数字通信原理(6)

InstituteofCommunicationsEngineeringInstituteofCommunicationsEngineeringInstituteofCommunicationsEngineering§8.2Rake接收机3内容和要求内容目的了解Rake接收技术的背景掌握Rake接收的原理了解Rake接收的设计考虑了解Rake接收的方式要求难点为Rake接收机的基本原理与DSSS频谱扩展参数的选择，要求掌握常规Rake接收机的设计方法。4无线信号的传输方式发送信号为：接收：接收信号与本地扩频码相乘之后积分输出：()()kbkstdctkT()()()()()nbbkbnkytstctnTdtctnTdctkTdtd一、直接序列扩频通信的基本方式52、直接序列扩频信号在解扩器中的特点收信号s(t)中的扩频码与本地扩频码同相，即，则可以解扩出数据。如果相位相差大于1个码片宽度，即，则无信号输出。()xctxndxc×放大滤波载波×DT0()bctnT()dn()()kbkrtdctkT一、直接序列扩频通信的基本方式61、无多径传输的情况接收信号：()()rtst正常接收二、直接序列扩频信号的可分解性72、具有多径传输的情况接收信号：如果只用一个解扩相关器，则只能接收其中第一个多径支路信号，而其它支路信号则无信号输出。如果采用两个解扩支路，则、能接收其中二个多径支路信号，而其它多径支路信号则无信号输出。推广：每一条解扩支路可以分解一条多径信号。1()()Lllrtst1()ct1()ct2()ct二、直接序列扩频信号的可分解性83、直扩信号在多径接收下的路径可分解条件所有多径分支的延时间隔大于1个切片宽度。重要结论：对于直接序列扩频信号，在接收端可以通过地址码实现对多径信号的分离。由于这种接收机由多个相关支路组成，结构类似于耙地用的耙子，因而英文名称之为“Rake接收机”。Rake接收可以看成分集的一种，因而其对信号的合并算法与前面分集接收机中类似。二、直接序列扩频信号的可分解性9探讨直接序列扩频的Rake接收原理：可以看成一种分集技术（需讨论）。直接序列扩频的Rake接收原理：可以看成一种时间分集接收技术（需讨论）。二、直接序列扩频信号的可分解性101、Rake接收机的结构11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；22然后对每个相关器的输出进行进行加权延时，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；33然后在此基础上进行解调和判决。三、Rake接收机的工作原理11Rake接收机的结构框图信号合并×1()ct在Tb内进行积分保持到Tb+TL×11()ct在Tb内进行积分保持到Tb+TL×1()Lct在Tb内进行积分保持到Tb+TL判决()dn()rt三、Rake接收机的工作原理122、Rake接收机的设计目标使到达判决器信号的信噪比达到最大。对图8.7中的举例进行讨论：Rake接收机给性能带来了什么好处？为什么在二个接收支路中，相关输出的信号电平产生了波动：是由于接收噪声引起的？还是由于其它因素？三、Rake接收机的工作原理133、Rake接收机的需解决的问题多径状态检测（延时与幅度）多径信号的合成4、多径状态检测在Rake接收机中，可以通过设置专门的搜索相关器，它主要负责对可能存在的多径支路进行检测：检测多径支路的延时与幅度相位大小。三、Rake接收机的工作原理145、信号合并技术选择性合并（SD）最大比值合并（MRC）等增益合并（EGC）在三类信号合并技术上，选择性合并技术最简单，而一般情况下性能也最差。三、Rake接收机的工作原理15最大比值合并（MRC）加权系数：特点：最大比信号合并技术将保证在检测器的输入端具有最大的信噪比。)()(1)('tZtLiatZii,1)(2)(2)(LltZtZtalii三、Rake接收机的工作原理16等增益合并合并（MRC）等增益合并可能不如选择性合并原因：等增益合并RAKE接收机只有一条支路接收到较强的信号，而其它支路只收到很少的信号能量，降低了等增益合并RAKE接收机的信噪比。采用方法：RAKE接收机的每个支路设置一个门限，当信号电平低于门限值时将该支路关闭。'()()1iLZtaZtiTC时延功率（dB）三、Rake接收机的工作原理176、Rake接收机的特点能有效地克服多径对无线信号的传输；具有最简单的中频传输接收硬件。三、Rake接收机的工作原理181、接收机复杂度与扩频带宽间的关系扩频接收机的实现复杂性与其扩频带宽成正比，扩频带宽越大，则实现复杂度呈线性上升关系。2、扩频接收机对时间的分辨率与扩频带宽间的关系扩频带宽（系统带宽）为W的扩频信号的时间分辨率为1／W，一般的扩频接收机只有一个相关器，接收时间窗TW＝1／W内的多径信号能量，时间窗TW外的多径信号则被抑制掉了。从对多径信号的分离上而言，希望扩频带宽越宽越好。四、信号参数的选择193、扩频带宽与接收分支信号衰落特性的关系由于扩频接收机单支路只能观察到时间窗TW＝1／W内的多径信号。时间窗口越宽，该信号衰落越严重。4、扩频带宽的选择应考虑到不产生码间串扰时间窗口的宽度与传输符号的宽度应不有可比性。从而保证其对于传输信息而言是一个非频率选择性衰落。5、扩频带宽与分支数之间折衷Ｌ个分支的Rake接收机，其有效接收时间为TW＝L／W内的多径信号（L为RAKE接收机的支路数）。希望Ｌ个分支能接收大部分的多径信号。四、信号参数的选择20举例如果多径信道的最大时延为3μs（室内信道的典型值），用IS-95CDMA的1.25MHz扩频带宽，时间分辨率约1μs，用3个支路的等增益合并或最大比值合并RAKE接收机就几乎可以接收到所有的信号能量。若用10MHz的扩频带宽、时间分辨率为0.1μs，用3个支路的等增益合并或最大比值合并RAKE接收机只能收到时间窗TW＝0.3μs（3μs）内的多径信号能量，收到的信号能量只占总能量的一小部分。对于IS-95CDMA系统，多径特性的现场测试表明，不同路径数的概率分布是：3路径为20％，2路径为50％，1路径为28％。这说明，RAKE接收机至少要具有处理3个路径的分集能力，考虑到具体实现的复杂度，IS-95CDMA基站使用4重分集，移动台采用3重分集。四、信号参数的选择216、结论对于微小区或市内通信环境，多径时延比较小，需要用宽带扩频信号，以保证有足够多的可分离的多径信号，实现有效地RAKE接收。对于市区环境的小区，多径时延较大，如果用宽带扩频信号，则需要多支路数的RAKE接收机，硬件复杂度高。四、信号参数的选择221、检测后积分（PDI）多径接收机实现方案是采地址码匹配滤波，在一个积分时间等于多径扩展秒进行积分输出。M匹配滤波器低通M秒积分器抽样判决r(t)t=nTb输出五、Rake接收机中信号合并方式23各部件作用地址码匹配滤波器：检测所有可分辨多径支路。积分器：在确定时延扩展区内对所有分辨出的多径分支进行信号合并。要求即不能大于码元宽度Tb，否则多径分两会落到相邻码元中而造成码间干扰。M五、Rake接收机中信号合并方式24特点实现简单；没有利用多径的参考信息，影响分集效果；抗噪声性能差：把秒范围中的干扰与噪声包含进去。改进方法可对多个峰值进行筛选，把那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，并按一定规则合并。M五、Rake接收机中信号合并方式25具有信道参数测量的DPSK-RAKE接收机实现方案：是采地址码匹配滤波多径信道特性检测最大比信号合并匹配滤波S(t)信道估计器抽样判决横向滤波Tb输入t=nTb{k)}{ka)}r(t)输出五、Rake接收机中信号合并方式26多径特性检测为了获得信道参数，可采用探测信号，探测信号可以是专门的信号（训练序列），也可以使数据信号本身，接收机通过接收探测信号来估计信道参数｛｝和｛｝。特点复杂度高最佳性能ka)k)五、Rake接收机中信号合并方式273、具有信道参数测量的DPSK-DRAKE接收机实现方案：同DPSK-Rake接收机。对信道多径的幅度、相位特性不进行估计。匹配滤波S(t)信道估计器抽样判决延时线Tb输入t=nTb{k)}r(t)输出延时线五、Rake接收机中信号合并方式28并行相关RAKE接收机上述Rake接收机存在问题：要求采用扩频地址码匹配滤波，因而系统硬件结构复杂。改进：方案如下图合并相关器1相关器2相关器3搜索器输出r(t)五、Rake接收机中信号合并方式29部件作用搜索器的作用是搜索所有多径，估计出多径的相位、到达时刻和强度参数。并行相关器按照搜索器的参数对特定多径信道进行接收，并实现最大比信号合并。特点结构简单性能优良五、Rake接收机中信号合并方式30举例对于IS-95CDMA系统，基站中的RAKE接收机有4个并行相关器和2个搜索相关器组成，基站接收机无法得到多径信号的相位信息，一般采用非相关最大比值合并准则；而移动台中的RAKE接收机有3个并行相关器和一个搜索相关器组成，它可利用基站发送的导频信号估计出多径信号的相位、到达时刻和强度参数。五、Rake接收机中信号合并方式31总结本节课主要讲解了以下内容Rake接收技术的背景Rake接收的原理Rake接收的设计考虑Rake接收的方式32作业与思考题8.3请说明RAKE分集与传统分集的差异及适用场合。8.4请简要说明RAKE接收机的工作原理。InstituteofCommunicationsEngineering谢谢！