RAKE接收机的性能分析

摘要

RAKE接收技术是第三代移动通信系统中的一项重要技术。在移动通信系统中，由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径无线电信号，通信受到的影响。RAKE 接收技术实际上是一种多径，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。

本文对RAKE接收机的原理进行了简要的介绍并设计了RAKE接收机的系统框图，利用MATLAB软件编程实现多径信道下RAKE接收机的性能仿真，随后进行了相应的说明。

关键词RAKE接收机；多径；MATLAB；分集接收

目录

摘要 (1)

前言 (3)

第一章分集与扩频技术 (4)

1.1空间分集 (4)

1.2频率分集 (4)

1.3时间分集 (5)

1.4最大比合并 (5)

1.5等增益合并 (6)

1.6选择式合并 (6)

1.7扩频技术 (7)

1.8结论 (7)

第二章RAKE接收机原理 (9)

2.1 RAKE接收机基本原理 (9)

2.2 RAKE接收机的数学实现模型 (12)

2.3 RAKE接收机误码性能分析 (14)

第三章RAKE接收机的仿真 (18)

3.1初状态设定 (18)

3.2MATLAB性能仿真 (19)

(19)

(21)

总结 (25)

前言

移动通信系统中，由于存在多径传播，接收机需要均衡器来消除相邻符号间的干扰。扩频系统由于采用了自相关特性良好的扩频序列，只要多径分量的相关时延大于码片间隔，则多径传播造成的干扰就仅仅是多径干扰，不影响信号的解调。因此扩频通信系统不需要均衡器。同时由于每个深度衰落时接收机容易出现错误判决，导致系统性能下降，因此扩频通信系统应采用多径分集的RAKE接收技术来提高系统的性能。

RAKE接收技术实际上是一种多径，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。利用该特性，RAKE接收机可实现分集接收，达到抗多径干扰和抗衰落的目的。

RAKE接收机系统涉及的知识包括无线传输、扩频技术、信道估计、数据编码、分集接收和数字信号处理等多个方面的知识。对于学习巩固无线通信知识具有重要意义。其中信道估计、分集接收等知识点又是通信专业学习的重点和难点，对于学生巩固课堂教学的内容很有帮助。

第一章分集与扩频技术

分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输可靠性的技术。它也是研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。

为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域、时域、频域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现。

分集接收中，在接收端从N个不同的独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。合并时采用的准则和方式主要可以分为三种：最大比值合并、等增益合并、选择式合并等。

1.1空间分集

(1)利用不同接收地点(空间)收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。

(2)空间分集的基本结构为：发端一副天线发送，收端N部天线接收。

(3)接收天线之间的距离d足够大，大于相干距离ΔR。

(4)分集天线数N越大，分集效果越好，但是不分集与分集差异很大，属于质变。分集增益正比于分集的数量N，其改善是有限的，属于量变，且改善程度随分集数量的增加而减少。工程上折衷，一般取N=2～4。

(5)空间分集还有两类变化形式：极化分集：它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收，即在收发端天线上安装水平、垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。优点：结构紧凑、节省空间；缺点：由于发射功率要分配到两幅天线上，因此有3dB的损失；角度分集：由于地形、地貌、接收环境的不同，使得到达接收端的不同路径的信号可能来自不同的方向，这样在接收端可以采用方向性天线，分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。

1.2频率分集

(1)将待发送的信息分别调制到不同的载波上发送至信道。

(2)不同的载波之间的间隔足够大，大于频率相干带宽ΔF。

(3)频率分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线与相应设备的数目；缺点是占用更多的频谱资源，有可能在发端要采用多部发射机。

1.3 时间分集

(1)对于一个随机衰落信号，如果取样时间间隔足够大时，两个样点间的衰落互不相关的，利用这一特性可以构成时间分集。

(2)将待发送的信号每隔一定时间间隔重复发送，在接收端就可以得到N 条独立的分集支路。

(3)在时域上时间间隔Δt 应大于相干时间ΔT 。时间分集对于处于静止状态的移动台是无用的。

(4)时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线的数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。

1.4 最大比合并

图1-1 最大比合并原理图

在接收端有N 个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行合并。

利用切比雪夫不等式，可以证明当可变增益加权系数Gi=Ai/σ2时，分集合并后的信噪比达到最大值。

其中Ai 表示第i 个分集支路的信号幅度；σ2表示每支路的噪声功率，且i=1，2，3，…，n 。

合并后的输出为

2221111N N N i i i i i i i i A A G A A A σσ=====⨯=∑∑∑ (1-1)

可见信噪比越大，对合并后信号贡献越大。

最大比合并后的平均输出信噪比

ld SNR N SNR =⋅ (1-2) 其中ld SNR 表示最大比合并后的平均输出信噪比；SNR 表示合并前每个支路的平均信噪比；n 表示分集支路数目，即分集重数。

合并增益为：