RAKE接收机原理和结构

和移动台一样，基站侧也是有rake接收机的，但与移动台的rake接收机有些不同。

移动台的rake接收机有三个相关器和一个搜索器，其中三个相关器在软切换状态可以接收来自不同导频偏置的基站的信号（相当于时间分集，因为导频偏置就是在时间上区分），也可以接收来自同一基站的不同路径时延的信号（相当于路径分集）。

而基于IS95的基站的rake接收机有四个相关器和两个搜索器，一个基站的rake接收机使用四个相关器接收同一个移动台不同路径时延的信号。

也就是说，这里只用到了于路径分集。

“如果移动台不处于软切换状态，那接收只有一路，选择最强的多径信号，整个过程根本就没有合并多路信号的过程。

”
这是不对的，因为基站对单个移动台进行了四路的路径分集合并，一般是最大比合并，就算是选择最强的多径信号，那就是选择式合并，也算是一种合并方式啊。

“如果移动台处于软切换状态，多个基站同时接收移动台的信号，BSC选择最好的一路。

”
这也属于选择式合并，不过这已经到BSC了，是在合并多个BTS的信号，而rake接收机是针对单个BTS的，所以这跟rake接收机无关。

移动通信系统中Rake接收机系统建模与验证航天学院：赵文军指导教师：王进祥教授摘要：论文针对多径衰落信道，对移动通信系统中Rake接收机实现原理进行了深入研究，使用MATLAB和C语言完成了Rake接收机算法建模和其验证平台的搭建。

课题结合第三代移动通信系统中Rake接收机的经典实现结构，重点研究了Rake接收机涉及的关键技术：匹配相关技术、多径搜索技术、锁相环跟踪技术及解扩合并技术。

在此基础上，进行了Rake接收机验证平台的搭建，包括信源发送数据、多径衰落信道及加性高斯白噪声信道的建模，并基于此平台验证了Rake接收机的功能正确性。

关键词：移动通信; 多径传播; Rake接收机; 验证平台Abstract：This paper, aiming at multipath fading channel, using MATLAB and C programming language, has completed the algorithm modeling of Rake receiver and the structure of its verification platform, which is based on the principle of Rake receiver in the mobile communication system. This project, combined with the classical Rake receiver structure of the third generation mobile communication system, mainly study the Rake receiver key technologies involved, including the matched correlation technology, multipath searching technology, phase-locked loop tracking technology and despreading and combination technology. On this basis, a Rake receiver verification platform is constructed, including the source of sending data, multipath fading channel and additive white Gaussian noise channel model, then based on the platform , the functional correctness of Rake receiver is analyzed.Key words：mobile telecommunication, multipath propagation, rake receiver, verification platform1引言进入二十世纪，以码分多址（CDMA）技术为基础的第三代移动通信系统的开发成为通信领域中最热门的话题。

第12卷第4期2009年10月西安文理学院学报:自然科学版Journal of Xi ,an University of A rts &Science (Nat Sci Ed )Vol .12　No .4Oct .2009文章编号:100825564(2009)0420102203收稿日期:2009203212作者简介:张晓蓉(1982—),女,陕西蒲城人,西安文理学院网络管理中心助理工程师.研究方向:通信网络技术.多径衰落信道中的RAKE 接收机性能研究张晓蓉(西安文理学院网络管理中心,陕西西安710065)摘　要:在移动通信中,分集接收是抵抗多径衰落的有效方法.文中对一种多径分集技术—RAKE接收机的原理进行了详细的描述,分析了其对多径衰落的补偿有效性.通过用MAT LAB 软件进行误码率仿真,可以看出,RAKE 分集接收能收集多径信号能量,变矢量和为代数和,有效地减少多径衰落的影响,降低误比特率.检测中的分集重数L 不超过路径总数时,分集重数L 越大越好.关键词:多径衰落;RAKE 接收机;性能;仿真中图分类号:T N911.23 文献标识码:A0　引言在移动通信中,当移动台在驻波场中运动时,接收场强就会出现随机起伏变化,即多径衰落.虽然通过增加发信功率,天线尺寸和高度等方法能改善其对移动台接收信号的影响,但采用这些方法在移动通信中比较昂贵,有时也显得不切实际.而采用分集方法即在若干支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号,然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出,那么便可在接收终端大大降低多径衰落的影响.1　设计基础1.1　多径分集的特点通常接收的多径信号时延差很小且是随机的,叠加后的多径信号一般很难分离.所以在一般的分集中,需要建立多个独立路径信号,在接收端按最佳合并准则进行接收.而多径分集是通过发端的特定信号设计来达到接收端接收多径信号的分离,其目的在于减少时延扩展引起的符号干扰.1.2　多径信号的分离与合并多径信号分离的基础是采用直接扩频信号.要求直扩系统的时间(T )与带宽(W )之积远大于1,即T W µ1.对于带宽为W 的系统,所能分离的最小路径时延差为1/W.对于直扩序列的码片(chi p )宽度为T c 的系统,所能分离的最小路径时延差T c ,并且要求所采用的直扩序列的自相关性和互相关性要好.多径信号的合并所要解决的问题是如何调整各独立路径的时延,按一定的统计规律组合成一路信号.多径合并准则有:(1)第一路径准则(EP );(2)最强路径准则(LP );(3)检测后积分准则(P D I );(4)等增益合并准则(EG C );(5)最大比合并准则(MRC );(6)自适应合并准则.具体采用何种准则依具体应用情况而定.2　RAKE 接收机的工作原理RAKE 接收机的简单原理是对每个路径使用一个相关接收机,各相关接收机与被接收信号的一个延迟形式相关,然后对每个相关器的输出进行加权,并把加权后的输出相加合成一个输出,以提供优于单路相关器的信号检测,然后在此基础上进行解调和判决.　第4期张晓蓉:多径衰落信道中的RAKE 接收机性能研究RAKE 接收技术是C D MA 蜂窝移动通信系统中的关键技术之一.在C D MA 蜂窝移动通信系统中,信道带宽远远大于信道的相关带宽,这样,在无线信道传输中出现的时延扩展,可以被看作只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,那么它们就可看作是非相关.假设发端从发出的信号经L 条路径到达接收天线R .路径1距离最短,传输时延也最小,依次是第2路径,第3路径……,时延时间最长的是第L 条路径.通过电路测定各条路径的相对时延差,以第1条路径为基准时,第2条相对于第1条路径的相对时延差为,第3条相对于第1条路径的相对时延差为,…第L 条路径相对于第一条路径的相对时延差为,且有.接收端通过解调后,送入L 个并行相关器(例如,在I S -95C D MA 系统中,基站接收机L =4,移动台接收机L =3).图1中用户使用P N 码,….经过解扩加入积分器,每次积分时间为.每一支路在末尾进入电平保持电路,保持直到,这样L 个相关器于的时刻输出,通过加权再相加合图1　简化的RAKE 接收机组成并,经判决器产生数据输出.显然,如果接收机只有一个单独的相关器,一旦接收机中使用的单个相关器输出被衰落扰乱时,接收机就不可能校正比值,从而导致判决器大量误判.而在RAKE 接收机中,若一个相关器的输出被衰落扰乱了,还可以有其他相关器支路作为补救,并且通过改变被扰乱支路的权值,还可以消除此路信号的负面影响.由于RAKE 接收机提供了对L 路信号良好的统计判决,因而它能有效抗多径衰落.假设L 个相关器的输出分别为Z i ,如图1所示,分集合并后的输出为Z ′(t )=ρL i =1a i (t )Z i (t )(1)加权系数a i (t )根据对应的信号Z i (t )的能量在M 个相关器输出信号的总能量中所占的比重来选择,即a i (t )=Z 2i (t )ρL i =1Z i 2(t ),i =1,…,L (2)当相关器i 的输出被衰落扰乱时,其输出Z i 的能量就小,对应的加权系数a i (t )自动取小,从而使得该分量在式(1)的作用减小,结果达到抑制多径衰落的效果.3　性能仿真RAKE 接收机的原理比较简单,但应用于各种不同的场合后,为了获得高性能,往往与其他技术综合,形成了以RAKE 接收为核心的不同接收机结构.如在I S -95C D MA 基站中,其RAKE 接收机是由相关解调器,路径合并器,解交织器和比特译码器等部分组成.这里以适应于多径慢衰落信道的RAKE 接收机为例,用MAT 2LAB 进行误码率仿真,分析其性能.3.1　系统描述仿真中的C D MA 系统仅涉及扩频调制,多经衰落信道,扩频解调模块,不包含信道编/解码,交织等部分.系统采用等效低通表示方法.系统参数描述如下:用户扩频码:G old 码;扩频周期L c =31;匹配滤波器:矩形波(h (t )=1,0Φt ΦT c );信道模型:抽头延时线模型;信道噪声:加性高斯白噪声;RAKE 合并:最大比值合并(MRC ).设用户和基站之间的信道是慢变的瑞利多经衰落信道,且假定RAKE 接收机中的信道估计单元对时延和相位的估计都是准确的情况下,可以仅考虑加性高斯噪声和瑞利衰落RAKE 接收机接收性能的影响.301西安文理学院学报:自然科学版第12卷3.2　仿真结果和分析图2为RAKE 接收机误码率与信噪比曲线,信号传输的最大多径数L max 为3,当分集数L =2时RAKE 接收机的误码率比分集数为1(无分集)时明显减小,可以看出,RAKE 接收机能有效减小多径衰落的影响,降低误比特率.分集重数L 增大(不超过路径总数L max )如图L =3时的曲线,可以看出,在分集重数L 不超过多径总数时,分集重数L 越大对接收机的性能改善越好,越能有效地减小多径衰落的影响. 图2　单用户RAKE 接收性能仿真 图3　有干扰用户时RAKE 接收的性能仿真实际信号在传播中往往存在其他用户的干扰,此时,RAKE 接收机的性能曲线如图3所示(用户数为4).可以看出,在存在多用户干扰的环境中,RAKE 接收机依然能够有效抵抗多径衰落,降低误比特率,并且分集重数L 越大(不超过L max )改善效果越好.4　结论通过对RAKE 接收机的概念、原理的描述和分析,证明了其对多径衰落的补偿有效性,通过计算机仿真,模拟RAKE 接收机的误码性能,说明了RAKE 接收机可以有效地利用多径分量,把多径能量收集起来,变矢量和为代数和,从而有效减小多径衰落的影响,降低误比特率.[参　考　文　献][1]　王巍,邱威,许雪松.适于多径慢衰落信道的RAKE 接收机的DSP 实现[J ].森林工程,2003(3):25-29.[2]　陈云飞,罗汉文,宋文涛.RAKE 接收选择式分集系统误码率分析[J ].通信技术,2003,27(6):30-35.[3]　陈永新.浅谈分集接收技术与RAKE 接收机[C ].北京.中国泰尔实验室,2002.[4]　曹瑞.码片速率RAKE 接收机技术研究[D ].全国优秀博硕士学位论文全文数据库.硕士论文.国防科学技术大学,2006.[5]　侯晶晶.3G 中RAKE 接收技术的研究[D ].全国优秀博硕士学位论文全文数据库.硕士论文.西安电子科技大学,2008.[责任编辑　王新奇]The Study of The RAKE Rece i ver i n M ulti pa th Fad i n gZHANG Xiao 2r ong(Campus Net w ork M anage ment Center,Xi ’an University of A rts and Science,Xi ’an 710065,China )Abstract:Multi paths trans m issi on I n Mobile Communicati on will decline the signal and make interference .This paper studies RAKE receiver,one of the D iversity techniques,whose p rinci p les and perfor mances are re 2counted in detail,and the si m ulati on of working p r ocesses is done by using the MAT LAB language .The analy 2sis of show thatD iversity receiving can i m p r ove receiver ’s capacity of resistingMulti paths fading.After analy 2sis of the p rinci p les and perfor mances and si m ulati on of RAKE receiver,we can know that RAKE can resist Multi paths fading effectively and reduce B it err or rate.I f the diversity nu mber L in the detecti on is not more than the a mount of trans m issi on paths,the more the better .Key words:multi paths fading;RAKE receiver;capacity;si m ulati on401。

CDMA系统中2D RAKE接收机的性能研究CDMA技术是无线通信中的关键技术，目前在IS-95系统、WCDMA、CDMA2000第三代移动通信中均有应用，然而提高CDMA系统容量仍然是研究的热点问题。

CDMA系统容量受限主要是由于分配给不同用户的PN序列互相关不为零所引起的多址干扰(MAI)及用户自身引起的白干扰(即多径干扰，MPI)。

因此，减少多用户引起的MAI和多径传播引起的MPI，可以提高CDMA 系统的容量。

CDMA系统中，为了减少多径衰落的不利影响，一般在接收端采用具有多径分集功能的RAKE 接收机。

随着智能天线技术的出现，将天线阵的空域处理与传统RAKE接收机的时域处理相结合，即构成空时RAKE(2-D RAKE)接收机。

文献[2]最初提出2-DRAKE的概念，这种接收机将空域和时域结合起来进行信号处理，相对于传统RAKE接收机而言，性能有较大改善，它可将天线阵接收到的期望用户多径信号合并到一起，同时获得时间分集和空间分集的好处。

但传统的空时RAKE接收机不能有效地抑制多用户CDMA系统中的多址干扰和远近效应问题。

多级干扰抵消通过对干扰信号重构并从接收信号中删除来改善系统性能和容量，而自适应天线通过将主波束指向期望用户，并将零陷指向非期望用户减少干扰，与期望用户到达角不同的信号则被削弱。

文献[3]中，将干扰抵消技术与自适应天线结合起来，使系统性能大有改善。

空时RAKE接收机与干扰抵消结合起来称为联合空时干扰抵消接收机，但是此种接收机的主要问题是计算复杂性比较高，解决此问题的一个方法就是进行预波束赋形，利用FFT波束形成器形成正交波束，使得从不同角度获取信号功率更容易，因此，2-D RAKE接收机所需要的指峰数将减少且系统性能无损耗。

本文系统地比较了传统2-D RAKE接收机，联合空时干扰抵消接收机，基于FFT匹配滤波的2-DRAKE接收机性能，主要从接收机结构、工作原理出发进行分析。

RAKE 接收机可以有效降低误码率，克服多径效应，是一种有效的多径分集方式，通过仿真 可知，采用三种合并方式都能提高其性能，其中，最大比值合并方式最有效。

移动通信系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，信号的传播过程中， 受地面或水面反射和大气折射的影响， 会产生多个经过不同路径到达接收机的信号，通过矢量叠加后合成时变信号，这种现象称作多径效应。

对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题，陆地无线移动信道中信号强度的骤然降低 （衰落）是经常发生的，衰落深度可达30 d B 。

要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。

对模拟移动通信系统来说， 多径效应引起接收信号的幅度发生变化； 对于数字移动通信系统来说，多径效应引起脉冲信号的时延扩展，时延扩展将引起码间串扰（ ISI ）,严重影响数字信号的传输质量在移动通信中多径衰落以瑞利（ Rayleigh ）衰落为主，他是移动台在移动中受到不同路径来 的同一信号源的折射或反射等信号所产生，他的变化是随机的，因此只能用统计或概率 的观点来定量描述。

RAKE 接收机基本原理一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE 接收机变害为利，利用多径现象来增强信号，CDMA 移动通信系统中，信道带宽远远大于信道的相关带宽，不同于传统的调制技 术需要用均衡法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA 扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性，这样，在无线信道传输中出现的时延扩展， 可以被看作只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周期，那么它们就可看作是互不相关的。

RAKE 接收机包含多个相关器，每个相关器接收多路信号中的一路，各相关接收机与被接收 信号的一个延迟形式相关，通过多个相关检测器，检测多径信号中最强的 N 个支路信号，然后对每个相关器的输出进行加权求和，以提供优于单路相关器的信号检测，然后在此基础上进行解调和判决。

实验九 Rake接收机仿真一、实验目的1.了解Rake接收机原理。

2.比较3种合并算法性能。

二、实验内容3.编写MATLAB程序，实现Rake接收机。

4.修改SNR观察误码率变化。

三、实验代码clear all;Numusers=1;Nc=16;ISI_Length=1;EbN0db=[0:1:30];Tlen=8000;Bit_Error_Number1=0;Bit_Error_Number2=0;Bit_Error_Number3=0;power_unitary_factor1=sqrt(6/9);power_unitary_factor2=sqrt(2/9);power_unitary_factor3=sqrt(1/9);s_initial=randsrc(1,Tlen);wal2=[1 1;1 -1];wal4=[wal2 wal2;wal2 wal2*(-1)];wal8=[wal4 wal4;wal4 wal4*(-1)];wal16=[wal8 wal8;wal8 wal8*(-1)];s_spread=zeros(Numusers,Tlen*Nc);ray1=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc);ray2=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc);ray3=zeros(Numusers,2*Tlen*Nc);for i=1:Numusersx0=s_initial(i,:).'*wal16(8,:);x1=x0.';s_spread(i,:)=(x1(:)).';endray1(1:2:2*Tlen*Nc-1)=s_spread(1:Tlen*Nc);ray1(2:2:2*Tlen*Nc)=ray1(1:2:2*Tlen*Nc-1);ray2(ISI_Length+1:2*Tlen*Nc)=ray1(1:2*Tlen*Nc-ISI_Length);ray2(2*ISI_Length+1:2*Tlen*Nc)=ray1(1:2*Tlen*Nc-2*ISI_Length); for nEN=1:length(EbN0db)en=10^(EbN0db(nEN)/10);sigma=sqrt(32/(2*en));demp=power_unitary_factor1*ray1+power_unitary_factor2*ray2+pow er_unitary_factor3*ray3+(rand(1,2*Tlen*Nc)+randn(1,2*Tlen*Nc)* i)*sigma;dt=reshape(demp,32,Tlen)';wal16_d(1:2:31)=wal16(8,1:16);wal16_d(2:2:32)=wal16(8,1:16);rdata1=dt*wal16_d(1,:).';wal16_delay1(1,2:32)=wal16_d(1,1:31);rdata2=dt*wal16_delay1(1,:).';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,:).';p1=rdata1'*rdata1;p2=rdata2'*rdata2;p3=rdata3'*rdata3;p=p1+p2+p3;u1=p1/p;u2=p2/p;u3=p3/p;rd_m1=real(rdata1*u1+rdata2*u2+rdata3*u3);rd_m2=(real(rdata1+rdata2+rdata3))/3;u=[u1,u2,u3];maxu=max(u);if(maxu==u1)rd_m3=real(rdata2);elseif(maxu==u2)rd_m3=real(rdata2);else rd_m3=real(rdata3);endendr_Data1=sign(rd_m1)';r_Data2=sign(rd_m2)';r_Data3=sign(rd_m3)';Bit_Error_Number1=length(find(r_Data1(1:Tlen)~=s_initial(1:Tle n)));Bit_Error_Rate1(nEN)=Bit_Error_Number1/Tlen;Bit_Error_Number2=length(find(r_Data2(1:Tlen)~=s_initial(1:Tle n)));Bit_Error_Rate2(nEN)=Bit_Error_Number2/Tlen;Bit_Error_Number3=length(find(r_Data3(1:Tlen)~=s_initial(1:Tle n)));Bit_Error_Rate3(nEN)=Bit_Error_Number3/Tlen;endsemilogy(EbN0db,Bit_Error_Rate1,'r*-');hold on;semilogy(EbN0db,Bit_Error_Rate2,'bo-');hold on;semilogy(EbN0db,Bit_Error_Rate3,'g.-');legend('最大比合并','等增益合并','选择式合并');xlabel('信噪比');ylabel('误比特率');title('三种主要分集合并方式性能比较')四、实验结果如图1所示：图1五、实验结论图1中比较了采用RAKE接收机进行多径信号接收时，采用不同的分集合并方式对平均误比特率的影响。

短波扩频通信的Rake接收技术张永红，杨春兰(中船重工集团第七二二研究所，湖北武汉 430079)【摘要】短波天波传播存在严重的多径效应。

在短波扩频通信中，采用Rake接收技术可利用多径信号的有效能量提高输出信噪比，改善短波通信质量。

Rake接收的关键在于多径信号的识别和分离，论文针对短波信道传播特性，对Rake接收技术进行了研究，设计了有效的多径分离和合并方法，仿真结果表明采用Rake接收技短波扩频通信中的术后，误比特性能有了明显的改善。

【关键词】短波通信;Rake 接收技术;多径分离;多径合并【中图分类号】TN911【文献标识码】A【文章编号】1009-8054(2007) 06-0077-04Rak e Receive Tech n ology in HF Spr ead Spectr um Com m u n ication ZH ANG Yongho ng, YAN G C hunlan ( 722th Re sear ch I nstitute of CSI C, Wuhan Hubei 430079, C hina)【Ab str act】Se rious m ulti- p ath e ff e ct ex ists in H F sky - w av e pr op aga tio n. I n H F s pre ad sp ectrum c om m unica tio n, Ra ke receiv e technolo gy can be used, through utiliz ing the eff ectiv e energy of m ulti- path signal, to im prov e output SNR and the quality of H F com m unication. The identif ied and separated m ulti- path signa l is the key of the Rake re ceiv e technology. I n this p ape r, a cco rding to the p ro pa ga tio n chara cter istic s of H F c hanne l, Ra ke r ece iv e tec hnolog y in H F sp re ad sp ec tr um c om m unic ation iss tudied, a nd the e ff e ctiv e m etho ds f or se p a ra tion and co m bina tio n o f m ulti- p ath a r e de sig ned. The sim ula tio n indic ate s that the BER is ob v iously im p rov ed by the ado ptio n o f Ra ke rec eiv e te chnolog y . 【Key w or d s】H F co m m unic ation; R ake re ceiv e tec hno log y ; m ulti- pa th sep ara tio n; m ulti- pa th com bination斯白噪声。