CDMA系统的RAKE接收系统模型和实现方法 毕业设计.doc

大学毕业设计（论文）说明书摘要在移动通信中，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，即移动通信信道是一种多径衰落信道，使接收信号出现起伏升落，影响移动通信系统的通信质量。在CDMA系统中，RAKE接收是十分有效抗多径衰落的方法，所谓的RAKE接收技术就是分别对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，在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。本文重点阐述了RAKE接收技术。由于移动通信环境的复杂和手机的不断运动，接收到的信号往往是多个反射波的叠加，会形成多径衰落。CDMA系统采用特有的瑞克(RAKE)接收技术分别接收每一路的信号进行解调，这样不但克服了多径衰弱对通信带来的影响，还有效增加了接收有用信号的功率(或者说等效增加了发射信号的功率)。另外，CDMA系统还采用其它的分集技术，如空间分集、时间分集等，进一步提高了系统的性能。本文首先从微波信道的多径传输所造成的多径干扰，指出了克服多径干扰的措施采用RAKE接收技术。接着介绍了RAKE接收机的原理，然后重点阐述了CDMA系统的RAKE接收系统模型和实现方法。本课题主要内容是研究和解决移动通信信道的多径衰落信道问题，如何主动的利用信号设计技术，将多径衰落信道分散的信号能量更为有效的收集起来，来克服多径传输所造成的干扰。本文的意义就是使用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，而且变成一个可供利用的有利因素。这是CDMA移动通信系统可以获得较高的通信质量的技术保证。利用信号设计技术，将多径衰落信道分散的信号能量更为有效的收集起来，来克服多径传输所造成的干扰.关键词：CDMA系统 RAKE接收机 多径衰落AbstractIn mobile communication system，due to electronic wave is subject to the city building and terrain，its bound to appear different route and time delay，namely，the channel of mobile correspondence is a various declined channels，it makes the received signal undulate and decline，this leads to affect the quality of correspond system. In CDMA system，RAKE receiving is a very effective method against the various routes declined，so-called RAKE receive technique is a separable demodulation for every received signals，and putting output together to achieve the aim of enhancing the effect of receiving .Here，the various routes signals is not an un-favorable factor，but it becomes a beneficial one in CDMA system. This paper stress on describe the RAKE receive technique.Because of the complex circumstance and the continuous movement of mobile telephone，the received signals frequently come from many over lapped reflected wave, so form various route declined. CDMA system adopts the unique RAKE received technique that demodulates every routes signal separately . Like this，not only do it overcome the influence of various routes decline，but also it equal to it add up the power of signal(so to speak equaling to increase the launch power of signal).In addition，CDMA system even more select and use scattering-concentrate，technique，for instance space scattering-concentrate，Time “scattering-concentrate，improving still further the capacity of system.From the glitch of various routes transmitting of microwave，the article points out. The measure to conquer route transmitting-adopt“RAKE”technique. this article commends the principle of the RAKE receiver，then focus on Pattern and achievement of RAKE receive of CDMA system.The main contents of this issue is to study and solve the mobile communication channel of the multi-path fading channel, how the use of active singal design technology, multi-path fading channel singal energy scattered collection more effective, and to overcome the multi-path caused by transmission interference.In this paper, the significance of technology is the use of RAKE receiver, that is ,respectively, each way to receive the letter, carried out its demodulation, and then superimposed output to enhance the purpose of reception, where not only the multi-path signals is not a negative factor, but also available to become a positive factor. This is a CDMA mobile communication system can be a higher quality of communication technology to ensure that. The use of signal design technology, multi-path fading channel energy scattered collection more effective, and to overcome the multi-path interference caused by transmission.Key Words： CDMA system； RAKE receiver； various declined channels目录1 前 言11.1 CDMA系统简介21.1.1 CDMA蜂窝移动通信系统的基本原理41.1.2 CDMA移动通信网的关键技术51.1.3 CDMA系统的主要优点61.2 主要研究内容82 微波信道的多径传输92.1 一般概念92.2 多径传输给码元传输带来的影响102.3 克服多径传输造成的衰落的措施123 RAKE接收机原理173.1 一般概念173.1.1 空间分集173.1.2 频率分集183.1.3 时间分集183.2 RAKE接收的基本原理193.2.1 移动通信中传播的多径效应193.2.2 RAKE接收用信号矢量的直观表示203.2.3 有效利用时延功率谱213.3 基站RAKE接收系统模型213.3.1 RAKE接收总体结构框图213.3.2 RAKE接收核心部件为数据解调器与搜索跟踪器233.4 移动台RAKE接收系统模型254 CDMA系统RAKE接收原理264.1 一般概念264.2 理论基础分析274.3 系统模型284.3.1 前向信道RAKE接收机的模型284.3.2 反向RAKE接收机的组成304.4 实现RAKE接收原理框图315 结论36致谢37参考文献38III1 前 言码分多址（ Code-Division Multiple-Access ， CDMA）是一种以扩频通信为基础的载波调制和多址连接技术。具有广阔的发展前景，目前已成为世界许多国家研究开发的热点。CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由RAKE接收技术、软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C/I)小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA系统比其它系统有非常重要的优势。在理论上，CDMA移动网的系统容量要比模拟网的系统容量大20倍，实际上CDMA移动网的系统容量要比模拟网的系统容量大10倍；比GSM要大45倍。CDMA移动通信系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射，同时门限值根据背景噪声的情况改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外在CDMA移动通信系统中采用了有效的功率控制、强纠错能力的信道编码、以及多种形式的分集技术(如RAKE接收技术)以及软切换技术等，所以CDMA移动通信系统通信容量大、可以获得优良的话音质量，因此也引起了人们广泛的关注，CDMA移动通信系统之所以引起了人们广泛的关注，是由于在CDMA移动通信系统中采取了有效的措施，来克服信号由于传播的移动、散射和衰落而导致复杂的通信环境。另外在移动通信中，移动台与基站之间的复杂环境，到达接收信号不会是一条路径来的信号，而是多径合成信号。对于采用其他技术的移动通信系统，只能采用复杂的抵抗技术来减少影响。而对于CDMA移动通信系统，只要路径之间的时延差大于一个PN码片宽度，就可以采用RAKE接收技术克服其影响。所谓的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，而且变成一个可供利用的有利因素。这是CDMA移动通信系统可以获得较高的通信质量的技术保证。1.1 CDMA系统简介第二次世界大战期间，因战争的需要而研究开发出CDMA（Code-Division Multiple-Access）技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，被广泛应用于军事抗干扰通信和军事保密。八十年代以来，随着集成电路和计算机技术的迅速发展，码分多址扩频技术越来越多地被用于民用通信系统。其中有代表性的就是九十年代由美国Qualcomm（高通）公司研制的IS-95码分多址数字移动通信系统。CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。早期的移动通信系统是信息模拟调频频分多址方式(FM-FDMA) ，这种系统沿用至今。九十年代初，由欧洲开发研制的数字调制时分多址(GMSK-TDMA)移动通信系统GSM（Global system for Mobile communications）被看作是新一代移动通信的代表。而Qualcomm公司的CDMA数字移动通信系统被认为是第三代移动通信的代表。最主要的3种都是采用CDMA技术：WCDMA：欧洲、日本。CDMA2000：美国。TDSCDMA：中国。在现在的3G时代，中国移动取得TDSCDMA的牌照，中国电信取得是CDMA2000的牌照，中国联通取得的是WCDMA牌照。码分多址是一种以扩频通信为基础的载波调制和多址连接技术。具有广阔的发展前景，目前已成为世界许多国家研究开发的热点。所有用户使用同一频带，在同一时间传送信号，其信号分割是利用不同用户信号地址码波形之间的正交性或准正交性来实现的。码分多址系统采用扩频调制信号，其频带宽度比信息信号的频带宽度大得多（几十倍几百倍甚至上千倍以上）。扩频信号的功率谱密度极低，具有很好的隐蔽性和很强的抗多种干扰的能力，例如抗瞄准式干扰、多径干扰等。CDMA技术除已应用于移动通信外，在数据传输、卫星通信以及遥控遥测、空间通信等许多领域也得到越来越广泛的应用。CDMA技术是迈向未来电信网络的最佳频谱路径，并被ITU确定为第三代通信系统的主要技术。与目前GSM采用的TDMA技术相比具有许多独特的优点，能更好的适应无线通信的新需求。由于采用了扩频信号，系统具有很强的抗多种干扰的能力，特别是具有抗多径干扰的能力；扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小，对于一般非扩频通信系统几乎不构成干扰，因此可以与其共用同一频段，从而提高频带利用率；由于所有用户使用同一载波频率，不存在交调干扰，可充分地利用频率资源；可以采用分离多径技术，提高抗多径干扰的能力；利用现代计算机与数字电路技术可以较容易地实现多种地址码的产生、变换等，并容易与计算机联接实现控制与变换。与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由RAKE接收技术、软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C/I)小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA系统比其它系统有非常重要的优势。在理论上，CDMA移动网的系统容量要比模拟网的系统容量大20倍，实际上CDMA移动网的系统容量要比模拟网的系统容量大10倍；比GSM要大45倍。CDMA移动通信系统话音质量很高，声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。而且在接收端采用了RAKE接收技术将多径衰落信道分散的信号能量更为有效的收集起来，来克服多径传输所造成的干扰，提高通信质量。1.1.1 CDMA蜂窝移动通信系统的基本原理CDMA蜂窝移动通信系统是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术。扩频通信（ Spread Spectrum Communications ）：即扩展频谱通信，将基带信号的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进行传输。具体就是：需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码（扩频序列：Spreading Sequence）进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端则使用完全相同的伪随机码进行解调及相关处理，把宽带信号恢复成原始信息数据的窄带信号，以实现信息通信。扩频通信技术在信号发送端用高速伪随机码与数字信号相乘，由于伪随机码的速率比数字信号的速率大得多，因而扩展了信息传输带宽。在接收端，用相同的伪随机序列与接收信号相乘，进行相关运算，然后将扩频信号解扩。扩频通信具有隐蔽性、保密性、抗干扰等优点。CDMA扩频通信系统的原理示意图如图1-1所示。编码与交织数字滤波器交织与解码扩频编码BPF扩频编码BPF图1-1 CDMA扩频通信系统原理示意图扩频通信系统中采用的伪随机码常常采用m序列，这是因为m序列具有容易产生和自相关特性优良的优点。其归一化自相关函数只有1和-1/K两个值，K是m序列长度。所以，只有在收发端伪随机序列相位相同时才能恢复发送信号。码分多址技术就是利用了这一点，可以采用不同相位的相同m序列作为多址通信的地址码。由于m序列的自相关特性与长度有关，因此，作为地址码，其长度应尽可能长，以供更多用户使用，同时可以获得更高的处理增益和保密性，但是又不能太长，否则电路复杂，而且也不利于快速捕获与跟踪。1.1.2 CDMA移动通信网的关键技术(1)功率控制技术功率控制技术是CDMA蜂窝移动通信系统的核心技术。CDMA系统功率控制分为正向功率控制(正向链路的功率控制)和反向功率控制(反向链路的功率控制)。反向功率控制就是控制各移动台发射功率的大小。正向功率控制是调整基站向移动台发射的功率。CDMA蜂窝移动通信系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效应”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效应”，使系统既能保证高质量通信，又不对其他用户产生干扰。反向开环功率控制：它是移动台根据在小区中接收功率的变化，调节移动台发射功率，以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应，所以它有一个很大的动态范围，根据1S95标准，它至少应该达到正负32dB的动态范围。反向闭环功率控制：闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。前向功率控制：在前向功率控制中，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率较高的移动台分派较大的前向链路功率。(2)PN码技术PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。CDMA系统的信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统就是采用一种基本的PN序列m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。(3)RAKE接收技术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定的时延，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。(4)软切换技术所谓软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。由于在CDMA蜂窝移动通信系统中，移动台采用了独特的RAKE接收技术，可以同时接收两个或两个以上基站发来的信号，从而保证了CDMA系统能够实现软切换。软切换的引入大大地改善了切换的性能，消除了切换过程中通信的中断、小区边界处的“乒乓效应”以及切换引入的噪声。可有效的提高切换的可靠性，保证了通信质量。 (5)话音编码技术目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13kbit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13kbit/s的话音水平甚至更好。13kbit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。 1.1.3 CDMA系统的主要优点(1)频谱利用率高，系统容量大理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。 频谱利用率高，容量大的直接好处：一是大大节省宝贵的频谱资源，二是满足城市内高话务密度的需要，减少网络拥塞，三是减少基站数量，使网络的扩容变得简单，易实施。(2)覆盖范围大 CDMA的无线链路预算比GSM多36dB。正常情况下，CDMA的小区半径可达60公里，在采用了特殊技术手段后，半径可达200多公里 (澳洲电信的CDMA网络中就有一个覆盖半径超过200公里的基站) 。而GSM系统基站半径最大不得超过35公里。 覆盖范围的扩大所带来的直接优点是基站数量减少，基站选址容易。更为重要的是，基站数量的减少将大大降低网络配套电信设施如机房、供电、传输等的投入，加快建设速度。也适用于话务量较低、要求覆盖的地域又相当广的边远城镇和农村地区。(3)话音品质好，保密性强 TDMA的信道结构不能支持8Kb以上的语音编码器，而CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器，因此可以提供更好的通话质量。由于CDMA采用了伪随机序列进行扩频/解扩，在CDMA 8K EVRC话音编码时处理增益达21dB，话音品质相当好。经试验，其话音质量不仅明显优于GSM、模拟，可以与固网的话音质量相比拟，而且在强背景噪声环境下，还优于固网电话。CDMA扩频通信技术使通信具有天然的保密性，其消息在空中信道上被截获的概率很小。(4)掉话率低 统计表明，切换失败是引起掉话的最主要原因。TDMA采用一种硬移交的方式，间断尤为明显，CDMA系统“掉话”的现象明显减少，因为采用了软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点，使得切换的成功率远远高于模拟等硬切换蜂窝系统。(5)可提供数据业务 在数据通信方面，CDMA传送单位比特的成本比GSM低，因此更适合作为无线高速分组数据业务的接入手段，为移动/无线与Internet的融合提供了更好的技术条件。（有关统计资料显示，全球移动话音业务的增长速度趋缓，移动数据业务的增势迅猛。）(6)CDMA手机符合环保的要求 CDMA手机的发射功率小，低的发射功率既对人体的辐射小、有“绿色手机”的美誉，还可延长手机电池的待机、通话时间。并且，随着基站数量的增多，发射功率会越来越小，这方面的优势也就越来越明显。 1.2 主要研究内容本课题主要内容是研究和解决移动通信信道的多径衰落信道问题，如何主动的利用信号设计技术，将多径衰落信道分散的信号能量更为有效的收集起来，来克服多径传输所造成的干扰。先第一章介绍CDMA系统，第二章介绍从微波信道入手介绍了基本概念，简述多径传输的给码元传输带来的影响以及克服多径传输造成衰落的措施。第三章介绍了RAKE接收机原理，从分集方面切入，介绍基本原理RAKE接收模型，第四章主要讲述CDMA系统中RAKE接收原理，也是从理论基础进行分析，介绍了前向信道RAKE接收机的模型和反向RAKE接收机的组成，下面就是实现RAKE接收原理框图。最后一个章是对RAKE接收技术进行的归纳。2 微波信道的多径传输2.1 一般概念微波的传播与光波相类似，在传输的路径上没有阻挡时，是一种“视距”传播，即直线传播。对微波传播空间而言，直线传播条件为自由空间。所谓自由空间乃是指充满均匀理想介质的无限空间。在这个空间里电波不受阻挡、反射、折射、绕射、散射和吸收等影响。理想介质和相对介电常数和相对导磁率等于1。实际微波通信的电波并非在理想的自由空间中传播，而是在低层大气中传播的。因此，电波不仅受到地球曲率的影响，而且还会受到上述诸多因素的影响，形成微波信道的直射波、多径反射波、绕射波、散射波等多径传输。直射波：它是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。多径反射波：指从不同建筑物或其它物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢反射后到达接收的传播信号，其信号强度最弱。由于上述传播的特点，所以对接收点的信号将会产生如下的后果，即在传播上产生三类不同的损耗和三种效应。(1)三类不同的损耗路径传播损耗：又称为衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围(即公里量级)的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。慢衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢又称慢衰落。快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映了微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从Rayleigh(瑞利)分布或Rician(莱斯)分布，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，仔细划分快衰落又可以分为以下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落与时间选择性衰落所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落特性是不一样的。(2)三种效应：阴影效应： 由大型建筑物和其它物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半盲区。远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机地变化，离基站近信号强，如各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站远信号弱通信系统的非线性则进一步加重出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。多普勒效应：它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。2.2 多径传输给码元传输带来的影响信号经不同建筑物或其它物体反射后到达接收点的传播，就是微波信道的多径传输，由此产生的损耗称之为快衰落损耗，它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映了微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从Rayleigh(瑞利)分布或 Rician (莱斯)分布，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，仔细划分快衰落又可划分为以下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落与时间选择性衰落。(1)空间选择性衰落：即在不同地点(空间)衰落特性不一样，一般它又称为平滑瑞利衰落，由于天线点波束的扩散，引起了空间选择性衰落，周期为，其中为波长。 (2)频率选择性衰落：即在不同的频率衰落特性不一样，由于时延扩散引起了频率选择性衰落，其衰落周期为=1/L,即与相对时延扩散成正比。(3)时间选择性衰落：即在不同的时间衰落特性不一样，由于变速移动引起的频率扩散，在接收点波形产生了时间选择性衰落。其衰落周期为： 。在实际的移动通信中，这三类选择性衰落都存在，它们的形成原因均是以多径传播所引起的，根据其产生条件大致可划分为以下三类：第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近物体的反射而形成的干扰信号，其特点是在信号频域上产生Doppler(多普勒)扩散而引起的时间选择性衰落。第二类多径干扰：它是由远处山丘与高大建筑物反射而形成的干扰信号，其特点是信号在时域和空间角度上产生了扩散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间选择性衰落。第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信号，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起空间选择性衰落。图2-5为三类多径干扰传播示意图。图2-5三类多径干扰传播示意图表2.1为在典型地理环境下，多径衰落在时域、频域和空间上产生的典型扩散值地理环境时延扩散角度扩散多普勒频率扩散室内0.13605Hz农村0.51190 Hz城市520120 Hz丘陵2030190 Hz小区0.212010 Hz信号的多径传输造成了空间选择性衰落、频率选择性衰落与时间选择性衰落，针对这种情况，应采取相应的措施来克服这三类选择性衰落所造成的影响。2.3 克服多径传输造成的衰落的措施信号经不同建筑物或其它物体反射后到达接收点的传播，就是微波信道的多径传输，由此产生的损耗称之为快衰落损耗，它反映了微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从Rayleigh(瑞利)分布或Rician(莱斯)分布，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，仔细划分快衰落又可划分为空间选择性衰落、频率选择性衰落与时间选择性衰落。为了寻找理想的措施来克服多径传输造成的衰落影响，我们首先要研究多径干扰(快衰落)信道数学模型。为了简化问题的分析，先不考虑空间域，而仅考虑时频域两维情况，描述它的数学模型很多，其中最常用的是一类线性时变信道模型，即线性时变信量 （2.1）其中： 表示到达的多径的径数；：表示第L条路径的信号幅度：表示第L条路径相对第一条路经(t=0)的时延；：表示第L条路径的信号相位。为了分析简便，有时往往可以将上述时变参量进一步等效看成时不变的，这时 （2.2）应用中心极限定理，可以将公式(2.1)中h(t，)看成一个时变的复高斯过程，当其过程具有零均值时，在任一瞬间t，包络的值是瑞利分布，其概率密度函数为 （2.3）其中为信号包络的均值。当移动用户与基站之间存在直射波信号时，信道衰落遵从莱斯分布，其概率密度函数为h(t，)的均值不再为0，此时信道衰落遵从莱斯分布，其概率密度函数为 （2.4）其中： 直射波信号幅度；为零阶修正Bessel函数。实际移动信道的多径干扰，应该将空域也考虑进去，这时信道数学分析将进一步复杂化。为了简化问题的分析，在物理上将移动信道看成具有不同延时、不同频移和不同角度的无限条传播途径的总和称它为符合不相关的点散模型，它可以引用一个三维的功率谱扩散函数来描述，若信道满足广义平稳性，则下述结论成立 (2.5)上式表示，三维相关函数与三维功率谱密度扩散函数p(，) 是一傅氏变换对。而三维扩散函数 p(，) 是表示接收到的信号通过随机移动信道以后，能量在时域、频域和角度空间域的扩散程度。为了简化分析，作为一阶近似，可将三维扩散程度分别定义为相应的等效扩散值，即在时间域上定义等效扩散区间为L，在多普勒频移域上定义等效扩散区间为B，在入射角域上定义等效扩散区间为，这时三维功率扩散函数可以等效为一个有限的三维体积即 当|，|，| (2.6)其它由归一化条件 (2.7)则可分别求得各自等效区间L，B，与的值：由求得 (2.8)由求得 (2.9)由求得 (2.10)同理，三维广义相关函数以等效为一个有限的三维体积，即当|，|，| (2.11)其他再由归一化条件：(2.12) 分别各自求得等效相关区间F，T，R值：由求得 (2.13)由 求得 (2.14)由求得 (2.15)再由公式(2.5)和上述扩散函数与相关函数的定义，很容易求得T=1/B F=l/L (2.16)R=/这就是要研究的克服三类选择性衰落(时间、频率、空间)的基本依据。为了基本上克服三类选择性衰落，可以分别采用不同的手段。为了克服空间选择性衰落，可采用空间分集手段，但是分集接收机间的距离要满足大于3倍波长的基本条件；为了克服频率选择性衰落，可采用RAKE接收方式，但是在设计RAKE接收时，必须满足其频率相关区间一定要大于200kHz，才有多径分集效果；为了克服时间选择性衰落，可采用信道交织技术，但交织区间一定要大于83s。以前分集技术只是研究如何将客观的多径衰落信道分散的信号能量有效的收集起来的措施，而在CDMA系统中的分集技术正是研究如何主动的利用信号设计技术，能将多径衰落信道分散的信号能量更为有效的收集起来，即在接收端采用新的接收技术RAKE接收。3 RAKE接收机原理3.1 一般概念分集技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。其中空间分集早期已成功的应用于模拟短波通信中。分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性。它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域及空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾。从一开始研究如何将客观的多径衰落信道分散的信号能量有效的收集起来的措施，到今天如何主动的利用信号设计技术，能将多径衰落信道分散的信号能量更为有效的收集起来，这些都是分集技术所要研究的内容。为了在接收端得到几乎互相独立的不同路径，可以通过空域、频域和时域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现。其中最基本的有如下几种：3.1.1 空间分集利用不同接收地点(空间)收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。空间分集的基本结构为：发送端一副天线发送，接收端N部天线接收，如图3-1所示。图3-1空间分集示意图接收天线之间距离为d，分集天线数N越大，分集效果愈好，但是不分集与分集差异较大，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N的增加而逐步减小。在工程上，要在性能与复杂性间作折衷，一般取N=24。3.1.2 频率分集将待发送的信息，分别调制在不同的载波上发送至信道，只要不同的载波之间的间距足够大，载波间大于f频率相关带宽F，即f F=1/L其中L为接收信号时延功率谱的宽度。频率分集的载波间隔大于200kHz。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；缺点是要占用更多的频谱资源，并且在发送端有可能需要采用多部发射机。3.1.3 时间分集对于一个随机衰落的信号，当取样时间间隔足够大时，两个取样点间的衰落是互不相关的，利用这一特性可以构成时间分集。将待发送的信号每隔一定时间间隔(大于时间相关区域T)重复发送，在接收端可以得到N条独立的分集支路。在时域上时间间隔t应大于时域相关区间T，即tT=1/B其中B为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比。可见时间分集处于静止状态的移动台是无用的。时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收线数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。上述讨论的空间分集、频率分集等均属显分集，它明显地采用多套设备在不同时间、不同频率接收合并而成，故称为显分集。随着科学技术的发展，分集技术的实方法也在不断的更新。其中最有发展前途的一种是利用信号设计技术将分集作用隐在被传输的信号之中，我们称之为隐分集。本章将重点介绍多径分集的RAKE接收技术RAKE接收机原理。一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利，即利用多径现象来增强信号。RAKE接收机包含多个相关器，每个相关器接收一个多路信号，利用多个并行相关器件检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机，其原理框图如图3-2所示。转换相关器相关器相关器搜索相关器加权合并图-RAKE接收机框图3.2 RAKE接收的基本原理在移动通信中，为了便于移动站的使用，特别是手持终端，如手机等，移动站的天线通常采用无方向性的低增益天线，移动站接收来自各个方向的电磁波，并向各个方向发射电磁波，电波传播路径变得复杂和多途径，通过不同路径到达接收天线的信号，由于路径不同造成传播时延的不同，各信号在接收天线处的相位不同，相同相位的信号互相叠加，使得信号得以加强，而相反相位的信号互相叠加，使得信号相互抵消。这种接收信号无规律的强弱起伏就是电波传播中的衰落效应。对抗衰落效应的措施之一是信号的分集接收，如频率分集、空间分集、时间分集、极化分集、多径分集、和其他各种隐分集技术。其中的多径分集在 CDMA系统中的实现方法就是RAKE接收机技术。由于在 CDMA系统中，信号的检测是通 过检测本地样本信号与接收信号之间的相关性的方式进行的，只要不同路径信号之间的传播时延差大于chip宽度Tc，就能通过信号相关性检测把它们分辩出来，加以收集利用，RAKE接收机就是针对这一基本原理设计的。3.2.1 移动通信中传播的多径效应由于移动通信中传播的多径效应，引入接收信号时延功率谱的扩散，其中最典型的有两类：(l) 连续型时延功率谱它一般出现在繁华市区，由密集建筑物反射而形成。连续型时延功率谱如图3-3-1所示。(2) 离散时延功率谱在一般非繁华、非密集建筑群区，时延功率谱是离散的。其离散型时延功率谱如图3-3-2所示。图3-3-1 连续型时延功率谱 图3-3-2 离散型时延功率谱如何能设法将扩散的时延功率充分利用起来，这是工程设计者要重点研究的问题。它可以形象的用下列信号矢量来表示。3.2.2 RAKE接收用信号矢量的直观表示(1)无RAKE接收时，多径信号的矢量合成如图3-4所示。图3-4 多径信号的矢量合成图(2)采用RAKE接收后的合成矢量如图3-5所示。图3-5利用RAKE接收（相干检测）后的矢量合成图(3)由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、大小(幅度)、时延、相位均为随机量，因而合成矢量也是一个随机量。但是若能通过RAKE接收，将各路径分离开，相位校准，加以利用，则随机的矢量和将可以变成比较稳定的代数和而加以利用。当然这一分离、处理和利用的设想是在宏观分区域含义完成的，而不可能是针对所有实际传播路径而言的。因此问题可归结为如何才能设计出分离宏观分区含义下的多径。它属于发送端信号的设计问题。3.2.3 有效利用时延功率谱利用宽频带的扩频信号的相关理论，可以将上述连续或离散的时延功率谱扩散分量加以分离、处理，最后达到合并起来加以有效的利用。1对上述时延功率谱的利用效率，决定于多径时延宽度与多径分离的能力，即能分离出多少路径，而路径的分辨率则取决于扩频增益与扩频带宽。2对于IS-95，在城市繁华区多径时延5s左右，而IS-95的扩频信号带宽为1.25MHz，频率分集的载波间隔应大于200kHz。3.3 基站RAKE接收系统模型3.3.1 RAKE接收总体结构框图RAKE接收的实现方法可以有多种方案，在这里结合IS-95，介绍RAKE接收的实现原理。由于在IS-95中下行(前向)链路是同步码分，而上行（反向）是异步码分，因此上、下行RAKE接收机结构也有所不同，下行RAKE接收为相干检测，上行为非相干检测。下面介绍上行基站非相干检测RAKE接收。时钟产生单元信道板CPU控制单元地址译码单元一个小区3个扇区6个天线搜索器1搜索器1解调器1解调器2解调器3解调器4路径合并解交织器微特比译码器图3-6 基站RAKE接收总体结构图(1)系统中每个蜂窝小区分为3个扇区，每个扇区有一个发射天线两个接收天线，即采用空间分集，因此每个小区共有6个接收天线，即， ，(2)框图中的时钟产生单元：利用基站GPS收到标准偶秒(25)信号和本地19.6608MHz晶振产RAKE接收机所需的各类定时时钟信号：8倍PN码时钟、即80ms、PP 2s以及20ms帧定时等。(3)信道板CPU控制单元：控制并协调发送、接收各单元的操作，搜索器的搜索结果也将送入CPU进行选择、判断，并将搜索到的4个最强路径相位信息分别送入4个数据解调单元。(4)地址译码单元：产生各个模块所需要的伪码地址信号。(5)搜索单元：用于搜索接收信号的伪码(PN码)相位，其作用是在3个扇区的6个接收信号源中搜索其中4个最强路径进行数据解调，每个搜索器实际包含多个并行搜索单元。(6)数据解调器：IS-95基站中有4个数据解调器，即RAKE接收机的4个“Finger”。用于对搜索器搜索到的4个强径进行数据解调，并将解调结果输出到路径合并器进行合并，即实现分集合并过程。再进行解交织和维特比译码器进行译码。此外，每个解调器内还有一个单元，即跟踪回路用于对路径的相位进行精调。3.3.2 RAKE接收核心部件为数据解调器与搜索跟踪器(1) 数据解调结构基站RAKE