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RAKE


目录·定义
·技术发展及研究现状
·基本原理
·数字实现模型
·WCDMA中的应用
·MATLAB仿真
·系统性能



定义
RAKE接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。在CDMA移动通信系统中,由于信号带宽较宽,存在着复杂的多径无线电信号,通信受到多径衰落的影响。RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术,可以在时间上分辨出细微的多径信号,对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。这种作用有点像把一堆零乱的草用“耙子”把它们集拢到一起那样,英文“RAKE”是“耙子”的意思,因此被称为RAKE技术。

技术发展及研究现状
1956年,Prcie和Green提出了具有抗多径衰落的RAEK 接收机概念:1937年,Forney提出的基于已知信道特性的最大似然序列检测器(MLSD),这是一种最优的单用户接收机。美国QUALCOMM公司在80 年代坚持研究DS-CDMA技术,1989年,QUALCOMM公司进行了首次CDMA实验。验证了DS扩频信号波形非常适合多径信道的传输,以及RAKE接收机、功率控制和软切换等CDMA的关键技术 。在 1996年推动了窄带CDMA IS-95商用运行,让RAKE接收机产业化,同时也推动了RAKE接收技术的长足发展。

面对未来的发展,RAKE接收机将同三项关键革新技术相结合:智能天线技术、多用户检测、MIMO系统。目前研究的热点包括:RAKE接收机如何降低复杂度;多用户检测的最优算法;MIMO系统与OFDM的结合等。

基本原理
在CDMA扩频系统中,信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰,CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样,在无线信道中出现的时延扩展,就可以被看作只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了一个码片的长度,那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声,而不再需要均衡了。

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。其实RAKE接收机所作的就是:通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号,并把它们合并在一起。图为一个RAKE接收机,它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器,其理论基础就是:当传播时延超过一个码片周期时,多径信号实际上可被看作是互不相关的。

带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差±1/2(或1/4)个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。

由于信道中快速衰落和噪声的影响,实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化,因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转,实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频,可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。

LPF是一个低通滤波器,滤除信道估计结果中的噪声,其带宽一般要高于信道的衰落率。使用间断导频时,在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计,采用判决反馈技术时,先硬判决出信道中的数据符号,在已判决结果作为先验信息(类似导频)进行完整的信道估计,通过低通滤波得到比较好的信道估计结果,这种方法的缺点是由于非线性和非因果预测技术,使噪声比较大的时候,信道估计的准确度大大降低,而且还引入了较大的解码延迟。

延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布,识别具有较大能量的多径位置,并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/4~1/2码片,而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中,如果延迟估计的更新速度很快(比如几十ms一次),就可以无须迟早门的锁相环。

延迟估计的主要部件是匹配滤波器,匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关,取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时,其相关能力最大,在滤波器输出端有一个最大值。根据相关能量,延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。

从实现的角度而言,RAKE接收机的处理包括码片级和符号级,码片级的处理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器。符号级的处理包括信道估计,相位旋转和合并相加。码片级的处理一般用ASIC器件实现,而符号级的处理用DSP实现。移动台和基站间的RAKE接收机的实现方法和功能尽管有所不同,但其原理是完全一样的。

对于多个接收天线分集接收而言,多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理,RAKE接收机既可以接收来自同一天线的多径,也可以接收来自不同天线的多径,从RAKE接收的角度来看,两种分集并没有本质的不同。但是,在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理,增加了基带处理的复杂度。

数字实现模型
由推导可以得到AREK接收机的一种实现模型,如图所示。图中把接收数据送入RA此接收机的各指峰finger,在每个fillger中首先对接收数据做下抽样和时延调整,保证各finger 均获得有效的计算数据,并且使每个chip周期内有一个抽样值;接着是与本地扩频地址码进行相关运算,随后在整个扩频地址码长度内求平均,并以符号长度为周期抽样,然后将各finger的计算值乘以信道加权系数口,后合并相加,最后得到RAKE 接收输出值x(t)

WCDMA中的应用
WCDMA中的RAKE接收机的一种实现方案如图所示。在图中,RAKE接收机的每个finger由内插/下抽样、解扰、数据信道解扩、抽样、相位补偿、导频信道解扩、抽样时钟偏移跟踪、定时跟踪、相位误差跟踪等单元组成;而扰码捕获、多径捕获、RAKE finger控制等单元是整个解扩解调接收机的控制部分。RAKE接收机的每个finger负责每个多径的接收与跟踪,其中还包括信道参数的估计和补偿,RAKE接收机的控制部分负责多径捕获和多径信号取舍,合并单元将从各个finger中获得的解扩解调信号按一定的算法进行合并,以便有效地检测用户信息比特。

MATLAB仿真
使用MATLAB实现CDMA系统的Rake接收机。假设信源输出用16位Walsh码扩频,进入接收机的有3径(即N=3);假设每条径之间延时半个码片,为了进行仿真,对Walsh码进行扩展,每个码字重复一次,则长度扩展为32位,如[1 1 0]扩展为[1 1 1 1 0 0]。接收机接收解扩判决输出,利用的是最大比合并。
%接收到的三径信号以及噪声信号
demp=p1*path1+p2*path2+p3*path3+noise;
dt=reshape(demp,32,Dlen)'';
%将Walsh码重复为两次
Wal16_d(1:2:31)=Wal16(8,1:16);
Wal16_d(2:2:32)=Wal16(8,1:16);
rdata1=dt*Wal16_d(1,:).''; %解扩后rdata1为第一径输出
Wal16_delay1(1,2:32)=Wal16_d(1,1:31); %将Walsh码延迟半个码片
rdata2=dt*Wal16_delay1(1,:).''; %解扩后rdata2为第二径输出
%将Walsh码延迟一个码片
Wal16_delay2(1,3:32)=Wal16_d(1,1:30);
Wal16_delay2(1,1:2)=Wal16_d(1,31:32);
rdata3=dt*Wal16_delay2(1,:).''; %解扩后rdata3为第三径输出
p= rdata1''*rdata1+ rdata2''*rdata2+ rdata3''*rdata3;
u1= rdata1''*rdata1/p;
u2= rdata2''*rdata2/p;
u3= rdata3''*rdata3/p;
%最大值合并
u=[u1,u2,u3];
%各路径所占的功率因子
maxu=max(u);
if(maxu==u1)
rd_m3=real(rdata1);else if(maxu==u2)
rd_m3=real(rdata2);
else rd_m3=real(rdata3);
end
end

系统性能
我们对反向信道Rake接收行为作蒙特卡罗仿真,并对系统作以下简化:
1.对Rake性能的影响接收性能作仿真,不考虑卷积编译码、交织与解交织系统。设信息比特速率为DS-UWB最高速率,不进行符号重复;
2.对基带信号作仿真,忽略基带滤波器和载波调制方式的影响。
3.系统抽样时间为PN码片速率8倍
4. Rayleigh衰落冲击响应数据通过Jakes模型导出,最大多普勒频移为140Hz,采用COST-207城市模型。
数据接收完毕后,通过比较接收序列与原始随机序列,可以得到Rake接收
机在当前噪声环境下的误码率。仿真结果如图所示。
图中,仿真结果以误码率(BER/FEF)和信躁比(E/N)的关系曲线给出,E/N通过改变I值计算并显示相应的BER或FER,平均导频信道功率表现为移动台天线处的接受功率谱密度。从仿真过程可以看出,RAKE接收机能比较好的解决多径问题。白噪声干扰对Rake接收机误码率影响不大,而随着干扰用户功率增加,Rake接收机的误码率迅速上升。


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贡献者:
tomtuo
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