自相关信号的RAKE解调
2018-05-09涂泽鑫
曹 蕾 涂泽鑫 李 智
(广东白云学院,广东 广州 510450)
1 概述
短波多径效应一般指短波信号在空间传播的时候,受电流层电波传播信道的影响,导致同一信号分散成多个信号,并且到达接收端的时间不同,导致信号本身自相位相互叠加,信号质量变差,甚至失真。为此,我们利用RAKE接收机技术,将接收机端接收到的多径信号进行处理,根据自相关信号的特点,采用相关解扩技术,将多径进行分离,并通过算法将多径信号能量进行合成,提高信号的质量,提升信号的解调效率[1]。
2 信号分析
目前短波信号主要代表为3G-ALE信号,该类信号包含的波形分别是BW1、BW2、BW3、BW4、BW5等多种波形,其中大部分波形采用正交扩频8PSK调制,其自相关性较强。这类调制一般通过Walsh编码、扰码、映射等方式,调制到载波为1800Hz上[2]。假设n比特数据通过映射,形成长度为N符号的Walsh序列,在保证映射唯一性上,Walsh序列需要2n个,在保证信号符号同步和位同步的情况下,对信号进行解调,需要2n个本地Walsh序列一起和信号数据做逐点滑动的相关计算[1]。只有当某个本地Walsh序列和信号数据序列一致时,根据Walsh序列的尖锐自相关峰特征,在这些2n个相关值中取得最大值,如图1表示,最大值为自相关值,0为互相关值。
图1 自相关序列
但是在现实情况中,由于短波传输通道中存在多径效应,每一径上信号的码元到达的时间是不同的,尤其是各径上信号的相位不一致,导致在Walsh序列的尖锐相关峰不突出,无法正确解调,但是扩频码具有良好的特性,尤其是自相关性,通过这一特性,可以通过特殊的方法将不同的路径分离出来,在分离出各自的路径后,可以在RAKE接收机上实现各个路径的分离,然后在根据码元同步的方式,将同一的路径进行合并,合并后的路径无论是在信噪比还是在信号的能量上都比以前的信号要强,可以确保信号能正确解调。
3 多径分析
为了更好地估计出多径的情况,确保多径信号相对于主要径的信号的幅度、时延、同步等数据。其中需要解决信号的同步问题,尤其是位同步的问题,解决位同步可以确保信号在抽取的时候是最佳的时刻。此外,在解调的时候,需要解决信号的初始位同步码,当信号接收的时候,由于无法确定信号从哪个时刻开始,需要对信号进行初步的信号同步,确保那个时刻开始是信号的真实开始,从而确保滑动相关法能准确地找到同步数据并开始解调。
根据上述的要求,对于短波信号来说,由于空间中存在散射和反射的情况,同一信号在经过电离层传输后,会变成多个信号,其中信号存在强弱,当然在某一个主要的方向上,信号的接收效果是最佳的,其信号的能量也是最大的,一般来说我们将这一路信号当作最佳的信号进行抽取,而其他信号一般与实际的信号存在的时间差距不大,我们需要对这些径的信号进行处理,并抽取最佳的信号点,而对于时间差距大,且信号较弱的信号一般不予考虑。例如,短波信道中信号的时延一般在0.3ms-6ms之间,如果按照9600Hz的采样率计算,信号速率小于3000波特,在6ms之间一般采样点数小于60个,根据上述情况,一般我们在确定初始的同步点后,对其前后60个点的样点数据进行处理,可以得到127个相关值,通过对最大的值进行处理,得到最佳的位同步。
4 Rake接收算法分析
RAKE接收机算法其结构图如图2所示。其基本原理是根据扩频序列尖锐相关特性,通过m个相关器使其多径分离,然后对每一径进行延时和相位校正,并从中选取最佳的一径作为参考,其他各径在时间上与它同步,根据某一特性将多径累加,得到最大能量值,从而将有害信号转换成有利信号[2]。
图2 Rake接收机框图
多径合并可以采用如下方法,假设分离后各径的信号能量分别是f1(t),f2(t),...,fm(t),则多径合并起来后得到:
式中ai为加权系数。根据选取的加权系数的不同,可以分成3种合并方式,选择式合并、等增益合并和最大比值合并,通过对比测试,性能最好的为最大比值合并,其加权系数ai为:
由上面的公式可以看出,当加权系数与本路的噪声功率Ni成反比时,且正比于本路信号幅度ui时,可以得到最大的合并输出。考虑到在做信号估计处理的时候,已经对多径信号的幅度和延迟进行了处理,这里可以将ai设置等于主径的幅度,从而简化最大比值合并实现。一般情况下,考虑到信号多径的路数与衰减程度成正比,与计算的复杂度成反比,这里只选取3个独立径作为考虑,在实验中我们对模拟信号多径分别乘以0.8,0.35和1,然后进行多路合并,寻找最大值并开展相关解调。
5 性能仿真
在充分考虑多径的情况下,利用RAKE接收机算法对正交扩频调制信号进行解调,为保证测试的效果,采取4种信噪比条件下的信号开展对比,分别为5dB、8dB、10dB和15dB,在多径选择上面,考虑到信号在3径后衰减非常明显,这里选取用3径作为标准,针对3GALE信号中传输信号BW3波形进行解调测试,对比利用RAKE和不用RAKE算法两种情况下的解调结果,其解调的误码率如图3所示:
图3 4种信噪比条件下的解调误码率
通过图3可以得知,在信噪比较低的情况下,采用RAKE接收机算法可以降低误码率一半。
6 结语
短波通信中,多径效应往往会导致信号解调质量变差,严重的时候导致信号相互干扰无法解调。本文中通过研究RAKE接收机技术,提出一种基于正交扩频8PSK信号的RAKE接收机解调技术研究和实现,从信号分析、信道估计、RAKE实现、仿真评估等多个方面开展研究。最后在实际的信号解调测试效果中表明,在利用RAKE技术后同样条件下解调效率将提高18%左右。
参考文献:
[1]曾兴雯,刘乃安,孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.
[2]王玫.短波并行组合扩频通信系统关键技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.