Rake接收機:能分離合并多徑信号能量的通信設備-中文百科頻道

定義

RAKE接收技術是第三代CDMA移動通信系統中的一項重要技術。在CDMA移動通信系統中，由于信号帶寬較寬，存在着複雜的多徑無線電信号，通信受到多徑衰落的影響。RAKE接收技術實際上是一種多徑分集接收技術，可以在時間上分辨出細微的多徑信号，對這些分辨出來的多徑信号分别進行加權調整、使之複合成加強的信号。由于該接收機中橫向濾波器具有類似于鋸齒狀的抽頭，就像耙子一樣，故稱該接收機為RAKE接收機。

曆史及現狀

1956年，Prcie和Green提出了具有抗多徑衰落的RAKE接收機概念：1937年，Forney提出的基于已知信道特性的最大似然序列檢測器(MLSD)，這是一種最優的單用戶接收機。

Rake的概念是1958年由R.Price和P.E.Green在《多徑信道中的一種通信技術》中提出來的。由于這種接收機收集許多路徑上的信号，其作用與農用多齒草耙（英文為“Rake”）的作用相似，故稱為Rake接收機，該接收方法涉及幾個相關器的使用，每個都可以形象地看作是花圃的耙爪（Finger）或叉（Tine）。這種接收機不是減弱或削除多徑信号，而是充分利用多徑信号的能量。

美國QUALCOMM公司在80年代堅持研究DS-CDMA技術，1989年，QUALCOMM公司進行了首次CDMA實驗。驗證了DS擴頻信号波形非常适合多徑信道的傳輸，以及RAKE接收機、功率控制和軟切換等CDMA的關鍵技術。在1996年推動了窄帶CDMA IS-95商用運行，讓RAKE接收機産業化，同時也推動了RAKE接收技術的長足發展。

RAKE接收機将同三項關鍵革新技術相結合：智能天線技術、多用戶檢測、MIMO系統。研究的熱點包括：RAKE接收機如何降低複雜度；多用戶檢測的最優算法；MIMO系統與OFDM的結合等。

基本原理

在CDMA擴頻系統中，信道帶寬遠遠大于信道的平坦衰落帶寬。不同于傳統的調制技術需要用均衡算法來消除相鄰符号間的碼間幹擾，CDMA擴頻碼在選擇時就要求它有很好的自相關特性。這樣，在無線信道中出現的時延擴展，就可以被看作隻是被傳信号的再次傳送。如果這些多徑信号相互間的延時超過了一個碼片的長度，那麼它們将被CDMA接收機看作是非相關的噪聲，而不再需要均衡了。

由于在多徑信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收機可以通過合并多徑信号來改善接收信号的信噪比。其實RAKE接收機所作的就是：通過多個相關檢測器接收多徑信号中的各路信号，并把它們合并在一起。圖為一個RAKE接收機，它是專為CDMA系統設計的經典的分集接收器，其理論基礎就是：當傳播時延超過一個碼片周期時，多徑信号實際上可被看作是互不相關的。

帶DLL的相關器是一個具有遲早門鎖相環的解調相關器。遲早門和解調相關器分别相差±1/2（或1/4）個碼片。遲早門的相關結果相減可以用于調整碼相位。延遲環路的性能取決于環路帶寬。

由于信道中快速衰落和噪聲的影響，實際接收的各徑的相位與原來發射信号的相位有很大的變化，因此在合并以前要按照信道估計的結果進行相位的旋轉，實際的CDMA系統中的信道估計是根據發射信号中攜帶的導頻符号完成的。根據發射信号中是否攜帶有連續導頻，可以分别采用基于連續導頻的相位預測和基于判決反饋技術的相位預測方法。

（1）基于連續導頻信号的使用判決反饋技術的間斷導頻條件的信道估計方法

LPF是一個低通濾波器，濾除信道估計結果中的噪聲，其帶寬一般要高于信道的衰落率。使用間斷導頻時，在導頻的間隙要采用内插技術來進行信道估計，采用判決反饋技術時，先硬判決出信道中的數據符号，在已判決結果作為先驗信息（類似導頻）進行完整的信道估計，通過低通濾波得到比較好的信道估計結果，這種方法的缺點是由于非線性和非因果預測技術，使噪聲比較大的時候，信道估計的準确度大大降低，而且還引入了較大的解碼延遲。

延遲估計的作用是通過匹配濾波器獲取不同時間延遲位置上的信号能量分布，識别具有較大能量的多徑位置，并将它們的時間量分配到RAKE接收機的不同接收徑上。匹配濾波器的測量精度可以達到1/4～1/2碼片，而RAKE接收機的不同接收徑的間隔是一個碼片。實際實現中，如果延遲估計的更新速度很快（比如幾十ms一次），就可以無須遲早門的鎖相環。

（2）匹配濾波器的基本結構

延遲估計的主要部件是匹配濾波器，匹配濾波器的功能是用輸入的數據和不同相位的本地碼字進行相關，取得不同碼字相位的相關能量。當串行輸入的采樣數據和本地的擴頻碼和擾碼的相位一緻時，其相關能力最大，在濾波器輸出端有一個最大值。根據相關能量，延遲估計器就可以得到多徑的到達時間量。

從實現的角度而言，RAKE接收機的處理包括碼片級和符号級，碼片級的處理有相關器、本地碼産生器和匹配濾波器。符号級的處理包括信道估計，相位旋轉和合并相加。碼片級的處理一般用ASIC器件實現，而符号級的處理用DSP實現。移動台和基站間的RAKE接收機的實現方法和功能盡管有所不同，但其原理是完全一樣的。

對于多個接收天線分集接收而言，多個接收天線接收的多徑可以用上面的方法同樣處理，RAKE接收機既可以接收來自同一天線的多徑，也可以接收來自不同天線的多徑，從RAKE接收的角度來看，兩種分集并沒有本質的不同。但是，在實現上由于多個天線的數據要進行分路的控制處理，增加了基帶處理的複雜度。

應用

RAKE接收機的每個finger由内插/下抽樣、解擾、數據信道解擴、抽樣、相位補償、導頻信道解擴、抽樣時鐘偏移跟蹤、定時跟蹤、相位誤差跟蹤等單元組成；而擾碼捕獲、多徑捕獲、RAKE finger控制等單元是整個解擴解調接收機的控制部分。RAKE接收機的每個finger負責每個多徑的接收與跟蹤，其中還包括信道參數的估計和補償，RAKE接收機的控制部分負責多徑捕獲和多徑信号取舍，合并單元将從各個finger中獲得的解擴解調信号按一定的算法進行合并，以便有效地檢測用戶信息比特。

MATLAB仿真

使用MATLAB實現CDMA系統的Rake接收機。假設信源輸出用16位Walsh碼擴頻，進入接收機的有3徑（即N=3）；假設每條徑之間延時半個碼片，為了進行仿真，對Walsh碼進行擴展，每個碼字重複一次，則長度擴展為32位，如[110]擴展為[111100]。接收機接收解擴判決輸出，利用的是最大比合并。

%接收到的三徑信号以及噪聲信号

demp=p1*path1+p2*path2+p3*path3+noise;

dt=reshape(demp,32,Dlen)';

%将Walsh碼重複為兩次

Wal16_d(1:2:31)=Wal16(8,1:16);

Wal16_d(2:2:32)=Wal16(8,1:16);

rdata1=dt*Wal16_d(1,:).';%解擴後rdata1為第一徑輸出

Wal16_delay1(1,2:32)=Wal16_d(1,1:31);%将Walsh碼延遲半個碼片

rdata2=dt*Wal16_delay1(1,:).';%解擴後rdata2為第二徑輸出

%将Walsh碼延遲一個碼片

Wal16_delay2(1,3:32)=Wal16_d(1,1:30);

Wal16_delay2(1,1:2)=Wal16_d(1,31:32);