RAKE接收

RAKE接收
其基本原理是将无线通信系统中，幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对其进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。

英文全称：Rake Receive
• 1 背景
• 2 原理
• 3 组成
• 4 应用于CDMA系统
• 5 应用于UWB
• 6 相关条目
•7 参考资料
RAKE接收-背景
RAKE接收效果仿真
RAKE接收机（RAKE receiver）一种能分离多径信号并有效合并多径信号能量的最终接收机。

多径信号分离的基础是采用直接序列扩展频谱信号。

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，然后按一定规则将分离后的多径信号合并起来以获得最大的有用信号能量。

这样将有害的多径信号变为有利的有用信号。

应用 RAKE接收机主要应用在直扩系统中，特别是在民用CDMA（码分多址）移动通信系统中。

下图示出一个RAKE接收机，它是专为CDMA系统设计的多径最佳接收机。

在移动通信的环境中，不但需要移动台收发器，也需要基地台收发器，因此无论移动台在通信区域内的哪一个位置，系统都能提供一条高品质的通信链路。

对于窄带系统来说，由于在传送一个符号的时间内，总会有一小部份功率较强的多径信号出现在接收机端，因此系统会
通过软件来实现信道等化功能，以便更正符码之间的干扰现象（ISI：Inter-Symbol Interference）。

由于CDMA系统具有宽带的特性（也就是很高的码片速率），因此这些路径可能会超过一个CDMA位（码片）的宽度；在这种情形下，传统的等化功能将不再适用，需要一种新的技术，它必须能接收所有路径的信号，然后组成一个完整的信号。

RAKE接收机就拥有这样的功能，它可以收到所有可能路径的信号，然后再将这些路径上的信号组合成一个非常清晰的信号，强度远超过单个路径上的信号；基本上，RAKE接收机会计算参考模式与接收信号之间的相关性，然后找出个别信号的传送路径。

RAKE接收-原理
多径信号的矢量合成图
RAKE的概念是由R.Price和P.E.Green在1958年的《多径信道中的一种通信技术》一文中提出来的。

RAKE接收机的基本原理就是将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。

由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、幅度大小、时延、相位均为随机量。

若无RAKE接收机，多径信号的合成如多径信号的矢量合成图（a）所示，若采用RAKE接收机，多径信号的合成如多径信号的矢量合成图（b）所示。

可见，通过RAKE接收，将各路径分离开，相位校准，加以利用，变矢量相加为代数相加，有效地利用了多径分量。

根据CDMA系统中可分离的径的概念，当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，可以认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。

反应在频域上，即信号的传输带宽大于信号的相干带宽时，认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。

由于CDMA 系统是宽带传输的，所有信道共享频率资源，所以CDMA系统可以使用RAKE接收技术，而其他两种多址技术TDMA、FDMA则无法使用。

RAKE接收-组成
RAKE接收机分集的度量取决于多径时延宽度和多径分离的能力。

RAKE接收机框图
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。

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。

RAKE接收机的框图如图所示：
应用 RAKE接收机主要应用在直扩系统中，特别是在民用CDMA（码分多址）移动通信系统中。

下图示出一个RAKE接收机，它是专为CDMA系统设计的多径最佳接收机。

M支路RAKE接收机
M支路RAKE接收机如图所示：
图中多个相关器分别检测多径信号中最强的M个支路信号，然后对每个相关器的输出进行加权及合并，最后进行检测和判决。

M个相关器的输出分别为Z1，Z2，…，ZM，其权重分别为a1，a2，…，aM。

权重的大小是由各支路的输出功率或SNR（信噪比）决定的。

RAKE接收机的输出
如果该支路的输出功率或SNR小，那么相应的权重就小。

采用最大比率合并时，合并后的输出Z如右图所示：
RAKE接收-应用于CDMA系统
应用于CDMA的RAKE接收
在CDMA给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它来对承载信息的信号进行编码。

知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据。

这是因为该用户码序列与其他用户码序列的互相关是很小的。

由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，从而也称为扩频调制。

其所产生的信号也称为扩频信号。

CDMA通常也用扩频多址（SSMA）来表征。

对所传信号频谱的扩展给予CDMA以多址能力。

因此，对扩频信号的产生及其性能的了解就十分重要。

DS-CDMA应用在第三代移动通信系统中的基本单元之一是RAKE接收机。

RAKE接收机
发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。

如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。

将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。

这就是RAKE接收机的基本原理。

RAKE接收技术
移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA 系统变成一个可供利用的有利因素。

在移动通信中，由于城市建筑物和地形地貌的影响，电波传播必然会出现不同路径和时延，使接收信号出现起伏和衰落，采用分集合并接收技术是十分有效的抗多径衰落的方法。

CDMA 个人通信系统采用时间分集和空间分集两种RAKE接收方法。

基站使用有一定间隔的两组天线，分别接收来自不同方向的信号，独立处理，最后合并解调。

移动台采用时间分集RAKE 接收，让接收信号通过相关延迟为D的逐次延迟相关器，延迟间隔D为扩频码码元宽或大于码元宽，不同的延迟相关输出结果对应不同路径的信号，选其最大输出的前几个作合并，实现RAKE接收。

RAKE接收-应用于UWB
UWB与RAKE接收
超宽带（UWB）无线通信是一种新的通信方式，系统带宽很宽，信号功率谱密度不超过-41.3dBm，可与现有系统共存，提高频谱的利用率。

系统具有保密性好，易于实现，高数据速率和多径分辨能力强的优点，是一种非常有价值的室内通信技术。

UWB室内信道多径数目大且多径时延相对较长，在多用户环境下将会引起严重的多用户干扰。

RAKE接收可以有效地收集多径
信号提高系统性能，在UWB室内通信中有非常大的利用价值。

RAKE接收机的设计需要借助
准确的信道模型在支路数与系统性能之间进行折衷。

由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径（多径可达到30条）的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake 接收成为可能。

Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高
系统性能。

假设某UWB通信系统有个用户，如果想得到第一个用户发送的数据，那么其Rake接收机的实现框图如图所示。