RAKE接收機(jī)與分集接收(共6頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上淺談分集接收技術(shù)與RAKE接收機(jī) 淺談分集接收技術(shù)與RAKE接收機(jī)中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室 陳永欣摘 要 介紹了在移動(dòng)通信系統(tǒng)中對(duì)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(shí)，可以采用分集接收技術(shù)以對(duì)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(cè)門(mén)限值的概率為p，則在L徑情況下，所有L個(gè)徑的強(qiáng)度都低于檢測(cè)門(mén)限的概率為pL遠(yuǎn)低于p。分集接收技術(shù)的代價(jià)是增加了

2、接收的復(fù)雜度。在CDMA系統(tǒng)中，由于信號(hào)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(dòng)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(hào)能量，以改善傳輸可靠性的技術(shù)。它也是研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域和空域中，如何分散開(kāi)又如何收集起來(lái)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(guò)空域、時(shí)域、頻域的不同角度、不同的方法與措施來(lái)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(hào)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)

3、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R。 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=24。 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(gè)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)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(hào)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

4、：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(hào)可能來(lái)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(gè)方向性天線接收到的多徑信號(hào)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F。 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(shí)間分集 1) 對(duì)于一個(gè)隨機(jī)衰落信號(hào)，如果取樣時(shí)間間隔足夠大時(shí)，兩個(gè)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(shí)間分集。 2) 將待發(fā)送的信號(hào)每隔一

5、定時(shí)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(shí)域上時(shí)間間隔t應(yīng)大于相干時(shí)間T。時(shí)間分集對(duì)于處于靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)是無(wú)用的。 4) 時(shí)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(shí)隙資源，從而降低了傳輸效率。 分集技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(gè)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(shí)采用了空間分集、頻率分集、時(shí)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(gè)不同的獨(dú)立信號(hào)支路所獲得的信號(hào)，可以通過(guò)不同

6、形式的合并技術(shù)來(lái)獲得分集增益。合并時(shí)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(gè)分集支路，經(jīng)過(guò)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(cè)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?cè)鲆婕訖?quán)系數(shù)Gi=Ai/2時(shí)，分集合并后的信噪比達(dá)到最大值。其中Ai表示第i個(gè)分集支路的信號(hào)幅度；2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(jiàn)信噪比越大，對(duì)合并后信號(hào)貢獻(xiàn)越大。 4) 最大比合并后的平均輸出信噪比 （2） 其中 表

7、示最大比合并后的平均輸出信噪比； 表示合并前每個(gè)支路的平均信噪比； 表示分集支路數(shù)目，即分集重?cái)?shù)。 5) 合并增益為 （3） 可見(jiàn)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(shí)，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(jiǎn)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(gè)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

8、輸出信噪比為 （6） 可見(jiàn)，每增加一條分集支路，對(duì)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(jiǎn)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(lái)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(duì)它進(jìn)行延時(shí)和相位校正，使之在某一時(shí)刻對(duì)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

9、機(jī)移動(dòng)性，接收到的多徑分量的數(shù)量、幅度大小、時(shí)延、相位均為隨機(jī)量。 圖2 多徑信號(hào)的矢量合成圖若無(wú)RAKE接收機(jī)，多徑信號(hào)的合成如圖2（a）所示，若采用RAKE接收機(jī)，多徑信號(hào)的合成如圖2（b）所示。 可見(jiàn)，通過(guò)RAKE接收，將各路徑分離開(kāi)，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(hào)的多徑時(shí)延相差大于一個(gè)擴(kuò)頻碼片寬度時(shí)，可以認(rèn)為這兩個(gè)信號(hào)是不相關(guān)的，或者說(shuō)是路徑可分離的。反應(yīng)在頻域上，即信號(hào)的傳輸帶寬大于信號(hào)的相干帶寬時(shí)，認(rèn)為這兩個(gè)信號(hào)是不相關(guān)的，或者說(shuō)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(wú)法使用。 RAKE接收機(jī)分集的度量取決于多徑時(shí)延寬度和多徑分離的能力。 在最大時(shí)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(hào)，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(gè)相關(guān)器，相鄰相關(guān)器所處理的時(shí)延之差為1/W，每個(gè)相關(guān)器只從總的接收信號(hào)中提取相應(yīng)延時(shí)的那部分多徑信號(hào)。 RAKE接收機(jī)的框圖如圖3所示：圖3 RAKE接收機(jī)框圖五、結(jié)束語(yǔ) 分集接收技術(shù)是一種重要的對(duì)抗多徑衰落的技術(shù)。使用分集接收技術(shù)