RAKE接收:RAKE接收（Rake Receive）：其基本原理是將無 -百科知識中文網

背景

RAKE接收機（RAKE receiver）一種能分離多徑信號並有效合併多徑信號能量的最終接收機。

多徑信號分離的基礎是採用直接序列擴展頻譜信號。當直擴序列碼片寬度為TC時，系統所能分離的最小路徑時延差為TC。RAKE接收機利用直擴序列的相關特性，採用多個相關器來分離直擴多徑信號，然後按一定規則將分離後的多徑信號合併起來以獲得最大的有用信號能量。這樣將有害的多徑信號變為有利的有用信號。

套用 RAKE接收機主要套用在直擴系統中，特別是在民用CDMA（碼分多址）移動通信系統中。下圖示出一個RAKE接收機，它是專為CDMA系統設計的多徑最佳接收機。

在移動通信的環境中，不但需要移動台收發器，也需要基地台收發器，因此無論移動台在通信區域內的哪一個位置，系統都能提供一條高品質的通信鏈路。對於窄帶系統來說，由於在傳送一個符號的時間內，總會有一小部份功率較強的多徑信號出現在接收機端，因此系統會通過軟體來實現信道等化功能，以便更正符碼之間的干擾現象（ISI：Inter-Symbol Interference）。

由於CDMA系統具有寬頻的特性（也就是很高的碼片速率），因此這些路徑可能會超過一個CDMA位（碼片）的寬度；在這種情形下，傳統的等化功能將不再適用，需要一種新的技術，它必須能接收所有路徑的信號，然後組成一個完整的信號。RAKE接收機就擁有這樣的功能，它可以收到所有可能路徑的信號，然後再將這些路徑上的信號組合成一個非常清晰的信號，強度遠超過單個路徑上的信號；基本上，RAKE接收機會計算參考模式與接收信號之間的相關性，然後找出個別信號的傳送路徑。

原理

RAKE的概念是由R.Price和P.E.Green在1958年的《多徑信道中的一種通信技術》一文中提出來的。

RAKE接收機的基本原理就是將那些幅度明顯大於噪聲背景的多徑分量取出，對它進行延時和相位校正，使之在某一時刻對齊，並按一定的規則進行合併，變矢量合併為代數求和，有效地利用多徑分量，提高多徑分集的效果。

由於用戶的隨機移動性，接收到的多徑分量的數量、幅度大小、時延、相位均為隨機量。

若無RAKE接收機，多徑信號的合成如多徑信號的矢量合成圖（a）所示，若採用RAKE接收機，多徑信號的合成如多徑信號的矢量合成圖（b）所示。

可見，通過RAKE接收，將各路徑分離開，相位校準，加以利用，變矢量相加為代數相加，有效地利用了多徑分量。

根據CDMA系統中可分離的徑的概念，當兩信號的多徑時延相差大於一個擴頻碼片寬度時，可以認為這兩個信號是不相關的，或者說是路徑可分離的。反應在頻域上，即信號的傳輸頻寬大於信號的相干頻寬時，認為這兩個信號是不相關的，或者說是路徑可分離的。由於CDMA系統是寬頻傳輸的，所有信道共享頻率資源，所以CDMA系統可以使用RAKE接收技術，而其他兩種多址技術TDMA、FDMA則無法使用。

組成

RAKE接收機分集的度量取決於多徑時延寬度和多徑分離的能力。

在最大時延擴展為m的多徑衰落信道中，RAKE的概念就是採用一種特定的寬頻傳輸信號，其頻寬W遠遠大於信道的相干頻寬 m，根據可分離的多徑的概念，這種情況下可分離的多徑數為。於是RAKE接收機採用L個相關器，相鄰相關器所處理的時延之差為1/W，每個相關器只從總的接收信號中提取相應延時的那部分多徑信號。

RAKE接收機的框圖如圖所示：

M支路RAKE接收機如圖所示：

圖中多個相關器分別檢測多徑信號中最強的M個支路信號，然後對每個相關器的輸出進行加權及合併，最後進行檢測和判決。

M個相關器的輸出分別為Z1，Z2，…，ZM，其權重分別為a1，a2，…，aM。權重的大小是由各支路的輸出功率或SNR（信噪比）決定的。

如果該支路的輸出功率或SNR小，那么相應的權重就小。

採用最大比率合併時，合併後的輸出Z如右圖所示：

套用於CDMA系統

在CDMA給每一用戶分配一個唯一的碼序列（擴頻碼），並用它來對承載信息的信號進行編碼。知道該碼序列用戶的接收機對收到的信號進行解碼，並恢復出原始數據。這是因為該用戶碼序列與其他用戶碼序列的互相關是很小的。由於碼序列的頻寬遠大於所承載信息的信號的頻寬，編碼過程擴展了信號的頻譜，從而也稱為擴頻調製。其所產生的信號也稱為擴頻信號。CDMA通常也用擴頻多址（SSMA）來表征。對所傳信號頻譜的擴展給予CDMA以多址能力。因此，對擴頻信號的產生及其性能的了解就十分重要。

DS-CDMA套用在第三代移動通信系統中的基本單元之一是RAKE接收機。

RAKE接收機

發射機發出的擴頻信號，在傳輸過程中受到不同建築物、山崗等各種障礙物的反射和折射，到達接收機時每個波束具有不同的延遲，形成多徑信號。如果不同路徑信號的延遲超過一個偽碼的碼片的時延，則在接收端可將不同的波束區別開來。將這些不同波束分別經過不同的延遲線，對齊以及合併在一起，則可達到變害為利，把原來是干擾的信號變成有用信號組合在一起。這就是RAKE接收機的基本原理。

RAKE接收技術

移動通信信道是一種多徑衰落信道，RAKE接收技術就是分別接收每一路的信號進行解調，然後疊加輸出達到增強接收效果的目的，這裡多徑信號不僅不是一個不利因素，而且在CDMA系統變成一個可供利用的有利因素。

在移動通信中，由於城市建築物和地形地貌的影響，電波傳播必然會出現不同路徑和時延，使接收信號出現起伏和衰落，採用分集合併接收技術是十分有效的抗多徑衰落的方法。CDMA 個人通信系統採用時間分集和空間分集兩種RAKE接收方法。基站使用有一定間隔的兩組天線，分別接收來自不同方向的信號，獨立處理，最後合併解調。移動台採用時間分集RAKE接收，讓接收信號通過相關延遲為D的逐次延遲相關器，延遲間隔D為擴頻碼碼元寬或大於碼元寬，不同的延遲相關輸出結果對應不同路徑的信號，選其最大輸出的前幾個作合併，實現RAKE接收。

套用於UWB

超寬頻（UWB）無線通信是一種新的通信方式，系統頻寬很寬，信號功率譜密度不超過-41.3dBm，可與現有系統共存，提高頻譜的利用率。系統具有保密性好，易於實現，高數據速率和多徑分辨能力強的優點，是一種非常有價值的室內通信技術。UWB室內信道多徑數目大且多徑時延相對較長，在多用戶環境下將會引起嚴重的多用戶干擾。RAKE接收可以有效地收集多徑信號提高系統性能，在UWB室內通信中有非常大的利用價值。RAKE接收機的設計需要藉助準確的信道模型在支路數與系統性能之間進行折衷。

由於UWB信號需要用時域的方法進行分析，多用於戶內密集多徑（多徑可達到30條）的條件下，而且每條路徑的信號能量都很小，難以對每條信道做出估計，所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機使原來能量很小的多徑信號經過能量合併後提高的信噪比提高系統性能。

假設某UWB通信系統有個用戶，如果想得到第一個用戶傳送的數據，那么其Rake接收機的實現框圖如圖所示。