通信專業(yè)畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在移動通信中，由于城市建筑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，即移動通信信道是一種多徑衰落信道，使接收信號出現起伏升落，影響移動通信系統(tǒng)的通信質量。在CDMA系統(tǒng)中，RAKE接收是十分有效抗多徑衰落的方法，所謂的RAKE接收技術就是分別對接收每一路的信號進行解調，然后疊加輸出達到增強接收效果的目的，在這里多徑信

2、號不僅不是一個不利因素，而且在CDMA系統(tǒng)變成一個可供利用的有利因素。本文重點闡述了RAKE接收技術。</p><p>　　由于移動通信環(huán)境的復雜和手機的不斷運動，接收到的信號往往是多個反射波的疊加，會形成多徑衰落。CDMA系統(tǒng)采用特有的瑞克(RAKE)接收技術分別接收每一路的信號進行解調，這樣不但克服了多徑衰弱對通信帶來的影響，還有效增加了接收有用信號的功率(或者說等效增加了發(fā)射信號的功率)。另外，CDMA系統(tǒng)

3、還采用其它的分集技術，如空間分集、時間分集等，進一步提高了系統(tǒng)的性能。</p><p>　　本文首先從微波信道的多徑傳輸所造成的多徑干擾，指出了克服多徑干擾的措施——采用RAKE接收技術。接著介紹了RAKE接收機的原理，然后重點闡述了CDMA系統(tǒng)的RAKE接收系統(tǒng)模型和實現方法。</p><p>　　本課題主要內容是研究和解決移動通信信道的多徑衰落信道問題，如何主動的利用信號設計技術，將多

4、徑衰落信道分散的信號能量更為有效的收集起來，來克服多徑傳輸所造成的干擾。</p><p>　　本文的意義就是使用RAKE接收技術，就是分別接收每一路的信、號進行解調，然后疊加輸出達到增強接收效果的目的，這里多徑信號不僅不是一個不利因素，而且變成一個可供利用的有利因素。這是CDMA移動通信系統(tǒng)可以獲得較高的通信質量的技術保證。利用信號設計技術，將多徑衰落信道分散的信號能量更為有效的收集起來，來克服多徑傳輸所造成的干

5、擾.</p><p>　　關鍵詞：CDMA系統(tǒng) RAKE接收機 多徑衰落</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In mobile communication system，due to electronic wave is subject to the city building and te

6、rrain，it’s 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 c

7、orrespond 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 receiv</p><p>　　Because o

8、f 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 rec

9、eived 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 incre

10、ase the launch power of signal).In addition，CDMA sy</p><p>　　From the glitch of various routes transmitting of microwave，the article points out. The measure to conquer route transmitting-adopt“RAKE”technique

11、. this article commends the principle of the RAKE receiver，then focus on Pattern and achievement of RAKE receive of CDMA system.</p><p>　　The main contents of this issue is to study and solve the mobile comm

12、unication 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 t

13、ransmission interference.</p><p>　　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 sup

14、erimposed 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 hi

15、gher quality of communication technology to ensure that. The use of signal design technology, multi-path fad</p><p>　　Key Words： CDMA system； RAKE receiver； various declined channels</p><p><

16、b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 前 言1</b></p><p>　　1.1 CDMA系統(tǒng)簡介2</p><p>　　1.1.1 CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)的基本原理4</p><p>　　1.1.2 CDMA移動通信網的關鍵技術5</p><p>

17、;　　1.1.3 CDMA系統(tǒng)的主要優(yōu)點6</p><p>　　1.2 主要研究內容8</p><p>　　2 微波信道的多徑傳輸9</p><p>　　2.1 一般概念9</p><p>　　2.2 多徑傳輸給碼元傳輸帶來的影響10</p><p>　　2.3 克服多徑傳輸造成的衰落的措施12<

18、/p><p>　　3 RAKE接收機原理17</p><p>　　3.1 一般概念17</p><p>　　3.1.1 空間分集17</p><p>　　3.1.2 頻率分集18</p><p>　　3.1.3 時間分集18</p><p>　　3.2 RAKE接收的基本原理19<

19、;/p><p>　　3.2.1 移動通信中傳播的多徑效應19</p><p>　　3.2.2 RAKE接收用信號矢量的直觀表示20</p><p>　　3.2.3 有效利用時延功率譜21</p><p>　　3.3 基站RAKE接收系統(tǒng)模型21</p><p>　　3.3.1 RAKE接收總體結構框圖21<

20、/p><p>　　3.3.2 RAKE接收核心部件為數據解調器與搜索跟蹤器23</p><p>　　3.4 移動臺RAKE接收系統(tǒng)模型25</p><p>　　4 CDMA系統(tǒng)RAKE接收原理26</p><p>　　4.1 一般概念26</p><p>　　4.2 理論基礎分析27</p>&l

21、t;p>　　4.3 系統(tǒng)模型28</p><p>　　4.3.1 前向信道RAKE接收機的模型28</p><p>　　4.3.2 反向RAKE接收機的組成30</p><p>　　4.4 實現RAKE接收原理框圖31</p><p><b>　　5 結論36</b></p><p&

22、gt;<b>　　致謝37</b></p><p><b>　　參考文獻38</b></p><p><b>　　1 前 言</b></p><p>　　碼分多址（ Code-Division Multiple-Access ， CDMA）是一種以擴頻通信為基礎的載波調制和多址連接技術。具有廣闊

23、的發(fā)展前景，目前已成為世界許多國家研究開發(fā)的熱點。</p><p>　　CDMA具有許多獨特的優(yōu)點，其中一部分是擴頻通信系統(tǒng)所固有的，另一部分則是由RAKE接收技術、軟切換和功率控制等技術所帶來的。CDMA移動通信網是由擴頻、多址接入、蜂窩組網和頻率再用等幾種技術結合而成，含有頻域、時域和碼域三維信號處理的一種協(xié)作，因此它具有抗干擾性好，抗多徑衰落，保密安全性高，同頻率可在多個小區(qū)內重復使用，所要求的載干比(C/

24、I)小于1，容量和質量之間可做權衡取舍等屬性。這些屬性使CDMA系統(tǒng)比其它系統(tǒng)有非常重要的優(yōu)勢。在理論上，CDMA移動網的系統(tǒng)容量要比模擬網的系統(tǒng)容量大20倍，實際上CDMA移動網的系統(tǒng)容量要比模擬網的系統(tǒng)容量大10倍；比GSM要大4~5倍。</p><p>　　CDMA移動通信系統(tǒng)是一個自擾系統(tǒng)，所有移動用戶都占用相同帶寬和頻率，聲碼器可以動態(tài)地調整數據傳輸速率，并根據適當的門限值選擇不同的電平級發(fā)射，同時門限

25、值根據背景噪聲的情況改變而改變，這樣即使在背景噪聲較大的情況下，也可以得到較好的通話質量。另外在CDMA移動通信系統(tǒng)中采用了有效的功率控制、強糾錯能力的信道編碼、以及多種形式的分集技術(如RAKE接收技術)以及軟切換技術等，所以CDMA移動通信系統(tǒng)通信容量大、可以獲得優(yōu)良的話音質量，因此也引起了人們廣泛的關注，CDMA移動通信系統(tǒng)之所以引起了人們廣泛的關注，是由于在CDMA移動通信系統(tǒng)中采取了有效的措施，來克服信號由于傳播的移動、散射和

26、衰落而導致復雜的通信環(huán)境。另外在移動通信中，移動臺與基站之間的復雜環(huán)境，到達接收信號不會是一條路徑來的信號，而是多徑合成信號。對于采用其他技術的移動通信系統(tǒng)，只能采用復雜的抵抗技術來減少影響。而對于CDMA移動通信系統(tǒng)，只要路徑之間的時延差大于一個PN碼片寬度，就可以采用RAKE接收技術克服其影響。</p><p>　　所謂的RAKE接收技術就是分別接收每一路的信號進行解調，然后疊加輸出達到增強接收效果的目的，這

27、里多徑信號不僅不是一個不利因素，而且變成一個可供利用的有利因素。這是CDMA移動通信系統(tǒng)可以獲得較高的通信質量的技術保證。</p><p>　　1.1 CDMA系統(tǒng)簡介</p><p>　　第二次世界大戰(zhàn)期間，因戰(zhàn)爭的需要而研究開發(fā)出CDMA（Code-Division Multiple-Access）技術，其思想初衷是防止敵方對己方通訊的干擾，被廣泛應用于軍事抗干擾通信和軍事保密。八十年

28、代以來，隨著集成電路和計算機技術的迅速發(fā)展，碼分多址擴頻技術越來越多地被用于民用通信系統(tǒng)。其中有代表性的就是九十年代由美國Qualcomm（高通）公司研制的IS-95碼分多址數字移動通信系統(tǒng)。CDMA技術理論上的諸多優(yōu)勢在實踐中得到了檢驗，從而在北美、南美和亞洲等地得到了迅速推廣和應用。</p><p>　　早期的移動通信系統(tǒng)是信息模擬調頻頻分多址方式(FM-FDMA) ，這種系統(tǒng)沿用至今。九十年代初，由歐洲開發(fā)

29、研制的數字調制時分多址(GMSK-TDMA)移動通信系統(tǒng)GSM（Global system for Mobile communications）被看作是新一代移動通信的代表。而Qualcomm公司的CDMA數字移動通信系統(tǒng)被認為是第三代移動通信的代表。</p><p>　　最主要的3種都是采用CDMA技術：WCDMA：歐洲、日本。CDMA2000：美國。TD—SCDMA：中國。在現在的3G時代，中國移動取得TD—

30、SCDMA的牌照，中國電信取得是CDMA2000的牌照，中國聯通取得的是WCDMA牌照。</p><p>　　碼分多址是一種以擴頻通信為基礎的載波調制和多址連接技術。具有廣闊的發(fā)展前景，目前已成為世界許多國家研究開發(fā)的熱點。</p><p>　　所有用戶使用同一頻帶，在同一時間傳送信號，其信號分割是利用不同用戶信號地址碼波形之間的正交性或準正交性來實現的。碼分多址系統(tǒng)采用擴頻調制信號，其頻

31、帶寬度比信息信號的頻帶寬度大得多（幾十倍幾百倍甚至上千倍以上）。擴頻信號的功率譜密度極低，具有很好的隱蔽性和很強的抗多種干擾的能力，例如抗瞄準式干擾、多徑干擾等。CDMA技術除已應用于移動通信外，在數據傳輸、衛(wèi)星通信以及遙控遙測、空間通信等許多領域也得到越來越廣泛的應用。</p><p>　　CDMA技術是邁向未來電信網絡的最佳頻譜路徑，并被ITU確定為第三代通信系統(tǒng)的主要技術。與目前GSM采用的TDMA技術相比

32、具有許多獨特的優(yōu)點，能更好的適應無線通信的新需求。由于采用了擴頻信號，系統(tǒng)具有很強的抗多種干擾的能力，特別是具有抗多徑干擾的能力；擴頻信號的功率譜密度很低，即在單位帶寬中的功率很小，對于一般非擴頻通信系統(tǒng)幾乎不構成干擾，因此可以與其共用同一頻段，從而提高頻帶利用率；由于所有用戶使用同一載波頻率，不存在交調干擾，可充分地利用頻率資源；可以采用分離多徑技術，提高抗多徑干擾的能力；利用現代計算機與數字電路技術可以較容易地實現多種地址碼的產生、

33、變換等，并容易與計算機聯接實現控制與變換。</p><p>　　與FDMA和TDMA相比，CDMA具有許多獨特的優(yōu)點，其中一部分是擴頻通信系統(tǒng)所固有的，另一部分則是由RAKE接收技術、軟切換和功率控制等技術所帶來的。CDMA移動通信網是由擴頻、多址接入、蜂窩組網和頻率再用等幾種技術結合而成，含有頻域、時域和碼域三維信號處理的一種協(xié)作，因此它具有抗干擾性好，抗多徑衰落，保密安全性高，同頻率可在多個小區(qū)內重復使用，所

34、要求的載干比(C/I)小于1，容量和質量之間可做權衡取舍等屬性。這些屬性使CDMA系統(tǒng)比其它系統(tǒng)有非常重要的優(yōu)勢。在理論上，CDMA移動網的系統(tǒng)容量要比模擬網的系統(tǒng)容量大20倍，實際上CDMA移動網的系統(tǒng)容量要比模擬網的系統(tǒng)容量大10倍；比GSM要大4~5倍。CDMA移動通信系統(tǒng)話音質量很高，聲碼器可以動態(tài)地調整數據傳輸速率，并根據適當的門限值選擇不同的電平級發(fā)射。同時門限值根據背景噪聲的改變而改變，這樣即使在背景噪聲較大的情況下，也可

35、以得到較好的通話質量。另外CDMA系統(tǒng)采用軟切換技術，“先連接再斷開”，這樣完全克服了硬切換容易掉話的缺點。而且在接收端采用了RAKE接收技術將多徑衰落信道分散的信號能量更為有效的收集起來，來克服多徑傳輸所造</p><p>　　1.1.1 CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)是一種以擴頻通信為基礎的調制和多址連接技術。擴頻通信（ Spread

36、Spectrum Communications ）：即擴展頻譜通信，將基帶信號的頻譜擴展至很寬的頻帶上，然后再進行傳輸。具體就是：需傳送的具有一定信號帶寬的信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼（擴頻序列：Spreading Sequence）進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發(fā)送出去。接收端則使用完全相同的偽隨機碼進行解調及相關處理，把寬帶信號恢復成原始信息數據的窄帶信號，以實現信息通信。擴頻通信技術在信號發(fā)

37、送端用高速偽隨機碼與數字信號相乘，由于偽隨機碼的速率比數字信號的速率大得多，因而擴展了信息傳輸帶寬。在接收端，用相同的偽隨機序列與接收信號相乘，進行相關運算，然后將擴頻信號解擴。擴頻通信具有隱蔽性、保密性、抗干擾等優(yōu)點。CDMA擴頻通信系統(tǒng)的原理示意圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 CDMA擴頻通信系統(tǒng)原理示意圖</p><p>　　擴頻通信系統(tǒng)中采用的偽隨機碼常常采用m序

38、列，這是因為m序列具有容易產生和自相關特性優(yōu)良的優(yōu)點。其歸一化自相關函數只有1和-1/K兩個值，K是m序列長度。所以，只有在收發(fā)端偽隨機序列相位相同時才能恢復發(fā)送信號。</p><p>　　碼分多址技術就是利用了這一點，可以采用不同相位的相同m序列作為多址通信的地址碼。由于m序列的自相關特性與長度有關，因此，作為地址碼，其長度應盡可能長，以供更多用戶使用，同時可以獲得更高的處理增益和保密性，但是又不能太長，否則電

39、路復雜，而且也不利于快速捕獲與跟蹤。</p><p>　　1.1.2 CDMA移動通信網的關鍵技術</p><p><b>　　(1)功率控制技術</b></p><p>　　功率控制技術是CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)的核心技術。CDMA系統(tǒng)功率控制分為正向功率控制(正向鏈路的功率控制)和反向功率控制(反向鏈路的功率控制)。反向功率控制就是控制各

40、移動臺發(fā)射功率的大小。正向功率控制是調整基站向移動臺發(fā)射的功率。</p><p>　　CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)是一個自擾系統(tǒng)，所有移動用戶都占用相同帶寬和頻率，“遠近效應”問題特別突出。CDMA功率控制的目的就是克服“遠近效應”，使系統(tǒng)既能保證高質量通信，又不對其他用戶產生干擾。</p><p>　?、俜聪蜷_環(huán)功率控制：</p><p>　　它是移動臺根據在小區(qū)中接

41、收功率的變化，調節(jié)移動臺發(fā)射功率，以達到所有移動臺發(fā)出的信號在基站時都有相同的功率。它主要是為了補償陰影、拐彎等效應，所以它有一個很大的動態(tài)范圍，根據1S—95標準，它至少應該達到正負32dB的動態(tài)范圍。</p><p>　?、诜聪蜷]環(huán)功率控制：</p><p>　　閉環(huán)功率控制的設計目標是使基站對移動臺的開環(huán)功率估計迅速做出糾正，以使移動臺保持最理想的發(fā)射功率。</p>&

42、lt;p><b>　?、矍跋蚬β士刂疲?lt;/b></p><p>　　在前向功率控制中，基站根據測量結果調整每個移動臺的發(fā)射功率，其目的是對路徑衰落小的移動臺分派較小的前向鏈路功率，而對那些遠離基站的和誤碼率較高的移動臺分派較大的前向鏈路功率。</p><p><b>　　(2)PN碼技術</b></p><p>　　

43、PN碼的選擇直接影響到CDMA系統(tǒng)的容量、抗干擾能力、接入和切換速度等性能。CDMA系統(tǒng)的信道的區(qū)分是靠PN碼來進行的，因而要求PN碼自相關性要好，互相關性要弱，實現和編碼方案簡單等。目前的CDMA系統(tǒng)就是采用一種基本的PN序列—m序列作為地址碼，利用它的不同相位來區(qū)分不同用戶。</p><p>　　(3)RAKE接收技術</p><p>　　發(fā)射機發(fā)出的擴頻信號，在傳輸過程中受到不同建筑

44、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定的時延，則在接收端可將不同的波束區(qū)別開來。將這些不同波束分別經過不同的延遲線，對齊以及合并在一起，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。</p><p><b>　　(4)軟切換技術</b></p><p&

45、gt;　　所謂軟切換是指當移動臺需要切換時，先與新的基站連通再與原基站切斷聯系，而不是先切斷與原基站的聯系再與新的基站連通。由于在CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)中，移動臺采用了獨特的RAKE接收技術，可以同時接收兩個或兩個以上基站發(fā)來的信號，從而保證了CDMA系統(tǒng)能夠實現軟切換。軟切換的引入大大地改善了切換的性能，消除了切換過程中通信的中斷、小區(qū)邊界處的“乒乓效應”以及切換引入的噪聲?？捎行У奶岣咔袚Q的可靠性，保證了通信質量。 </p&

46、gt;<p><b>　　(5)話音編碼技術</b></p><p>　　目前CDMA系統(tǒng)的話音編碼主要有兩種，即碼激勵線性預測編碼(CELP)8kbit/s和13kbit/s。8kbit/s的話音編碼達到GSM系統(tǒng)的13kbit/s的話音水平甚至更好。13kbit/s的話音編碼已達到有線長途話音水平。 </p><p>　　1.1.3 CDMA系統(tǒng)的

47、主要優(yōu)點</p><p>　　(1)頻譜利用率高，系統(tǒng)容量大</p><p>　　理論上，在使用相同頻率資源的情況下，CDMA移動網比模擬網容量大20倍，實際使用中比模擬網大10倍，比GSM要大4-5倍。 頻譜利用率高，容量大的直接好處：一是大大節(jié)省寶貴的頻譜資源，二是滿足城市內高話務密度的需要，減少網絡擁塞，三是減少基站數量，使網絡的擴容變得簡單，易實施。</p><

48、p><b>　　(2)覆蓋范圍大</b></p><p>　　CDMA的無線鏈路預算比GSM多3~6dB。正常情況下，CDMA的小區(qū)半徑可達60公里，在采用了特殊技術手段后，半徑可達200多公里 (澳洲電信的CDMA網絡中就有一個覆蓋半徑超過200公里的基站) 。而GSM系統(tǒng)基站半徑最大不得超過35公里。 </p><p>　　覆蓋范圍的擴大所帶來的直接優(yōu)點是基

49、站數量減少，基站選址容易。更為重要的是，基站數量的減少將大大降低網絡配套電信設施如機房、供電、傳輸等的投入，加快建設速度。也適用于話務量較低、要求覆蓋的地域又相當廣的邊遠城鎮(zhèn)和農村地區(qū)。</p><p>　　(3)話音品質好，保密性強 </p><p>　　TDMA的信道結構不能支持8Kb以上的語音編碼器，而CDMA的結構可以支持13kb的語音編碼器，因此可以提供更好的通話質量。由于CDM

50、A采用了偽隨機序列進行擴頻/解擴，在CDMA 8K EVRC話音編碼時處理增益達21dB，話音品質相當好。經試驗，其話音質量不僅明顯優(yōu)于GSM、模擬，可以與固網的話音質量相比擬，而且在強背景噪聲環(huán)境下，還優(yōu)于固網電話。CDMA擴頻通信技術使通信具有天然的保密性，其消息在空中信道上被截獲的概率很小。</p><p><b>　　(4)掉話率低 </b></p><p>

51、　　統(tǒng)計表明，切換失敗是引起掉話的最主要原因。TDMA采用一種硬移交的方式，間斷尤為明顯，CDMA系統(tǒng)“掉話”的現象明顯減少，因為采用了軟切換技術，“先連接再斷開”，這樣完全克服了硬切換容易掉話的缺點，使得切換的成功率遠遠高于模擬等硬切換蜂窩系統(tǒng)。</p><p>　　(5)可提供數據業(yè)務 </p><p>　　在數據通信方面，CDMA傳送單位比特的成本比GSM低，因此更適合作為無線高速分

52、組數據業(yè)務的接入手段，為移動/無線與Internet的融合提供了更好的技術條件。（有關統(tǒng)計資料顯示，全球移動話音業(yè)務的增長速度趨緩，移動數據業(yè)務的增勢迅猛。）</p><p>　　(6)CDMA手機符合環(huán)保的要求 </p><p>　　CDMA手機的發(fā)射功率小，低的發(fā)射功率既對人體的輻射小、有“綠色手機”的美譽，還可延長手機電池的待機、通話時間。并且，隨著基站數量的增多，發(fā)射功率會越來越小

53、，這方面的優(yōu)勢也就越來越明顯。 </p><p>　　1.2 主要研究內容</p><p>　　本課題主要內容是研究和解決移動通信信道的多徑衰落信道問題，如何主動的利用信號設計技術，將多徑衰落信道分散的信號能量更為有效的收集起來，來克服多徑傳輸所造成的干擾。</p><p>　　先第一章介紹CDMA系統(tǒng)，第二章介紹從微波信道入手介紹了基本概念，簡述多徑傳輸的給碼元傳

54、輸帶來的影響以及克服多徑傳輸造成衰落的措施。第三章介紹了RAKE接收機原理，從分集方面切入，介紹基本原理RAKE接收模型，第四章主要講述CDMA系統(tǒng)中RAKE接收原理，也是從理論基礎進行分析，介紹了前向信道RAKE接收機的模型和反向RAKE接收機的組成，下面就是實現RAKE接收原理框圖。最后一個章是對RAKE接收技術進行的歸納。</p><p>　　2 微波信道的多徑傳輸</p><p>

55、;<b>　　2.1 一般概念</b></p><p>　　微波的傳播與光波相類似，在傳輸的路徑上沒有阻擋時，是一種“視距”傳播，即直線傳播。對微波傳播空間而言，直線傳播條件為自由空間。所謂自由空間乃是指充滿均勻理想介質的無限空間。在這個空間里電波不受阻擋、反射、折射、繞射、散射和吸收等影響。理想介質和相對介電常數和相對導磁率等于1。實際微波通信的電波并非在理想的自由空間中傳播，而是在低層大

56、氣中傳播的。因此，電波不僅受到地球曲率的影響，而且還會受到上述諸多因素的影響，形成微波信道的直射波、多徑反射波、繞射波、散射波等多徑傳輸。</p><p>　　直射波：它是指在視距覆蓋區(qū)內無遮擋的傳播，直射波傳播的信號最強。</p><p>　　多徑反射波：指從不同建筑物或其它物體反射后到達接收點的傳播信號，其信號強度次之。</p><p>　　繞射波：從較大的山丘

57、或建筑物繞射后到達接收點的傳播信號，其強度與反射波相當。</p><p>　　散射波：由空氣中離子受激后二次發(fā)射所引起的慢反射后到達接收的傳播信號，其信號強度最弱。</p><p>　　由于上述傳播的特點，所以對接收點的信號將會產生如下的后果，即在傳播上產生三類不同的損耗和三種效應。</p><p>　　(1)三類不同的損耗</p><p>

58、　?、俾窂絺鞑p耗：又稱為衰耗，它是指電波在空間傳播所產生的損耗，它反映了傳播在宏觀大范圍(即公里量級)的空間距離上的接收信號電平平均值的變化趨勢。</p><p>　?、诼ヂ鋼p耗：它是由于在電波傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產生的陰影效應而產生的損耗。它反映了中等范圍內數百波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，一般遵從對數正態(tài)分布，其變化率較慢又稱慢衰落。</p><p>　　

59、③快衰落損耗：它主要是由于多徑傳播而產生的衰落，它反映了微觀小范圍內數十波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，一般遵從Rayleigh(瑞利)分布或Rician(萊斯)分布，其變化率比慢衰落快，故稱它為快衰落，仔細劃分快衰落又可以分為以下三類：空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落與時間選擇性衰落所謂選擇性是指在不同的空間，不同的頻率和不同的時間其衰落特性是不一樣的。</p><p><b>　　(2)三種效

60、應：</b></p><p>　?、訇幱靶?由大型建筑物和其它物體的阻擋而形成在傳播接收區(qū)域上的半盲區(qū)。</p><p>　?、谶h近效應：由于接收用戶的隨機移動性，移動用戶與基站間的距離也是在隨機地變化，離基站近信號強，如各移動用戶發(fā)射功率一樣，那么到達基站的信號強弱不同，離基站遠信號弱通信系統(tǒng)的非線性則進一步加重出現強者更強、弱者更弱和以強壓弱的現象，通常稱這類現象為遠近

61、效應。</p><p>　?、鄱嗥绽招核怯捎诮邮盏囊苿佑脩舾咚龠\動而引起傳播頻率的擴散而引起的，其擴散程度與用戶運動速度成正比。</p><p>　　2.2 多徑傳輸給碼元傳輸帶來的影響</p><p>　　信號經不同建筑物或其它物體反射后到達接收點的傳播，就是微波信道的多徑傳輸，由此產生的損耗稱之為快衰落損耗，它主要是由于多徑傳播而產生的衰落，它反映了微觀小

62、范圍內數十波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，一般遵從Rayleigh(瑞利)分布或 Rician (萊斯)分布，其變化率比慢衰落快，故稱它為快衰落，仔細劃分快衰落又可劃分為以下三類：空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落與時間選擇性衰落。</p><p>　　(1)空間選擇性衰落：即在不同地點(空間)衰落特性不一樣，一般它又稱為平滑瑞利衰落，由于天線點波束的擴散，引起了空間選擇性衰落，周期為，其中λ為波長。 <

63、;/p><p>　　(2)頻率選擇性衰落：即在不同的頻率衰落特性不一樣，由于時延擴散引起了頻率選擇性衰落，其衰落周期為=1/L,即與相對時延擴散成正比。</p><p>　　(3)時間選擇性衰落：即在不同的時間衰落特性不一樣，由于變速移動引起的頻率擴散，在接收點波形產生了時間選擇性衰落。其衰落周期為： 。</p><p>　　在實際的移動通信中，這三類選擇性衰落都存在，

64、它們的形成原因均是以多徑傳播所引起的，根據其產生條件大致可劃分為以下三類：</p><p>　　①第一類多徑干擾：是由于快速移動用戶附近物體的反射而形成的干擾信號，其特點是在信號頻域上產生Doppler(多普勒)擴散而引起的時間選擇性衰落。</p><p>　?、诘诙惗鄰礁蓴_：它是由遠處山丘與高大建筑物反射而形成的干擾信號，其特點是信號在時域和空間角度上產生了擴散，從而引起相對應的頻率選

65、擇性衰落和空間選擇性衰落。</p><p>　　③第三類多徑干擾：由基站附近的建筑物和其它物體的反射而形成的干擾信號，其特點是嚴重影響到達天線的信號入射角分布，從而引起空間選擇性衰落。圖2-5為三類多徑干擾傳播示意圖。</p><p>　　圖2-5三類多徑干擾傳播示意圖</p><p>　　表2.1為在典型地理環(huán)境下，多徑衰落在時域、頻域和空間上產生的典型擴散值&l

66、t;/p><p>　　信號的多徑傳輸造成了空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落與時間選擇性衰落，針對這種情況，應采取相應的措施來克服這三類選擇性衰落所造成的影響。</p><p>　　2.3 克服多徑傳輸造成的衰落的措施</p><p>　　信號經不同建筑物或其它物體反射后到達接收點的傳播，就是微波信道的多徑傳輸，由此產生的損耗稱之為快衰落損耗，它反映了微觀小范圍內數十波長量

67、級接收電平的均值變化而產生的損耗，一般遵從Rayleigh(瑞利)分布或Rician(萊斯)分布，其變化率比慢衰落快，故稱它為快衰落，仔細劃分快衰落又可劃分為空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落與時間選擇性衰落。為了尋找理想的措施來克服多徑傳輸造成的衰落影響，我們首先要研究多徑干擾(快衰落)信道數學模型。為了簡化問題的分析，先不考慮空間域，而僅考慮時頻域兩維情況，描述它的數學模型很多，其中最常用的是一類線性時變信道模型，即</p>

68、<p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中：： 表示到達的多徑的徑數；</p><p>　?。罕硎镜贚條路徑的信號幅度</p><p>　　：表示第L條路徑相對第一條路經(t=0)的時延；</p><p>　　：表示第L條路徑的信號相位。</p><p>　　為

69、了分析簡便，有時往往可以將上述時變參量進一步等效看成時不變的，這時</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　應用中心極限定理，可以將公式(2.1)中h(t，)看成一個時變的復高斯過程，當其過程具有零均值時，在任一瞬間t，包絡的值是瑞利分布，其概率密度函數為</p><p><b>　?。?.3）</b

70、></p><p>　　其中為信號包絡的均值。</p><p>　　當移動用戶與基站之間存在直射波信號時，信道衰落遵從萊斯分布，其概率密度函數為h(t，)的均值不再為0，此時信道衰落遵從萊斯分布，其概率密度函數為</p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　其中： 直射波信號幅度；</

71、p><p>　　為零階修正Bessel函數。</p><p>　　實際移動信道的多徑干擾，應該將空域也考慮進去，這時信道數學分析將進一步復雜化。為了簡化問題的分析，在物理上將移動信道看成具有不同延時、不同頻移ν和不同角度Φ的無限條傳播途徑的總和稱它為符合不相關的點散模型，它可以引用一個三維的功率譜擴散函數來描述，若信道滿足廣義平穩(wěn)性，則下述結論成立</p><p>&l

72、t;b>　　(2.5)</b></p><p>　　上式表示，三維相關函數與三維功率譜密度擴散函數p(ξ，ν，φ) 是一傅氏變換對。而三維擴散函數 p(ξ，ν，φ) 是表示接收到的信號通過隨機移動信道以后，能量在時域、頻域和角度空間域的擴散程度。為了簡化分析，作為一階近似，可將三維擴散程度分別定義為相應的等效擴散值，即在時間域上定義等效擴散區(qū)間為L，在多普勒頻移域ν上定義等效擴散區(qū)間為B，在入射

73、角域φ上定義等效擴散區(qū)間為ψ，這時三維功率擴散函數可以等效為一個有限的三維體積即</p><p>　　當||，||，|| (2.6)</p><p>　?。啊　　　　　　　　∑渌?lt;/p><p><b>　　由歸一化條件</b></p><p><b>　　(2.7)</b&g

74、t;</p><p>　　則可分別求得各自等效區(qū)間L，B，與的值：</p><p><b>　　由</b></p><p>　　求得 　　　　　　　　　 (2.8)</p><p><b>　　由　　　　</b></p><p&

75、gt;　　求得 　　　　　　　　　　　　 (2.9)</p><p><b>　　由　　　</b></p><p>　　求得 　　　　　　　　　　　　 (2.10)</p><p>　　同理，三維廣義相關函數以等效為一個有限的三維體積，即</p><p

76、>　　當||，||，|| (2.11)</p><p>　?。啊　　　　　　　　　　　　∑渌?lt;/p><p><b>　　再由歸一化條件：</b></p><p>　　(2.12)　　　　　　　　 分別各自求得等效相關區(qū)間F，T，R值：</p><p><b&g

77、t;　　由　　</b></p><p>　　求得 (2.13)</p><p><b>　　由　　　</b></p><p>　　求得　　 (2.14)</p>&l

78、t;p><b>　　由　　　</b></p><p>　　求得 　 (2.15)</p><p>　　再由公式(2.5)和上述擴散函數與相關函數的定義，很容易求得</p><p><b>　　T=1/B</b></p><p

79、>　　F=l/L (2.16)</p><p><b>　　R=λ/ψ</b></p><p>　　這就是要研究的克服三類選擇性衰落(時間、頻率、空間)的基本依據。為了基本上克服三類選擇性衰落，可以分別采用不同的手段。為了克服空間選擇性衰落，可采用空間分集手段，但是分集接收機間的距離要滿足大于3倍波長的基本條件；為了克服

80、頻率選擇性衰落，可采用RAKE接收方式，但是在設計RAKE接收時，必須滿足其頻率相關區(qū)間一定要大于200kHz，才有多徑分集效果；為了克服時間選擇性衰落，可采用信道交織技術，但交織區(qū)間一定要大于83μs。</p><p>　　以前分集技術只是研究如何將客觀的多徑衰落信道分散的信號能量有效的收集起來的措施，而在CDMA系統(tǒng)中的分集技術正是研究如何主動的利用信號設計技術，能將多徑衰落信道分散的信號能量更為有效的收集起

81、來，即在接收端采用新的接收技術——RAKE接收。</p><p>　　3 RAKE接收機原理</p><p><b>　　3.1 一般概念</b></p><p>　　分集技術是一項主要的抗衰落技術，它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性。其中空間分集早期已成功的應用于模擬短波通信中。</p><p>　　分集技術是

82、研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸的可靠性。它也是一項研究利用信號的基本參量在時域、頻域及空域中，如何分散開又如何收集起來的技術?！胺帧迸c“集”是一對矛盾。從一開始研究如何將客觀的多徑衰落信道分散的信號能量有效的收集起來的措施，到今天如何主動的利用信號設計技術，能將多徑衰落信道分散的信號能量更為有效的收集起來，這些都是分集技術所要研究的內容。為了在接收端得到幾乎互相獨立的不同路徑，可以通過空域、頻域和時域的不同角度、不同的

83、方法與措施來加以實現。其中最基本的有如下幾種：</p><p>　　3.1.1 空間分集</p><p>　　利用不同接收地點(空間)收到的信號衰落的獨立性，實現抗衰落的功能。空間分集的基本結構為：發(fā)送端一副天線發(fā)送，接收端N部天線接收，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1空間分集示意圖</p><p>　　接收天線之間距離為d，分

84、集天線數N越大，分集效果愈好，但是不分集與分集差異較大，屬于質變。分集增益正比于分集的數量N，其改善是有限的，屬于量變，且改善程度隨分集數量N的增加而逐步減小。在工程上，要在性能與復雜性間作折衷，一般取N=2~4。</p><p>　　3.1.2 頻率分集</p><p>　　將待發(fā)送的信息，分別調制在不同的載波上發(fā)送至信道，只要不同的載波之間的間距足夠大，載波間大于△f頻率相關帶寬F，即

85、</p><p><b>　　f ≧F=1/L</b></p><p>　　其中L為接收信號時延功率譜的寬度。</p><p>　　頻率分集的載波間隔大于200kHz。頻率分集與空間分集相比，其優(yōu)點是減少了接收天線與相應設備的數目；缺點是要占用更多的頻譜資源，并且在發(fā)送端有可能需要采用多部發(fā)射機。</p><p>　　3

86、.1.3 時間分集</p><p>　　對于一個隨機衰落的信號，當取樣時間間隔足夠大時，兩個取樣點間的衰落是互不相關的，利用這一特性可以構成時間分集。將待發(fā)送的信號每隔一定時間間隔(大于時間相關區(qū)域△T)重復發(fā)送，在接收端可以得到N條獨立的分集支路。在時域上時間間隔△t應大于時域相關區(qū)間T，即</p><p><b>　　t≧T=1/B</b></p>

87、<p>　　其中B為多普勒頻移的擴散區(qū)間，它與移動臺的運動速度成正比。可見時間分集處于靜止狀態(tài)的移動臺是無用的。時間分集與空間分集相比，其優(yōu)點是減少了接收線數目，缺點是要占用更多的時隙資源，從而降低了傳輸效率。</p><p>　　上述討論的空間分集、頻率分集等均屬顯分集，它明顯地采用多套設備在不同時間、不同頻率接收合并而成，故稱為顯分集。隨著科學技術的發(fā)展，分集技術的實方法也在不斷的更新。其中最有發(fā)展

88、前途的一種是利用信號設計技術將分集作用隱在被傳輸的信號之中，我們稱之為隱分集。本章將重點介紹多徑分集的RAKE接收技術——RAKE接收機原理。</p><p>　　一般的分集技術把多徑信號作為干擾來處理，而RAKE接收機采取變害為利，即利用多徑現象來增強信號。RAKE接收機包含多個相關器，每個相關器接收一個多路信號，利用多個并行相關器件檢測多徑信號，按照一定的準則合成一路信號供解調用的接收機，其原理框圖如圖3-2

89、所示。</p><p>　　圖３-２　RAKE接收機框圖</p><p>　　3.2 RAKE接收的基本原理</p><p>　　在移動通信中，為了便于移動站的使用，特別是手持終端，如手機等，移動站的天線通常采用無方向性的低增益天線，移動站接收來自各個方向的電磁波，并向各個方向發(fā)射電磁波，電波傳播路徑變得復雜和多途徑，通過不同路徑到達接收天線的信號，由于路徑不同造成

90、傳播時延的不同，各信號在接收天線處的相位不同，相同相位的信號互相疊加，使得信號得以加強，而相反相位的信號互相疊加，使得信號相互抵消。這種接收信號無規(guī)律的強弱起伏就是電波傳播中的衰落效應。對抗衰落效應的措施之一是信號的分集接收，如頻率分集、空間分集、時間分集、極化分集、多徑分集、和其他各種隱分集技術。其中的多徑分集在 CDMA系統(tǒng)中的實現方法就是RAKE接收機技術。由于在 CDMA系統(tǒng)中，信號的檢測是通 過檢測本地樣本信號與接收信號之間的

91、相關性的方式進行的，只要不同路徑信號之間的傳播時延差大于chip寬度Tc，就能通過信號相關性檢測把它們分辯出來，加以收集利用，RAKE接收機就是針對這一基本原理設計的。</p><p>　　3.2.1 移動通信中傳播的多徑效應</p><p>　　由于移動通信中傳播的多徑效應，引入接收信號時延功率譜的擴散，其中最典型的有兩類：</p><p>　　(l) 連續(xù)型時延

92、功率譜它一般出現在繁華市區(qū)，由密集建筑物反射而形成。連續(xù)型時延功率譜如圖3-3-1所示。</p><p>　　(2) 離散時延功率譜</p><p>　　在一般非繁華、非密集建筑群區(qū)，時延功率譜是離散的。其離散型時延功率譜如圖3-3-2所示。</p><p>　　圖3-3-1 連續(xù)型時延功率譜 圖3-3-2 離散型時延功率譜</p&g

93、t;<p>　　如何能設法將擴散的時延功率充分利用起來，這是工程設計者要重點研究的問題。它可以形象的用下列信號矢量來表示。</p><p>　　3.2.2 RAKE接收用信號矢量的直觀表示</p><p>　　(1)無RAKE接收時，多徑信號的矢量合成如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 多徑信號的矢量合成圖</p><p

94、>　　(2)采用RAKE接收后的合成矢量如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5利用RAKE接收（相干檢測）后的矢量合成圖</p><p>　　(3)由于用戶的隨機移動性，接收到的多徑分量的數量、大小(幅度)、時延、相位均為隨機量，因而合成矢量也是一個隨機量。但是若能通過RAKE接收，將各路徑分離開，相位校準，加以利用，則隨機的矢量和將可以變成比較穩(wěn)定的代數和而加以利用。當然這

95、一分離、處理和利用的設想是在宏觀分區(qū)域含義完成的，而不可能是針對所有實際傳播路徑而言的。</p><p>　　因此問題可歸結為如何才能設計出分離宏觀分區(qū)含義下的多徑。它屬于發(fā)送端信號的設計問題。</p><p>　　3.2.3 有效利用時延功率譜</p><p>　　利用寬頻帶的擴頻信號的相關理論，可以將上述連續(xù)或離散的時延功率譜擴散分量加以分離、處理，最后達到合并

96、起來加以有效的利用。</p><p>　　1．對上述時延功率譜的利用效率，決定于多徑時延寬度與多徑分離的能力，即能分離出多少路徑，而路徑的分辨率則取決于擴頻增益與擴頻帶寬。</p><p>　　2．對于IS-95，在城市繁華區(qū)多徑時延△τ≌5μs左右，而IS-95的擴頻信號帶寬為1.25MHz，頻率分集的載波間隔應大于200kHz。</p><p>　　3.3 基站

97、RAKE接收系統(tǒng)模型</p><p>　　3.3.1 RAKE接收總體結構框圖</p><p>　　RAKE接收的實現方法可以有多種方案，在這里結合IS-95，介紹RAKE接收的實現原理。由于在IS-95中下行(前向)鏈路是同步碼分，而上行（反向）是異步碼分，因此上、下行RAKE接收機結構也有所不同，下行RAKE接收為相干檢測，上行為非相干檢測。下面介紹上行基站非相干檢測RAKE接收。&l

98、t;/p><p>　　圖3-6 基站RAKE接收總體結構圖</p><p>　　(1)系統(tǒng)中每個蜂窩小區(qū)分為3個扇區(qū)，每個扇區(qū)有一個發(fā)射天線兩個接收天線，即采用空間分集，因此每個小區(qū)共有6個接收天線，即，，，， ，</p><p>　　(2)框圖中的時鐘產生單元：利用基站GPS收到標準偶秒(25)信號和本地19.6608MHz晶振產RAKE接收機所需的各類定時時鐘信號：

99、8倍PN碼時鐘、即80ms、PP 2s以及20ms幀定時等。</p><p>　　(3)信道板CPU控制單元：控制并協(xié)調發(fā)送、接收各單元的操作，搜索器的搜索結果也將送入CPU進行選擇、判斷，并將搜索到的4個最強路徑相位信息分別送入4個數據解調單元。</p><p>　　(4)地址譯碼單元：產生各個模塊所需要的偽碼地址信號。</p><p>　　(5)搜索單元：用于搜

100、索接收信號的偽碼(PN碼)相位，其作用是在3個扇區(qū)的6個接收信號源中搜索其中4個最強路徑進行數據解調，每個搜索器實際包含多個并行搜索單元。</p><p>　　(6)數據解調器：IS-95基站中有4個數據解調器，即RAKE接收機的4個“Finger”。用于對搜索器搜索到的4個強徑進行數據解調，并將解調結果輸出到路徑合并器進行合并，即實現分集合并過程。再進行解交織和維特比譯碼器進行譯碼。此外，每個解調器內還有一個單

101、元，即跟蹤回路用于對路徑的相位進行精調。</p><p>　　3.3.2 RAKE接收核心部件為數據解調器與搜索跟蹤器</p><p>　　(1) 數據解調結構</p><p>　　基站RAKE接收的數據解調器結構如圖3-7所示。從每小區(qū)6個接收天線，，，， ，接收到的射頻信號經過射頻解調降至零頻基帶信號，分為同相與正交I，Q兩路送入PN碼解擴與復相關器進行搜索。&

102、lt;/p><p><b>　　。</b></p><p>　　圖3-7 基站RAKE接收數據解調器框圖</p><p>　　搜索器將搜索到的4個強徑信號和PN碼相位參數送入4個數據解調器，4個支路的平方相加器的輸出結果，送入分集路徑合并器，將4個分集路徑的信號能量對應相加，再生軟判決信號，其過程即為分集合并，如圖3-8所示</p>

103、<p>　　這一能量合并等效最大比合并，它是一種最佳合并，即分集各支路經過相位調整后，按適當的增益系數(平方)同相相加。</p><p>　　圖3-8分集路徑合并原理框圖</p><p>　　最佳的合并方式是用最大比合并。三種合并方式最有效的方式就是最大比合并。</p><p>　　(2)搜索器結構與搜索策略</p><p>　　系

104、統(tǒng)同步是系統(tǒng)正常工作的基礎。在RAKE接收中，搜索器的作用是基站對移動臺發(fā)送的信號進行相位搜索，以尋找4個最強的傳輸路徑用于解調。基站首先對移動臺發(fā)送的接入信道信號進行搜索、捕獲，成功之后獲得接入信息并與移動臺建立通信鏈路，再對移動臺的業(yè)務信道進行搜索，然后進入解調狀態(tài)。在解調的同時，搜索器仍繼續(xù)搜索其它可能存在的強徑，每個解調器的跟蹤回路則對解調器的PN碼相位進行微調。</p><p>　　搜索器有三種工作狀態(tài)

105、：</p><p>　　①初始搜索：基站搜索接入信道，以便與發(fā)起呼叫的移動臺建立通信鏈路。</p><p>　?、诮庹{中的搜索：開始解調后，搜索器繼續(xù)搜索，尋求其它可能存在的強徑，此時基站在搜索時要做完整的基帶非相干解調處理</p><p>　?、鄹浨袚Q搜索：當移動臺發(fā)起切換請求時，2個搜索器必須搜索源扇區(qū)的信號和切換目標扇區(qū)的信號，直至切換完成。</p&g

106、t;<p>　　3.4 移動臺RAKE接收系統(tǒng)模型</p><p>　　上面所介紹的基站RAKE是屬于上行(反向)信道，上行信道是“多點對一點”的通信鏈路，基站用它接收多個用戶信號，由于上行是異步碼分，因此采用非相干檢測，但是對于多徑信號的搜索與跟蹤仍然是必須解決的先決條件。</p><p>　　移動臺RAKE接收則是屬于下行(前向)信道，下行信道是“一點對多點”的通信鏈路，

107、多個用戶利用它接收來自同一基站的信號。下行信道中基站專門設置了導頻信道，且給予較大的功率分配，它可供移動臺搜索、跟蹤、相干解調提供了參考信號。因而移動臺RAKE接收與基站RAKE接收基本原理完全一樣，只是移動臺可以利用導頻信道進行同步碼分、相干檢測。這說明每一個用戶信號都可鎖定在導頻序列上進行相干檢測，而路徑時延只需要通過導頻序列來搜索即可。 </p><p>　　由于在移動

108、通信中存在著嚴重的多徑衰落，它影響傳輸的可靠性，為了提高可靠性往往在接收端引入分集技術，如空間分集以及多徑隱分集的RAKE接收技術。但是，有些分集技術比如空間分集只適于基站，而移動臺由于體積、價格以及電池容量等方面的限制，使得多重天線的空間分集幾乎不可行。</p><p>　　為了改善下行傳輸條件，可以利用線性系統(tǒng)的互易原理，將體積嚴重受限的移動臺的接收端分集技術等效地搬至發(fā)送端來實現，這就是所謂的發(fā)送分集技術。