8.2 RAKE接收与多径分集在线视频

下面我们来讲

一种典型的频率分集

或者是多径分集技术

也就是CDMA系统当中的RAKE接收机

RAKE接收机

请大家注意

还有两个关键的技术特征

第一个

RAKE接收机是一种频率分集

请大家注意

它不是时间分集

虽然它是分离多径的

多径是来自于不同时延的

但是它是一种频率分集技术

那么对抗那种频率

选择性衰落

不是时间分集

第二个技术特点的

RAKE接收机

是一种隐分集

才不用额外增加

设备成本

算法复杂度来换取性能

所以RAKE接收机是一种比较好的

可以对抗频率

选择性衰落的

技术手段

我们首先先从

信号空间的观点

从几何角度来解释一下RAKE接收机

RAKE接收机

它是个什么样的概念呢

我们先看一下

多进叠加的解释

那么大家看呢

多条路径的信号

我们往往经过衰落以后

可以把它看作是

在幅度上

也就是说包络上

有起伏变化

我们在相位上呢也有起伏变化

并且实际上还有时延

这样的一个随机相位

随机幅度

然后我们把它叠加起来

这样的一些信号

对吧

这就是我们接受的信号

我们从单个路径的信号来看

其实它有幅度的变化

有相位的变化

我们可以把这样的一径信号

看作是二维信号空间当中的一个

向量

幅度的取值

或者幅度的变化值

实际上就是这个信号向量的模值

相位

这个变化量其实就是

向量的死角

所以比如说

我们假设有三径信号

这是第一径的信号

它这个幅度幅值信号的强度

就幅值它就是向量的模值

那么相位的

像我们举的例子

相位应当是0

那么第二径信号

它与递进

对不齐

因为都是随机产生的

它受到传播环境的影响

那么第2径像可能在这

幅度这么大

这有个相位对吧

第三径信号可能在这儿

幅度是这样的

这个相位几乎已经垂直于

横轴的

我们问的问题是说

每一进都是个向量

接收机

接收端所收到的是3径信号的

叠加

三径叠加起来的信号

是个什么样子呢

它就是一个矢量

和这三个向量的和

所以我们可以采用适量叠加原理

就真正你所收到的信号

其实是一个矢量

这就是你混叠到一起去的

三个路径信号

能叠加出来

就是这么个

我们看一下RAKE接收机的功能

简言之

从概念上来理解

RAKE接收机的功能是说

我可以把每一条路径的信号

就这三个不同的

幅度相位都不相同的

这三条路径的信号

我都能分出来

也就是说

我能够分离出来的三个向量

分出来之后的话

那么我们以某一条路径为参考

你把别的向量

都进行补偿

比如说相位上我做旋转

就把第二条路径旋到横轴上

第三条路径

我也寻到横轴上

那么在幅度上和相位上都补偿了

然后再叠加

这就是下面一张图

大家看

这时候叠加大家看呢

因为三条路径都已经补偿过了

它们实际上是

相位上旋转到同一个方向上

所以都是同向的向量

然后再叠加

这个时候就变成了

代数加了

不再是适量加

所以大家看代数和的结果

显然补偿叠加之后的信号

幅度

实际上也就是这三个向量的幅度

之和

显然要比矢量和大得多

也就意味着什么

它的信噪比就变高了

所以RAKE接收机的基本原理

我们从几何角度来讲

是很容易理解的

所以RAKE接收机

它的目的就是

把原来的这种

多径矢量求和的结果

要把它靠每一径

把每一径信号的信号

向量的幅度

相位都进行补偿

变成一个代数和

从而提升接受信号的质量

我们看看RAKE接收机

它的基本结构是什么样子的

咱们通过一些例子

来给大家介绍

首先我们先看看IS-95系统当中的

RAKE接收机的

一个基本工作的原理直观示意

大家看看 IS-95系统当中

我们假设说多径有4条径

这是第一径

第二径

第三径 第四径

那么我们通过

对准每一径来进行解扩

和多径分离

那就可以把每一条径的信号

都提取出来

那么提取出来之后

再把时延进行补偿

最后叠加起来

这种方式

RAKE接收机的一个

工程设计的基本思路

在具体讲它的设计思路之前

我们现在给大家引入一个

RAKE接收机

或者说CDMA系统当中

接收机设计的一个非常重要的

指标

也就是最大可分离的技术

所谓最大可分离的技术

我们有时候也称

它为最大可分辨技术

这个概念

或者指标就决定了

你工程上最多要做多少

RAKE接收机

这个指标

我们把它定义为是

以信号的带宽

你说我扩频之后

信号带宽是W比相干带宽

比值

对吧

下矩阵

这就是所谓的最大可分离技术

它的含义就是说

RAKE接收机

最多能够分离出来的

独立的分量的数目

就这个意思

那么我们举点例子

比如说像IS-95系统当中

它的信号带宽是1.25

兆赫兹

那么相干带宽

你还记得第二章

我们讲过

典型城区环境的话

它的最大多径时延是50微秒

那么相干是5微秒

相干带宽的实际上就是200

200K赫兹

所以你带入这个公式

我们下去整就能算得出来

对于IS-95系统而言

那么最大可分离的径数呢

是不超过6径

也就意味着说 IS-95系统当中

我们最多能够获得了6重分集

增益再多了

没有了

但其实实际环境当中

我们很难获得这6重分集增益

大多数情况下

像在移动台这 一侧手机这一侧

我们最多设计一个

三重RAKE接收机

三径接收机就完了

当然基站侧有个4径

最多5径就可以了

因为有些径非常弱的

你收集回来

里面大多数都是噪声

一点点的信号分量

对于整个接受信噪的贡献

几乎是没有的

甚至还很恶化

所以这就是一个典型的例子

给大家说明一下

我们以WCDMA系统当中

接收器的结构

来给大家做个示意

让同学们看一看

RAKE接收机基本结构是什么样子

RAKE接收机一般来讲

有4个部分构成

它的得名

我们也顺便说一下

RAKE的含义

这是个英文单词

这个英文单词

实际上就指的是耙子

大家都小时候看西游记

知道猪八戒耙子

拿那个耙子去耙

就从混叠到一起去的多径

叠加信号当中

把每一径信号爬出来

用这样的一个形象的名词

来刻画接收器的技术特征

所以我们一般叫RAKE接收机

那么它的结构有4个部分构成

主要包括

最基本的单元

是指峰接收机

我们称为是

相对人的手指一样

一路的每一路分离一条多机信号

所以我们称为指峰接收机

第二个是多径搜索单元

第三个部分是信道估计单元

第四个部分是叠加单元

以权重计算的叠加代言

所以主要有这4个部分构成

大家看胶片给的示意图

所谓指峰接收机

就是虚框

虚线框所指

这就是一个指峰接收机

它包含了两部分

一部分是做时延补偿

另外一部分是做解扩的

所谓解扩很简单

其实就是一个积分器

或者相关接收机

那么把接收信号

与本地的扩频序列相乘

然后再做积分

这就是一个

指峰接收器当中的解扩单元

那么比如说我们有

六径RAKE接收器

那就应当有这6个指峰接收器

有6个相关器

关键的问题是

每一径它的相对试验都不一样

我们就需要对相对时间做补偿

比如我这举个例子

假如说有两径

这是第一径

这是第二径

所以第一径

比如说

我是T1时刻到达的

第二径是T2时刻到达

那么

我们要把这个时延都补掉

要补偿时延的

怎么补

想想其实很简单

我们可以加上一个缓存器

那么这是一个buffer缓存器

或者是FIFO

先入先出的缓存器

那么你比如说

第一径

它是T一时刻到达的

第二径是T二时刻到达的

显然第一径是u先到的

第二径

是后到的

那么我们可以靠

时延补偿机制

它就是个缓存器

先到的路径

我们让它在缓存器里面

或者说在这个FIFO里面

多待一段时间

也就是说先到的

晚出

那么第二径

因为它是后到的

它就后到的

早出

所以

虽然他们在到达的时候

有先有后

但是我靠缓存的机制

让先来的晚点

多等一段时间

后到的早点出

这样的话

它们在时间上就对齐了

所以补偿是时间的差异

所以每一个指峰接收机里面

都有一个时延补偿单元

就是完成这种多径时延的补偿

它其实就是一个缓存器

那么第二个单元就是多径搜索

这个单元非常的重要

因为指峰接收器要做时延补偿

就必须知道的每一径的相对时延

那么每一径的时延

如何来进行估计

由多径搜索单元

通过扩频序列的捕获相关

然后跟踪它的峰值的位置

通过多进搜索

跟踪的每一条多径的位置

最后我们得到的相对时延

所以多径

搜索和配置单元

主要就是进行了每径

相对时延的估计

和这样的操作

第三部分单元

它是完成信道估计的

这个信道估计

因为在发射的信号格式当中

我们要插入导频

那么接收机其实可以

对着每一进的导频

来进行信道估计这样的话

我们可以把信道响应

尽到了衰落系数的估出来

那么估出衰弱系数之后

作为权重因子

尝到了每一径的

解扩输出的信号当中去

衰落因子就相当于权重因子

可以实现的最大比合并

可以让输出信噪比

得到改善

我们看

最后你就是合并

那就是叠加了

所以实际上RAKE接收机

就是用这4个结构构成的

那么咱们WCDMA系统当中的

RAKE接收机也是

我们

就是这样一个基本情况介绍

下面我们稍微再给大家

做一点深入性的探讨

RAKE接收机

它的基本结构

只有在加性信噪声信道当中

才比较有效

我们要问的问题是呢

加性噪声信道当中

RAKE接收机

是最佳接收机吗

答案是否定的

我们把最佳接收器的概念

要给大家做一点推广

按照通信原理的一些基本知识

大家知道

纯粹的加性噪声信噪

比如说白噪声信道

那么我们采用的匹配滤波器

或者是相关接收机

已经能够达到的输出

信噪比最大

这是最优的

如果说我有多径

但是是单用户

就只是一路用户一个用户

当然也肯定有加性噪声了

这样的信道当中

任何接收器是最优接收器吗

理论上讲不是的

为什么

我们从概念上来给大家解释一下

大家想一下

我们还是回到刚才的

接收器的结构

大家想一下在

每一个

指峰接收机的相关器里面

相关性的输出信号当中

会有三个分量

第一个分量

当然是这一条径的

有用信号

因为我指峰接收机

就是对准某一条径来接收的

它的时延上是完全对齐的接受的

所以相关器的输出当中

有用分量就是这一条径

接收信号

就是这条径所对准的发射信号

那么

第二个分量显然就是噪声

加性噪声

白噪声

通过相关性

输出还是加性噪声

对吧

但是我们别忘了

还有第三个分量

因为所有的多径

都是叠加到一起去的

你对准某一条线接收

那么其他径就对不准

其他径的信号

通过相关器

也会有输出

这个时候其他径通过当前

可能这个

指峰接收机输出的是什么呢

多径

干扰

就多径干扰

多径干扰

我们再稍微阐发一下

多径干扰导致的是什么干扰呢

大家在通讯原理里面学过的

ISI

也就所谓的码间干扰

因此RAKE接收机的

每一路

指峰接收机输出当中

其实是三个分量的

有用信号

就本径的信号

加性噪声噪声分量

还有什么

还有码间干扰

那么

我们在通信原理当中

大家都学过了

你一个系统当中

如果有码间干扰的话

你靠匹配滤波器

不能够完全消除干扰

那么我们得想办法设计

能够消除码间干扰的接收算法

这样才能够达到最优

显然瑞RAKE接收机

它的每一路

相关器里面

都得输出码间干扰

所以RAKE接收机

在有多径的情况下

并不是一个最佳接收机

只不过它的接收器结构比较简单

这个输出性到底相对来讲

还是比较好的

所以因此在工程上

才能够得到

复杂度和性能之间

比较好的折中

所以得到比较普遍的使用

我们顺便也指出

理论上最好的接收机是什么呢

什么样的接收机

能够完全消除码间干扰呢

应当是最大似然序列均衡机

也就是MLSE 那么它所采用的

算法是什么呢

我们在上一章讲过的算法

维特比算法

这个复杂度非常高

只有在多见数目不多的情况下

或者记忆长度不大的情况下

才能使用

否则的话

这个算法的选择非常的大

我们进一步再说一下

如果说

考虑的是

多用户多径 CDMA系统

不仅考虑

有多条路径的干扰

还要考虑多用户

在这样的系统当中

这个干扰是非常复杂的

它既包含了各个路径之间的干扰

又包含了各个用户间的干扰

在这种情况下

RAKE接收机

它作为一个

单用户接收机

因为它只能够对自己

就本用户的各路径

进行分离合并

别的用户它也没法抵消

所以在多用户场景当中

RAKE接收机性能一般来讲

随着用户数目的增长

是非常差的

大家看胶片上给你一个示例图

就是这个说明

我们看普通的RAKE接收机

在这是一个WCDMA

单小区24个用户

那么普通的RAKE接收机

是个单用户接收机

它的性能

样子的你看看

随着性价比的提升

误码率性能根本下不来

为什么

因为用户今天干扰没法抑制

所以它的性能就很差

但是我们可以考虑的

做一些

高级的信号处理技术

如果我们能够利用用户间的

一些扩频瓦斯的特性

那么能够有针对性的

做一些

用户进行干扰的抵消

这样就可以设计了一种

所谓的G-RAKE接收机

这个前缀G的含义指的是

广义RAKE接收机 G

接收机

采用这种广义RAKE接收机

它加权系数就不是最大没合并

在做加权的时候

要消除用户进行干扰

所以我们看在24个用户

多用户场景当中

G-RAKE接收机

它的性能要显著的优越于RAKE接收机

因为它消除了一部分
它的性能要显著的优越于RAKE接收机

因为它消除了一部分

多用户进行干扰

以上就是我们对

RAKE的一些

RAKE接收的一些基本介绍