rake接收機(jī)與分集接收

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淺談分集接收技術(shù)與RAKE接收機(jī)淺談分集接收技術(shù)與RAKE接收機(jī)中國泰爾實(shí)驗(yàn)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(shù)——分集接收技術(shù)，并分析了各種分集、合并技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了RAKE接收機(jī)的概念和結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞分集技術(shù)合并技術(shù)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(yán)重。當(dāng)不同的多徑分量其衰落相互獨(dú)立時，可以采用分集接收技術(shù)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(qiáng)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(qiáng)度都低于檢測門限的概率為pL遠(yuǎn)低于p。分集接收技術(shù)的代價是增加了接收的復(fù)雜度。在CDMA系統(tǒng)中，由于信號寬帶傳輸，可以認(rèn)為多徑分量的衰落是相互獨(dú)立的，即可以采用分集接收的技術(shù)。在第三代移動通信中分集接收技術(shù)有了更加廣泛的應(yīng)用。二、分集技術(shù)分集技術(shù)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(shù)。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(shù)。為了在接收端得到幾乎相互獨(dú)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(shí)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(diǎn)（空間）收到的信號衰落的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)抗衰落的功能。2)空間分集的基本結(jié)構(gòu)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(zhì)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(diǎn)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(guān)的衰落特性進(jìn)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(guān)的信號進(jìn)行極化分集。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間；缺點(diǎn)：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(dá)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(dá)方向。而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的。2.頻率分集：1)將待發(fā)送的信息分別調(diào)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(diǎn)是減少了接收天線與相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目；缺點(diǎn)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(jī)。3.時間分集1)對于一個隨機(jī)衰落信號，如果取樣時間間隔足夠大時，兩個樣點(diǎn)間的衰落互不相關(guān)的，利用這一特性可以構(gòu)成時間分集。2)將待發(fā)送的信號每隔一定時間間隔重復(fù)發(fā)送，在接收端就可以得到N條獨(dú)立的分集支路。3)在時域上時間間隔Δt應(yīng)大于相干時間ΔT。時間分集對于處于靜止?fàn)顟B(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(diǎn)是減少了接收天線的數(shù)目，缺點(diǎn)是要占用更多的時隙資源，從而降低了傳輸效率。分集技術(shù)的優(yōu)勢是很強(qiáng)大的，在很多通信系統(tǒng)中都采用了分集技術(shù)。而且在這里需要強(qiáng)調(diào)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(shù)，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(shù) 分集接收中，在接收端從N個不同的獨(dú)立信號支路所獲得的信號，可以通過不同形式的合并技術(shù)來獲得分集增益。合并時采用的準(zhǔn)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(diào)整后，按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，同相相加，再送入檢測器進(jìn)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(dāng)可變增益加權(quán)系數(shù)Gi=Ai/σ2時，分集合并后的信噪比達(dá)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(xiàn)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(dāng)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(shí)現(xiàn)比較容易，設(shè)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(jī)，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(xiàn)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(diǎn)是實(shí)現(xiàn)比較簡單；選擇性合并的缺點(diǎn)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(jī)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(shù)》一文中提出來的。RAKE接收機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)量。圖2多徑信號的矢量合成圖若無RAKE接收機(jī)，多徑信號的合成如圖2（a）所示，若采用RAKE接收機(jī)，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(zhǔn)，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(dāng)兩信號的多徑時延相差大于一個擴(kuò)頻碼片寬度時，可以認(rèn)為這兩個信號是不相關(guān)的，或者說是路徑可分離的。反應(yīng)在頻域上，即信號的傳輸帶寬大于信號的相干帶寬時，認(rèn)為這兩個信號是不相關(guān)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(shù)，而其他兩種多址技術(shù)TDMA、FDMA則無法使用。RAKE接收機(jī)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(kuò)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)采用L個相關(guān)器，相鄰相關(guān)器所處理的時延之差為1/W，每個相關(guān)器只從總的接收信號中提取相應(yīng)延時的那部分多徑信號。RAKE接收機(jī)的框圖如圖3所示：圖3RAKE接收機(jī)框圖五、結(jié)束語分集接收技術(shù)是一種重要的對抗多徑衰落的技術(shù)。使用分集接收技術(shù)的前提是系統(tǒng)的多徑分量的衰落相互獨(dú)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(jī)就是通過將可分離的多徑按其強(qiáng)度成比例合并，從而把多徑中的能量收集起來?？傊?，分集接收技術(shù)和RAKE接收機(jī)都是移動通信系統(tǒng)中的重要技術(shù)，在第三代移動通信系統(tǒng)中，這兩種技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用。