1、1CDMA 下行 RAKE 接收机改进方案南京邮电大学 通信与信息工程学院、江苏 南京 210003E-mail: 摘要：对接收的多径射频信号而言，目前传统下行 RAKE接收机普遍采用的“射频相干解调”实际上是非完全相干的，本地载波相位只做到了与最强路径信号的载波相位同步。对于其他路径来的信号，在射频解调时会引入一个解调损耗因子 ，这个损耗因子将严重影响 RAKE接收机合并输出的性能，甚至会cos导致 RAKE接收机的失效。在这些分析基础之上，本文提出了改进型 RAKE接收和新型 RAKE接收的概念，新型 RAKE接收方法能更好地实现多径信号的近似相干解调，可消除解调损耗因子 的影响。cos关
2、键词：多径传播，CDMA, RAKE 接收, 相干解调1. 引言随着无线 Internet接入用户的增加和无线多媒体业务需求的发展，3G 移动通信系统应该能为用户供优质高速的下行数据业务服务。然而，在移动通信中，由于移动终端的不断变化和周围建筑物等反射体的存在，接收机收到的电波信号是来自有不同路径延迟和幅度衰减的多经传播信号之和，这种多经接收信号的包络近似于 Rayleigh分布或 Rician分布，造成多经衰落，影响接收机的性能。为了克服这种多经衰落的影响，人们提出了各种用来克服多径干扰的接收技术。最早在 GSM系统中使用时域均衡接收机1，一个能利用多径传播能量而无法克服多用户接入干扰（MA
3、I）的 RAKE接收机在文献2被研究，在其基础上出现了能消除 MAI的多用户接收机3，在文献4中作者讨论了利用智能天线定向接收作用消除 MAI的智能天线接收机。在多用户接收机和智能天线接收机结合的基础上，5提出了空时多用户检测器的概念。这种检测器同时利用定向接收和多用户检测原理减少 MAI的影响，应该获得更好的 MAI消除性能。然而在目前主流 3G标准中，仍然广泛采用 RAKE接收机技术1。RAKE接收机是 CDMA收信机的基本组成部分。利用 RAKE接收机可实现移动通信无线传播环境中接收端多经信号的分离、时延调制和叠加组合三个基本的过程，从而实现多径传播能量的分集接收，大幅度提高接收机的收信
4、信噪比和发功率利用率。RAKE 接收机是克服无线多径传播衰落，即形成多径传播信号分集接收的基本手段。然而现用的 RAKE接收机都是在基带上实现的，未考虑收到的多径信号载波间相位差的影响。在 CDMA下行信号接收机的实现中，应该采用相干解调方式。由于收到的多径信号载波间存在相位差，收信机中恢复的一路相干载波 只能与一径收信号载波 保持twtCLL11cos)( twSt11cos)(同步，这两个信号间的相位差 为 0，可实现相干解调，但会导致在其他两径收信号的解调中引入它们各2自的收信号载波与 相位差 有关的解调信号幅度损失、极性变化和干扰。当其它一径收信号载波)(1tCL与 存在相位差 时，已
5、解调信号可简单表示为 ，显然相位差 将影响wSt22cos)( cos2S已调制信号的极性和幅度。此相位差损失会使多径信号的功率利用率大幅下降。传统的 RAKE接收机将会利用训练序列或其它信道估计方法估计 的极性，以免已解调信号的极性反转，但无法估计 的cos cos值，因此也不能消除它的影响。讨论 RAKE 接收机的相关资料 6，7，8，9，10都未研究当一径射频信号为相干解调，其它径信号为非相干解调时，使 RAKE 接收机性能下降或失效的问题。为克服此问题，资料11 ，12，13，14提出了几种不同的信道估计方法，但它们只能用于 的极性估计，且复杂度较高，性能较差。还未检索到任何cos涉及
6、多径信号相干解调 RAKE接收机的文献。文章将以 CDMA IS-95系统为例，首先分析和讨论多经载波信号中一经为相干解调，其它两经信号为非相干解调时，对 RAKE接收机性能的影响。最后提出了对各路多径收信号实现相干接收的多径信号相干解调 RAKE接收机模型，得到了一种基带处理方法，它可以准确估计各路多径收信号载波与本地相干载波的相位误差 ，从而消除 的影响，大幅度提升 RAKE接收机多径分集接收的效率，使多径收信号的功率利用率上升。该方法也可以在基带实现，使它的可用性上升，应用成本下降。此外还首次提出一种利用收导频信号逆调制恢复相干载波的方法。2. CDMA IS-95 下行 RAKE 接收
7、机的结构图 1 中给出 CDMA IS-95 下行相干解调 RAKE 接收机的一般结构。设 800MHz 附近的射频（RF）输入信号经下变频后，变为 10.7MHz 的中频信号，经模/数变换后形成信号 进入数字 QPSK 相干解)(tSAD调器。图 1 CDMA IS-95 下行相干解调 RAKE 接收机相干解调时需要提供与收信号载波同步的本地载波。接收到的导频信号（Pilot）经载波恢复电路处理后得到一路本地恢复的收信号相干载波，其可以表示为3（1）twttCLLL111sinco)(其中 为相干载波频率。在图 1 中，载波恢复电路中输入的 和 应与与收导频信号中的小区1Lw QPNLI1地
8、址码和扩频码同步。假设检测器检测到当前时刻最强收信号以及其它两路多径信号，其可分别表示为（2）twttWDttPNtWDtS QI 1111111 sin)()(cos)()(（3）2dS23dS根据相干解调原理，在图 1QPSK 相干解调器中，用本地恢复相干载波信号 与接收信号相乘进行相)(1tCL干解调，可获得两路解调信号 I 和 Q（4-1 ）32321 sinsicos QI （4-2 ）II在表达式（2）中， 为用户数据， 为 IS-95 下行信道中用户地址码和长码扰码序列的组合，)(1tD)(1tW和 为用作小区地址码的短扰码。由（2） 、 （3）和（4） ，可得如下各变量的对应关
9、系。 )(1tPNIQ（5-1 ）)()(11tPNtI )()(111tPNtWDQQ（5-2 ）)(12 dIddtDI )(12 dddt如果路径 2 的信号与路径 1 相比，有 的时间延迟，则其相位延迟 应等于 的余数，1dt 211)/2dwtt故路径 2 的收信号为：（6）)sin()cos()( 21212tQtwItS由式（4） 、 （6）可以看出，当本地恢复载波 与收信号 不同步存在相位误差 时，解调器输CLS2出信号 I 和 Q 中，第 2 路径信号并没完全解调，受相位延迟 的影响。该影响表现在两个方面，一方面2使得输出信号中 或 的幅度下降甚至极性变反，影响分集接收效果；
10、另一方面表现为由于相位差的存在，在解调器输出信号中引入了 I 路与 Q 路信号之间额外互干扰 IQ 正交干扰，其也对系统的性能产生一定的影响。并对对于其它路径的分析与此类似，在此不再赘述。3 一般 RAKE 接收机的缺陷不足由图 1 可以画出 I 路常用 RAKE 接收机框图，如图 2 所示，其中本地恢复小区地址码 、LIPN1和 都可以用与后述图 5 类似的电路产生，也可以用其它方法产生。LIPN2LI34（a） （b） 图 2 码片级 RAKE 接收机图中 、 和 为各路径信号对应的相关器，在其之后应带有对应的低通滤波器，为简化框1CR23图而略去，以后的框图中也做类似处理。在 和 之后带
11、有对应的时延电路，其控制信号 和1CR2 1dC可由 、 和 这三个序列的比较产生。在图 2（a ）中，根据式（4）和式（2）可得2dLIPN1LI2LIPN3相关器 的输出 为：CR21（7） 32321121 sinsicos)( QIItWDII LIL 在（7）中，由于 与 、 、 和 中的短 PN 序列异步，所以这四项信号无法解出，将表现为IPN1232Q3信号 I21 中由多径引入的 CDMA 自干扰噪声 ，此项噪声将会受到相关器低通滤波器的限制。此处1sMAI有（8） 323211 sinsicos QIIPNMAILIs 同理设图 2（a）中的 与 中的 同步，则有：I2 21
12、)(IdIPNt（9）3231211 siicoscs)(tWtDI LIdLI 上式中 的取值由第 2 路径信号的载波时延决定，所以 可以取负值。由于路径时延的随机性，其2 2取负值的概率为 1/2 。当 取负值时，第 2 路径解调输出 的信号极性与 反相，在图2cosI)(1tWD2（a）的加法器中将会抵消一部分第一路径的解调信号 。此时图 2（a）中的 RAKE 接收机非)(1tWD但不能起到期望信号增强的作用，反而会使期望信号的幅度下降。所以在传统的 RAKE 接收机中要估计的极性，以消除上述不利影响。再考虑到 的影响，该 RAKE 接收机的效率极差。式（9）中2cos 3cos的最后
13、一项代表 CDMA 中的 MAI，当 为正并趋向于时， 中所需信号的值上升，MAI 的影响22I5下降。用类似的方法可以导出 的表达式， 表达式中的 将会产生与 相同的影响。当23I23I3cos2cos和 均取负值，且它们和的幅度时，图 2（a）给出的 RAKE 接收机失效，因为此时多路2cos3合并器的输出 中 和 支路信号的极性与 支路信号的极性相反。实际上当 和 的取LI23I1I 2cos3值为负，或者它们的取值为正，但幅度小于 MAI 的幅度时，图 2（a）中的 RAKE 接收机性能将严重下降。可以求得该 RAKE 接收机能够获得最佳接收的概率小于大于 3/4。图 2（a）中的 R
14、AKE 接收机也可表示成图 2（b）中更为实用的形式，此时相关器后插入的低通滤波器带宽将大幅下降，其后的电路成本也会下降很多。为方便起见，后续讨论中一般都取图 2（a）中的框图形式。4 本地相干载波的恢复由前面的讨论可知，在相干解调过程中，首先需要获得本地载波，然后才能进行相干解调。在继续讨论以前，我们先讨论一下图 1 中载波恢复电路的实现方法，载波恢复有时又称为逆调制。CDMA 接收机某一路径收信号 QAM 相干解调所需的本地相干载波 可以利用图 3 中的逆调制电路产生。)(1tCL图 3 本地相干载波恢复电路一般在 CDMA 系统中，都由下行导频信号来协助系统完成同步、信道估计和载波恢复等
15、相关操作。如图 3 所示，某一径下行导频信号（Pilot）可以表示成如下表达式：（10）twPNtSQIpilot 11sincs其中 =1， 的表达式与 相同，但 和 是两个不同的短 PN 序列。本地产生的两个IPNQIPI短 PN 序列 和 经相位调整后得 和 ，这两路序列与收信号 中的 和IL LI1LQ1 pilotSIPN同步，由Q（11）twPNtwPNSQLILIpilot 1111 sincos可以看出收信号载波 被恢复，经窄带滤波器 NBPF1提取后可用于 QAM 解调器的本地相干载波cs6，式（11）中的第二项将被 NBPF1滤除。同理可取得 。twL1cos twL1si
16、nNBPF1的输出可用作自动相位调节电路的控制信号，当 信号取得最大幅度时，可认为co与 中的 同步。上述结论也可用于 和 。LIPNpilotSIPNLQPN15. 本地相干载波相位误差的基带估计法和多径信号相干解调 RAKE 接收机的基带实现图 1 给出了多径信号相干解调 RAKE 接收机的基带实现方法， 图 7 中的合并器含有图 2 中的时延电路和加法器。此处有（12）3321222 sincossin IQPNIQPNLILI 上式中的最后一项为噪声，经低通滤波器后可以解出 ，用于图 7 中的处理过程。显然经图 7inI处理后，可得（13-1 ）1121)(SMAItWDI（13-2
17、）2)SddIt（13-3 ） 312123 )( SdAIttI 上式中的自干扰项 和 与 有类似的表达式。不考虑时延时， 中的信号分量为 3SMASSAI LI。)(1tWD图 7 多径信号相干解调 RAKE 接收机的基带实现方案由于 IS-95 下行链路中的 I 和 Q 信号相同，因此图 7 中的 2 路输出信号 和 可再次合并。在合LIQ7并器中也可插入各路径信号的信噪比计算功能，然后根据各路径信噪比，按合并器输出信噪比最大准则设计合并器。其中处理器 P2和 P3用于从输入信号中分别导出正比于本地相干载波相位误差 的跟踪信号，可用于获得本地相干载波，用类似的方法也可以得到图 5 中 的
18、跟踪信号，此处不再赘述。12.6 性能分析多径信号相干解调 RAKE接收机能更好地利用多径信号能量，消除传统 RAKE接收机存在的载波解调损耗现象，更大限度地利用多径信号的能量，用于加权合并和符号判决。下面考察载波解调损耗因子和 对于接收机性能的影响，这两项因子应正比于 和 。 12 2cos3设用户数据信号的平均功率为 P，各路径在传输中的衰减因子分别为 、 、 。在有导频信号的123信道中，能够很好地做到用于本地 Walsh码和接收到的信号中的信道 Walsh码同步，由于同阶 Walsh函数的相互正交性，所以这里的多址干扰（MAI）可以忽略。在暂且不考虑其他基站信号的干扰的情况下，重点讨论
19、多径干扰（IPI）和 AWGN。RAKE 接收机识别的各径信号之间的时延差多是超过一个码片，几乎不相关，可以将多径干扰看作噪声处理而实现多径分离。根据伪随机序列的自相关函数的计算公式，当 PN码时延超过一个码片时，自相关函数为， 是伪随机序列的周期。设随机噪声单边功率谱密度为 ，基带信1(),(1)xCmCmTPTm 0n号带宽为 。则对于普通 RAKE 接收机的三个分支的输出噪声功率为f221 31coscosmmNPP 223011sin)sinmmmPPf（14）（15）22213cos44mm223011sinsinmmmfP（16）2231PN22330iifP三个分支的输出信号功率
20、为， ， （17）211()S 22cosS 233cosSP按照上面的方法同样可以得出新型 RAKE接收机和多径信号载波相干解调 RAKE接收机各径的输出信号功8率与噪声功率,只是此时不存在射频损耗因子的影响。设 ，则根据以上的分析可以得出基带实现多径信号相干解调 RAKE接收机相对于传统的123RAKE接收机的输出信噪比增益与 、 的关系曲线，如图 8。230,4图 8 基带实现的信噪比增益从仿真结果可以看出这种 RAKE接收机相比于传统 RAKE接收机在性能上有一定程度的提升，但在仿真过程中也发现当 、 趋近于 时， 由于图 7 电路中第二径和第三径的系数 、 理论上232 21cos3
21、趋近于无穷大，这将导致输出信号的信噪比急剧下降，从而影响系统性能。采用信噪比最大合并法时的信噪比增益见图 9，其增益改善较小。图 9 信噪比最大合并的信噪比增益图 10是多径信号载波相干解调 RAKE接收机相对于传统的 RAKE接收机总的输出信噪比增益与 、29的关系曲线， 、 有类似的结果。30,23,0图 10 多径信号载波波相干解调 RAKE 接收机信噪比增益从仿真结果可以看出多径信号载波相干解调 RAKE接收机在性能上相比于普通的 RAKE接收机有了较大的提升，在 时，其信噪比增益的峰值约能达到 10.5dB。23值得注意的是，由于 RAKE 接收机只能将时延差超过一个码片以上的两径信
22、号区分开来，所以实际一径信号的时延并非一个定值，而是延时差在一个码片之内的多径信号的叠加。射频损耗因子对于一径信号而言也非一个定值，而是分布在一个码片以内的余弦函数，这样损耗因子的引入还带来了分支接收信号时间选择性衰落，对于接收信号的判定是极为不利的。由于射频载波周期 远小于 ，由射频2/WCT损耗因子引入的衰落将使得同一径信号在一个码片周期 内产生很多个过零点，这些过零点对于有用信CT号的衰落特性改变极大，严重之时可能影响信号的正确判决。从这一点上也可以看出利用多径信号载波相干解调 RAKE 接收机消除损耗因子的必要性。6. 结束语第三代移动通信系统的主流标准都采用了码分多址（CDMA）技术
23、，应该使用 RAKE接收机。本文指出：目前的 RAKE接收机普遍采用的“射频相干解调”对接收的多径射频信号而言，实际上是非完全相干的，本地载波相位只做到了与最强路径信号的载波相位同步；对于其他路径来的信号，在射频解调的时候会引入一个射频损耗因子 ，这个损耗因子将严重影响接收机合并输出的性能，甚至会导致 RAKE接收cos机的失效。在这些分析基础之上，本文提出了改进型 RAKE接收和新型 RAKE接收的概念，性能分析结果表明，新型 RAKE接收方法能更好地实现多径信号的近似射频相干解调，消除射频损耗因子 的影响。cos10由于引入的损耗因子会对 RAKE 接收引入额外的衰落特性，这对 RAKE
24、接收是极为不利的，也从另一个方面说明提出消除射频损耗因子的 RAKE 接收机的必要性。文中对于这些新型 RAKE 接收机的性能的分析尚属粗浅，需要结合实际通信系统进一步论证和研究，特别是输出信噪比增益问题以及提到的损耗因子对于信号多径衰落特性的影响。参考文献1 John G. Proakis, “Digital communications,” 4th ed., Boston : McGraw-Hill, c2001.2Clint S，Daniel C，第 3代无线通信网络M，北京：人民邮电出版社，20033Verdu S. Recent progress in multi-user dete
25、ction, in PORTER.W.A.,and KAK,S.C.(Eds):Advances in Communications and Signal Processing, Springer Verlag 1989. 4 沈建锋，王宗欣. 智能天线中新的波束形成方法J. 电子学报，2004,3:p373-376.5Said E.El-Khamy, Spatial Path Separation and Path Diversity in 3G Multimedia Mobile Communication Using Intelligent Pre-Rake Processing in
26、MISO channels, IEEE National Radio Science Conference, 2008(3):1-10(C49)6 GEORGE L.TURIN, Introduction to Spread-Spectrum Antimultipath Techniques and Their Application to Urban Digital Radio PROCEEDINGS OF THE IEEE,VOL.68,NO.3,MARCH 1980:328-3537 Nazli Guney, Hakan Delic, Transmitter-Receiver Rake
27、Diversity Combining for Ultra-Wideband Communications, IEEE 20078 Said E.El-Khamy, Khalid S.Ba-Hajjaj, Spatial Path Separation and Path Diversity in 3G Multimedia Mobile Communications Using Intelligent Pre-Rake Processing in MISO channels, 25th NATIONAL RADIO SCIENCE CONFERENCE(NRSC 2008) March 18-
28、20,2008:C49 1-109 Boris D.Andreev, Edward L.Titlebaum, Eby G.Friedman, LOW POWER FLEXIBLE RAKE RECEIVERS FOR WCDMA, ISCAS 2004,2004 IEEE:IV-97-IV-10010 赵军辉,王东明,尤肖虎.CDMA 系统中一种改进的 Rake接收机算法研究J.应用科学学报,2004(3):298302.11 Athanasios Doukas, Georgios Panitsas, Christos Masouros, Grigorios Kalivas, Low Comp
29、lexity Rake Receiver and Channel Estimator Implementation for DSS-CDMA Systems, IEEE Ninth International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications 2006,IEEE 2006 31-35 12 Ratnam V.Raja Kumar, Amit Kumar, Development of a CDMA System with Rake Receiver for the Third Generation Wireless Communication Systems,ICPWC2002, IEEE 2002:309-313
