dscdma通信系统中的rake接收技术研究-毕业设计论文

dscdma通信系统中的rake接收技术研究-毕业设计论文内容摘要：

立 (携带同一信息 )的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的方法。 分集接收有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。 分集技术利用多条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。 分集接收的方式 分集方式主 要可分为“宏分集”和“微分集”：“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上，并使其在不同的方向上，这些接站同时和小区内的移动台进行通信；“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。 “微分集”主要可以分为以下六种： (1)空间分集。 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。 为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为 d 的天线，间隔距离 d与工作波长、 地物及天线高度有关。 (2)频率分集。 频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。 (3) 极化分集。 由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。 (4) 场分量分集。 由电磁场理论可知，电磁波的 E场和 H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。 (5) 角度分集。 角度分集的作法是使电波通过几个不同路径，并以不同角 度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量；由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。 (6) 时间分集。 快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性， 信息科学与工程学院 2020 届本科毕业设计 (论文 ) 8 即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。 时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。 此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。 合并方式 接收端收到 M(M≥ 2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。 一般均使用线性合并器，把输入的 M个独立衰落信号相加后合并输出。 假设 M个输入信号电压为 r1(t)， r2(t), „， rM(t)，则合并器输出电压 r(t)为： 2221 1 11N N Nii i i ii i iAA G A A A        (21) 式中， ak 为第 k个信号的加权系数。 选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。 常用的有以下三种方式： (1)选择式合并。 选择式合并是指 检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。 由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为 1，其余均为 0。 图 22 为二重分集选择式合并的示意图。 两个支路的中频信号分别经过解调，然后作信噪比比较，选择有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。 选择式合并又称开关式相加。 这种方式方法简单，实现容易。 但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两种方式。 (2) 最大比值合并。 最大比值合并是一种最佳合并方式，其方框图如图 23所示。 为了书写简便，每一支路 信号包络 rk(t)用 rk 表示。 每一支路的加权系数 ak 与信号包络 rk 成正比而与噪声功率 Nk成反比，即 (22) 由此可得最大比值合并器输出的信号包络为 (23) 可见合并增益与分集支路数 N成正比。 (3) 等增益合并。 等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，kkkra N211MMkk k kkk krr a r N 信息科学与工程学院 2020 届本科毕业设计 (论文 ) 9 其方框图如图 24 所示。 等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。 等增益合并器输出的信号包络为 ： (24) 图 22 二重分集选择式合并 RAKE 接收机 RAKE 接收机的定义 RAKE接收技术是第三代 CDMA移动通信系统中的一项 非常 重要 的 技术。 在 CDMA移动通信系统中， 由于 信号带宽 比 较宽，存在着 比较 复杂的多径无线电信号，通信 会 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。 由于该接收机中横向滤波器具有类似于锯齿状的抽头，就像耙子一样，故称该接收机为 RAKE接收机。 横向滤波器如图 25 所示。 图 25 实现最佳合并的横向滤波器 1MEkkrr接收机 1接收机 2接收机 1接收机 2∑ Mk kkNr12a1a2接收机 1接收机 2∑ Mkkr1图 23 最大比值合并 图 24 等增益合并 信息科学与工程学院 2020 届本科毕业设计 (论文 ) 10 RAKE 接收机的原理 在陆地通信系统中 普遍 存在着多径干扰和衰落，在城市环境中尤为严重。 当不同的多径分量 的 衰落相互独立时， 就 可以采用分集接收技术 来 对抗衰落。 多径信号分离的基础 原理 是采用直接序列 对信号频谱进行扩展。 当直扩序列码片宽度为 TC 时， 系统所能分离的最小路径时延差为 TC。 RAKE 接收机利用直扩序列的相关特性，采用多个相关器来分离直扩 多径信号，然后按照 一定 的 规则将分离后的多径信号合并起来 ，用 以获得最大的有用信号能量。 这样 就 将有害的多径信号变 成了 有利的有用信号。 由于用户 移动 的随机性，接收到的多径分量的数量、幅度、时延、相位 都是随机量。 若 不采用 RAKE 接收机，多径信号的合成如图 26(a)所示，若采用 了 RAKE接收机， 则 多径信号的合成如图 26(b)所示。 接 收 后 的 合成 矢 量第 三 径第 二 径第 一 径a ) 无 R A K E 接 收 项第 一 径 第 二 径 第 三 径接 收 后 的 合 成 矢 量代 数 和b ) 有 R A K E 接 收 项 图 26 多径信号的矢量 合成图 RAKE 接收机主要应用在直扩 通信 系统中，特别是民用 的 CDMA 通信系统。 在移动通信的环境中， 不仅 需要移动台收发器，也需要 基站 收发器。 无论移动台 处 在通信区域 中 的哪一个位置 上 ，系统都能 够 提供一条高品质的通信链路。 对窄带系统来说， 由于 在传送一个符号的时间内，总会有 那么 一小部份功率较强的多径信号 会 出现在接收机端，因此系统 需要 通过软件 操作 来实现信道 等 化功能，以便 消除 符码之间的干扰现象。 由于 CDMA 通信 系统具有宽带的特性（码片速率 较高 ），因此 在 这些路径 上可能会超过一个 CDMA 位的宽度。 在这种 情况 下，传统的等化 功能将不再适用，因此 需要一种新的技术，它必须能 够 接收所有路径的信号，然后 将它们 组成一个完整的信号。 RAKE 接收机就 扮演这样的角色 ，它可以收到所有可能路径 上 的信号，然后再将这些路径上的信号 按一定规则 组合成一个清晰的信 号， 它的 强度远超过单个路径上 接收到 的信号。 基本上， RAKE 接收机会计算 出 参考模式与接收信号之间的相关性， 而后 找出个别信号的传送路径。 所谓 的 RAKE 接收机，就是利用多个并行相关器 来 检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号 以 供解调用的接收机。 特别指出，一般的分集技术 会 把多径信号作为干扰来处理， 然 而 RAKE 接收机采取变害为利的方法， 就是 利用多径现象来增强信号。 图 27 示出了简化的 RAKE 接收机的组成。 信息科学与工程学院 2020 届本科毕业设计 (论文 ) 11 图 27 简化的 RAKE 接收机组成 在最大时延扩展为 m的多径衰落信道 中， RAKE 的概念就是采用一种特定的宽带传输信号，其带宽 W 远远大于信道的相干带宽 m，根据可分离的多径的概念，这种情况下可分离的多径数为 L。 于是 RAKE 接收机采用 L 个相关器，相邻相关器所处理的时延之差为 1/W，每个相关器只从总的接收信号中提取相应延时的那部分多径信号。 移动通信信道 本身 是一种多径衰落信道， RAKE 接收 用于 分别接收每一 路的信号 并 进行解调，然后 合成 输出达到增强接收效果的目的，这里 的 多径信号不仅不是不利 的 因素，而且在 CDMA 系统 中 变成一个有利因素。 在移动通信 系统 中， 受到 城市建筑物和地形地貌的影响， 用 电波 进行 传播必然会出现 多径传播 和时延，使 得 接收信号出现 延时 和衰落，采用 RAKE 接收技术是十分有效的 对 抗多径衰落的方法。 在 CDMA 扩频系统中，信道的 平坦衰落 带宽远远小于信道带宽。 与传统的调制 技术需要用 均衡 算法来消除相邻符号间的 码间干扰 不同的是， CDMA 扩频码在选择时就要求它有很好的 自相关 特性。 于是，在无线信道中出现的 时延扩展 ，就可以被看作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， 从 而不再需要均衡了。 由于在多径信号本身是信号，只是因为 在 传播过程中衰落了，所以 CDMA接收机 就 利用多径现象，通过合并 各路径信号 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， 它的 理论基础就是：当传播时延超过一个码片时，多径信号可 以 被看 信息科学与工程学院 2020 届本科毕业设计 (论文 ) 12 作是互不相关的。 图 28 RAKE 接收机框图 图 28 中，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 177。 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。 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。 RAKE 接收机的性 能分析 众所周知，误码率是衡量系统抗衰落性能的重要指标。 在锐利衰落情况下，平均误码率与分集重数和合并方式密切相关。 M 进制 DSCDMA 系统误码率 eP 和误比特率 bP 的关系为： / 2 ( 1)beP P M M (25) (1)不采用 RAKE 接收 (SFR) 在不采用 RAKE 接收时。 信号的接收相当于 RAKE 接收机中单一支路接收。 假定接收 机随机捕获 L 条多径中的一条，误码率为： 1 { ( 1 , ) ( 2 , ) , .. ., ( 1 , ) ( , ) }eP P s l s l s l s M l    11 [ { (1 , ) ( , ) , 1} ] MP s l s k l k     111 [1 ]SFR MeP    (26) 基于高斯分布假设，可推导出 1SFReP 为 ： 2 2 21 1 ( 1 , ) ( , ){ ( 1 , ) ( , ) } ( { } / ( ) )S F Re l s l s k lP P s l s k l Q E D     信息科学与工程学院 2020 届本科毕业设计 (论文 ) 13 22221,c o s ( ) ( 1 / )()122 c o s ( ) ( / ) ( , )l l l l l cLl l l l l c jj j lTQT m j lNN。