RAKE

百科解釋

目錄·定義
·技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀
·基本原理
·數(shù)字實(shí)現(xiàn)模型
·WCDMA中的應(yīng)用
·MATLAB仿真
·系統(tǒng)性能

RAKE接收技術(shù)是第三代CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于信號(hào)帶寬較寬，存在著復(fù)雜的多徑無(wú)線電信號(hào)，通信受到多徑衰落的影響。RAKE接收技術(shù)實(shí)際上是一種多徑分集接收技術(shù)，可以在時(shí)間上分辨出細(xì)微的多徑信號(hào)，對(duì)這些分辨出來(lái)的多徑信號(hào)分別進(jìn)行加權(quán)調(diào)整、使之復(fù)合成加強(qiáng)的信號(hào)。這種作用有點(diǎn)像把一堆零亂的草用“耙子”把它們集攏到一起那樣，英文“RAKE”是“耙子”的意思，因此被稱為RAKE技術(shù)。

技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1956年，Prcie和Green提出了具有抗多徑衰落的RAEK 接收機(jī)概念：1937年，F(xiàn)orney提出的基于已知信道特性的最大似然序列檢測(cè)器(MLSD)，這是一種最優(yōu)的單用戶接收機(jī)。美國(guó)QUALCOMM公司在80 年代堅(jiān)持研究DS-CDMA技術(shù)，1989年，QUALCOMM公司進(jìn)行了首次CDMA實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了DS擴(kuò)頻信號(hào)波形非常適合多徑信道的傳輸，以及RAKE接收機(jī)、功率控制和軟切換等CDMA的關(guān)鍵技術(shù) 。在 1996年推動(dòng)了窄帶CDMA IS-95商用運(yùn)行，讓RAKE接收機(jī)產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)也推動(dòng)了RAKE接收技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。

面對(duì)未來(lái)的發(fā)展，RAKE接收機(jī)將同三項(xiàng)關(guān)鍵革新技術(shù)相結(jié)合：智能天線技術(shù)、多用戶檢測(cè)、MIMO系統(tǒng)。目前研究的熱點(diǎn)包括：RAKE接收機(jī)如何降低復(fù)雜度；多用戶檢測(cè)的最優(yōu)算法；MIMO系統(tǒng)與OFDM的結(jié)合等。

基本原理

在CDMA擴(kuò)頻系統(tǒng)中，信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的平坦衰落帶寬。不同于傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)需要用均衡算法來(lái)消除相鄰符號(hào)間的碼間干擾，CDMA擴(kuò)頻碼在選擇時(shí)就要求它有很好的自相關(guān)特性。這樣，在無(wú)線信道中出現(xiàn)的時(shí)延擴(kuò)展，就可以被看作只是被傳信號(hào)的再次傳送。如果這些多徑信號(hào)相互間的延時(shí)超過(guò)了一個(gè)碼片的長(zhǎng)度，那么它們將被CDMA接收機(jī)看作是非相關(guān)的噪聲，而不再需要均衡了。

由于在多徑信號(hào)中含有可以利用的信息，所以CDMA接收機(jī)可以通過(guò)合并多徑信號(hào)來(lái)改善接收信號(hào)的信噪比。其實(shí)RAKE接收機(jī)所作的就是：通過(guò)多個(gè)相關(guān)檢測(cè)器接收多徑信號(hào)中的各路信號(hào)，并把它們合并在一起。圖為一個(gè)RAKE接收機(jī)，它是專為CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)典的分集接收器，其理論基礎(chǔ)就是：當(dāng)傳播時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片周期時(shí)，多徑信號(hào)實(shí)際上可被看作是互不相關(guān)的。

帶DLL的相關(guān)器是一個(gè)具有遲早門鎖相環(huán)的解調(diào)相關(guān)器。遲早門和解調(diào)相關(guān)器分別相差±1/2（或1/4）個(gè)碼片。遲早門的相關(guān)結(jié)果相減可以用于調(diào)整碼相位。延遲環(huán)路的性能取決于環(huán)路帶寬。

由于信道中快速衰落和噪聲的影響，實(shí)際接收的各徑的相位與原來(lái)發(fā)射信號(hào)的相位有很大的變化，因此在合并以前要按照信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行相位的旋轉(zhuǎn)，實(shí)際的CDMA系統(tǒng)中的信道估計(jì)是根據(jù)發(fā)射信號(hào)中攜帶的導(dǎo)頻符號(hào)完成的。根據(jù)發(fā)射信號(hào)中是否攜帶有連續(xù)導(dǎo)頻，可以分別采用基于連續(xù)導(dǎo)頻的相位預(yù)測(cè)和基于判決反饋技術(shù)的相位預(yù)測(cè)方法。

LPF是一個(gè)低通濾波器，濾除信道估計(jì)結(jié)果中的噪聲，其帶寬一般要高于信道的衰落率。使用間斷導(dǎo)頻時(shí)，在導(dǎo)頻的間隙要采用內(nèi)插技術(shù)來(lái)進(jìn)行信道估計(jì)，采用判決反饋技術(shù)時(shí)，先硬判決出信道中的數(shù)據(jù)符號(hào)，在已判決結(jié)果作為先驗(yàn)信息（類似導(dǎo)頻）進(jìn)行完整的信道估計(jì)，通過(guò)低通濾波得到比較好的信道估計(jì)結(jié)果，這種方法的缺點(diǎn)是由于非線性和非因果預(yù)測(cè)技術(shù)，使噪聲比較大的時(shí)候，信道估計(jì)的準(zhǔn)確度大大降低，而且還引入了較大的解碼延遲。

延遲估計(jì)的作用是通過(guò)匹配濾波器獲取不同時(shí)間延遲位置上的信號(hào)能量分布，識(shí)別具有較大能量的多徑位置，并將它們的時(shí)間量分配到RAKE接收機(jī)的不同接收徑上。匹配濾波器的測(cè)量精度可以達(dá)到1/4～1/2碼片，而RAKE接收機(jī)的不同接收徑的間隔是一個(gè)碼片。實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，如果延遲估計(jì)的更新速度很快（比如幾十ms一次），就可以無(wú)須遲早門的鎖相環(huán)。

延遲估計(jì)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(shù)據(jù)和不同相位的本地碼字進(jìn)行相關(guān)，取得不同碼字相位的相關(guān)能量。當(dāng)串行輸入的采樣數(shù)據(jù)和本地的擴(kuò)頻碼和擾碼的相位一致時(shí)，其相關(guān)能力最大，在濾波器輸出端有一個(gè)最大值。根據(jù)相關(guān)能量，延遲估計(jì)器就可以得到多徑的到達(dá)時(shí)間量。

從實(shí)現(xiàn)的角度而言，RAKE接收機(jī)的處理包括碼片級(jí)和符號(hào)級(jí)，碼片級(jí)的處理有相關(guān)器、本地碼產(chǎn)生器和匹配濾波器。符號(hào)級(jí)的處理包括信道估計(jì)，相位旋轉(zhuǎn)和合并相加。碼片級(jí)的處理一般用ASIC器件實(shí)現(xiàn)，而符號(hào)級(jí)的處理用DSP實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)臺(tái)和基站間的RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法和功能盡管有所不同，但其原理是完全一樣的。

對(duì)于多個(gè)接收天線分集接收而言，多個(gè)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(jī)既可以接收來(lái)自同一天線的多徑，也可以接收來(lái)自不同天線的多徑，從RAKE接收的角度來(lái)看，兩種分集并沒有本質(zhì)的不同。但是，在實(shí)現(xiàn)上由于多個(gè)天線的數(shù)據(jù)要進(jìn)行分路的控制處理，增加了基帶處理的復(fù)雜度。

數(shù)字實(shí)現(xiàn)模型

由推導(dǎo)可以得到AREK接收機(jī)的一種實(shí)現(xiàn)模型，如圖所示。圖中把接收數(shù)據(jù)送入RA此接收機(jī)的各指峰finger，在每個(gè)fillger中首先對(duì)接收數(shù)據(jù)做下抽樣和時(shí)延調(diào)整，保證各finger 均獲得有效的計(jì)算數(shù)據(jù)，并且使每個(gè)chip周期內(nèi)有一個(gè)抽樣值；接著是與本地?cái)U(kuò)頻地址碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，隨后在整個(gè)擴(kuò)頻地址碼長(zhǎng)度內(nèi)求平均，并以符號(hào)長(zhǎng)度為周期抽樣，然后將各finger的計(jì)算值乘以信道加權(quán)系數(shù)口，后合并相加，最后得到RAKE 接收輸出值x(t)

WCDMA中的應(yīng)用

WCDMA中的RAKE接收機(jī)的一種實(shí)現(xiàn)方案如圖所示。在圖中，RAKE接收機(jī)的每個(gè)finger由內(nèi)插/下抽樣、解擾、數(shù)據(jù)信道解擴(kuò)、抽樣、相位補(bǔ)償、導(dǎo)頻信道解擴(kuò)、抽樣時(shí)鐘偏移跟蹤、定時(shí)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(gè)解擴(kuò)解調(diào)接收機(jī)的控制部分。RAKE接收機(jī)的每個(gè)finger負(fù)責(zé)每個(gè)多徑的接收與跟蹤，其中還包括信道參數(shù)的估計(jì)和補(bǔ)償，RAKE接收機(jī)的控制部分負(fù)責(zé)多徑捕獲和多徑信號(hào)取舍，合并單元將從各個(gè)finger中獲得的解擴(kuò)解調(diào)信號(hào)按一定的算法進(jìn)行合并，以便有效地檢測(cè)用戶信息比特。

MATLAB仿真

使用MATLAB實(shí)現(xiàn)CDMA系統(tǒng)的Rake接收機(jī)。假設(shè)信源輸出用16位Walsh碼擴(kuò)頻，進(jìn)入接收機(jī)的有3徑（即N=3）；假設(shè)每條徑之間延時(shí)半個(gè)碼片，為了進(jìn)行仿真，對(duì)Walsh碼進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè)碼字重復(fù)一次，則長(zhǎng)度擴(kuò)展為32位，如[1 1 0]擴(kuò)展為[1 1 1 1 0 0]。接收機(jī)接收解擴(kuò)判決輸出，利用的是最大比合并。
%接收到的三徑信號(hào)以及噪聲信號(hào)
demp=p1*path1+p2*path2+p3*path3+noise;
dt=reshape(demp,32,Dlen)&＃39;&＃39;;
%將Walsh碼重復(fù)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,:).&＃39;&＃39;; %解擴(kuò)后rdata1為第一徑輸出
Wal16_delay1(1,2:32)=Wal16_d(1,1:31); %將Walsh碼延遲半個(gè)碼片
rdata2=dt*Wal16_delay1(1,:).&＃39;&＃39;; %解擴(kuò)后rdata2為第二徑輸出
%將Walsh碼延遲一個(gè)碼片
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,:).&＃39;&＃39;; %解擴(kuò)后rdata3為第三徑輸出
p= rdata1&＃39;&＃39;*rdata1+ rdata2&＃39;&＃39;*rdata2+ rdata3&＃39;&＃39;*rdata3;
u1= rdata1&＃39;&＃39;*rdata1/p;
u2= rdata2&＃39;&＃39;*rdata2/p;
u3= rdata3&＃39;&＃39;*rdata3/p;
%最大值合并
u=[u1,u2,u3];
%各路徑所占的功率因子
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

系統(tǒng)性能

我們對(duì)反向信道Rake接收行為作蒙特卡羅仿真，并對(duì)系統(tǒng)作以下簡(jiǎn)化:
1.對(duì)Rake性能的影響接收性能作仿真，不考慮卷積編譯碼、交織與解交織系統(tǒng)。設(shè)信息比特速率為DS-UWB最高速率，不進(jìn)行符號(hào)重復(fù)；
2.對(duì)基帶信號(hào)作仿真，忽略基帶濾波器和載波調(diào)制方式的影響。
3.系統(tǒng)抽樣時(shí)間為PN碼片速率8倍
4. Rayleigh衰落沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)Jakes模型導(dǎo)出，最大多普勒頻移為140Hz，采用COST-207城市模型。
數(shù)據(jù)接收完畢后，通過(guò)比較接收序列與原始隨機(jī)序列，可以得到Rake接收
機(jī)在當(dāng)前噪聲環(huán)境下的誤碼率。仿真結(jié)果如圖所示。
圖中，仿真結(jié)果以誤碼率（BER/FEF）和信躁比（E/N）的關(guān)系曲線給出，E/N通過(guò)改變I值計(jì)算并顯示相應(yīng)的BER或FER，平均導(dǎo)頻信道功率表現(xiàn)為移動(dòng)臺(tái)天線處的接受功率譜密度。從仿真過(guò)程可以看出，RAKE接收機(jī)能比較好的解決多徑問題。白噪聲干擾對(duì)Rake接收機(jī)誤碼率影響不大，而隨著干擾用戶功率增加，Rake接收機(jī)的誤碼率迅速上升。

通信詞典解釋