rake接收機與分集接收

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淺談分集接收技術與RAKE接收機淺談分集接收技術與RAKE接收機中國泰爾實驗室陳永欣摘要介紹了在移動通信系統(tǒng)中對抗多徑衰落的一種重要技術——分集接收技術，并分析了各種分集、合并技術的優(yōu)缺點，提出了RAKE接收機的概念和結構。關鍵詞分集技術合并技術RAKE一、引言在陸地通信系統(tǒng)中存在著多徑干擾和衰落，在城市環(huán)境中衰落尤為嚴重。當不同的多徑分量其衰落相互獨立時，可以采用分集接收技術以對抗衰落。其基本原理是：在多徑環(huán)境中，如果某一徑的強度低于檢測門限值的概率為p，則在L徑情況下，所有L個徑的強度都低于檢測門限的概率為pL遠低于p。分集接收技術的代價是增加了接收的復雜度。在CDMA系統(tǒng)中，由于信號寬帶傳輸，可以認為多徑分量的衰落是相互獨立的，即可以采用分集接收的技術。在第三代移動通信中分集接收技術有了更加廣泛的應用。二、分集技術分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸可靠性的技術。它也是研究利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中，如何分散開又如何收集起來的技術。為了在接收端得到幾乎相互獨立的不同路徑，可以通過空域、時域、頻域的不同角度、不同的方法與措施來加以實現(xiàn)。其中最基本的有如下幾種：1.空間分集：1)利用不同接收地點（空間）收到的信號衰落的獨立性，實現(xiàn)抗衰落的功能。2)空間分集的基本結構為：發(fā)端一副天線發(fā)送，收端N部天線接收。3)接收天線之間的距離d足夠大，大于相干距離ΔR。4)分集天線數(shù)N越大，分集效果越好，但是不分集與分集差異很大，屬于質變。分集增益正比于分集的數(shù)量N，其改善是有限的，屬于量變，且改善程度隨分集數(shù)量的增加而減少。工程上折衷，一般取N=2～4。5)空間分集還有兩類變化形式：a) 極化分集：它利用在同一地點兩個極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號可以呈現(xiàn)不相關的衰落特性進行分集接收，即在收發(fā)端天線上安裝水平、垂直極化天線，就可以把得到的兩路衰落特性不相關的信號進行極化分集。優(yōu)點：結構緊湊、節(jié)省空間；缺點：由于發(fā)射功率要分配到兩幅天線上，因此有3dB的損失。b)角度分集：由于地形、地貌、接收環(huán)境的不同，使得到達接收端的不同路徑的信號可能來自不同的方向，這樣在接收端可以采用方向性天線，分別指向不同的到達方向。而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關的。2.頻率分集：1)將待發(fā)送的信息分別調制到不同的載波上發(fā)送至信道。2)不同的載波之間的間隔足夠大，大于頻率相干帶寬ΔF。3)頻率分集與空間分集相比，其優(yōu)點是減少了接收天線與相應設備的數(shù)目；缺點是占用更多的頻譜資源，有可能在發(fā)端要采用多部發(fā)射機。3.時間分集1)對于一個隨機衰落信號，如果取樣時間間隔足夠大時，兩個樣點間的衰落互不相關的，利用這一特性可以構成時間分集。2)將待發(fā)送的信號每隔一定時間間隔重復發(fā)送，在接收端就可以得到N條獨立的分集支路。3)在時域上時間間隔Δt應大于相干時間ΔT。時間分集對于處于靜止狀態(tài)的移動臺是無用的。4)時間分集與空間分集相比，其優(yōu)點是減少了接收天線的數(shù)目，缺點是要占用更多的時隙資源，從而降低了傳輸效率。分集技術的優(yōu)勢是很強大的，在很多通信系統(tǒng)中都采用了分集技術。而且在這里需要強調的是，在一個通信系統(tǒng)中采用一種以上的分集方式并不是多此一舉。例如在IS-95系統(tǒng)中，同時采用了空間分集、頻率分集、時間分集技術，它們的目的都在于以最小的發(fā)射概率得到所需要的誤碼率。三、合并技術 分集接收中，在接收端從N個不同的獨立信號支路所獲得的信號，可以通過不同形式的合并技術來獲得分集增益。合并時采用的準則和方式主要可以分為三種：最大比值合并、等增益合并、選擇式合并等。下面分別介紹：1.最大比值合并在接收端有N個分集支路，經(jīng)過相位調整后，按照適當?shù)脑鲆嫦禂?shù)，同相相加，再送入檢測器進行合并。1)最大比合并的原理圖如下:圖1最大比合并原理圖2)利用切比雪夫不等式，可以證明當可變增益加權系數(shù)Gi=Ai/σ2時，分集合并后的信噪比達到最大值。其中Ai表示第i個分集支路的信號幅度；σ2表示每支路的噪聲功率，且i=1，2，3，…，n。3)合并后的輸出為（1）可見信噪比越大，對合并后信號貢獻越大。4)最大比合并后的平均輸出信噪比（2）其中表示最大比合并后的平均輸出信噪比；表示合并前每個支路的平均信噪比；表示分集支路數(shù)目，即分集重數(shù)。5)合并增益為 （3）可見合并增益與分集支路數(shù)N成正比。2.等增益合并1)在上述最大比合并中，取，即為等增益合并。2)等增益合并后的平均輸出信噪比為（4）3)等增益合并的合并增益為（5）當N較大時，等增益合并與最大比值合并相差不多。4)等增益合并實現(xiàn)比較容易，設備也簡單。3.選擇式合并1)選擇式合并與最大比值合并的區(qū)別就是將相加器變?yōu)檫x擇器。2)接收端有N個分集支路的接收機，根據(jù)選擇邏輯選出其中具有最大信噪比的某一路作為輸出。3)選擇式合并的平均輸出信噪比為（6）可見，每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。4)選擇式合并的合并增益為（7） 綜合上述三種方法，等增益合并的優(yōu)點是實現(xiàn)比較簡單；選擇性合并的缺點是未被選擇的徑被棄之不用；最大比合并的性能最好。四、RAKE接收機RAKE的概念是由R.Price和P.E.Green在1958年的《多徑信道中的一種通信技術》一文中提出來的。RAKE接收機的基本原理就是將那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，對它進行延時和相位校正，使之在某一時刻對齊，并按一定的規(guī)則進行合并，變矢量合并為代數(shù)求和，有效地利用多徑分量，提高多徑分集的效果。由于用戶的隨機移動性，接收到的多徑分量的數(shù)量、幅度大小、時延、相位均為隨機量。圖2多徑信號的矢量合成圖若無RAKE接收機，多徑信號的合成如圖2（a）所示，若采用RAKE接收機，多徑信號的合成如圖2（b）所示?？梢?，通過RAKE接收，將各路徑分離開，相位校準，加以利用，變矢量相加為代數(shù)相加，有效地利用了多徑分量。根據(jù)CDMA系統(tǒng)中可分離的徑的概念，當兩信號的多徑時延相差大于一個擴頻碼片寬度時，可以認為這兩個信號是不相關的，或者說是路徑可分離的。反應在頻域上，即信號的傳輸帶寬大于信號的相干帶寬時，認為這兩個信號是不相關的，或者說是路徑可分離的。由于CDMA系統(tǒng)是寬帶傳輸?shù)?，所有信道共享頻率資源，所以CDMA系統(tǒng)可以使用RAKE接收技術，而其他兩種多址技術TDMA、FDMA則無法使用。RAKE接收機分集的度量取決于多徑時延寬度和多徑分離的能力。在最大時延擴展為m的多徑衰落信道中，RAKE的概念就是采用一種特定的寬帶傳輸信號，其帶寬W遠遠大于信道的相干帶寬m，根據(jù)可分離的多徑的概念，這種情況下可分離的多徑數(shù)為 。于是RAKE接收機采用L個相關器，相鄰相關器所處理的時延之差為1/W，每個相關器只從總的接收信號中提取相應延時的那部分多徑信號。RAKE接收機的框圖如圖3所示：圖3RAKE接收機框圖五、結束語分集接收技術是一種重要的對抗多徑衰落的技術。使用分集接收技術的前提是系統(tǒng)的多徑分量的衰落相互獨立。同一通信系統(tǒng)中，可以同時采用多種分集方式以減小誤碼率。RAKE接收機就是通過將可分離的多徑按其強度成比例合并，從而把多徑中的能量收集起來。總之，分集接收技術和RAKE接收機都是移動通信系統(tǒng)中的重要技術，在第三代移動通信系統(tǒng)中，這兩種技術得到了更加廣泛的應用。