 接收机的每个“手指”主要完成3 个最基本的功能：导频伪随机序 列解扩，导频平均，以及用户特征码解调。 、 导频序列可以通过搜索器来搜索，其时间延时假设距离几分之一个码片。然而，一 旦第一个最强成分找到后，对于所有的成分的搜索窗可以限制在几分之一码片时间范围 内，以便体现多径传播的全部时间扩散。 “搜索装置”搜索出所有可分离多径后，挑选出l 条满足门限要求的多径信道，为 r a k e 接收机的各个手指进行初始定时。初始定时完成后，各个手指上的载波跟踪和导 频跟踪电路开始工作，因为新的多径成分将会不断出现，1 日的将会不断消失。一旦多径 成分找到，初始定时完成，序列定时一定要用超前迟后环来跟踪