分集合并及 R ake 接收抗多径衰落技术
Diversity Combining and Rake Receiving Technology Anti- multipath Fading
制度英语
董晓华，阚春荣（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）
左耳朵热Dong Xi ao- hua,K an Ch un - ron g (Institute of Communication Engineering PLAUST,Jiangsu Nanjing 210007)
0 引言
无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信 号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种 通信方式[1]，已经成为通信领域中应用最广、发展最快的 技术。无线信道中携带信息的电磁波信号传播是开放式 的，所以无线通信系统的性能要受电磁波传播环境的制 约。当无线通信系统工作在较为复杂的环境中时，到达 接收端的信号不仅可能包括通过直视路径到达的直射 波，还可能包括通过不同传播路径到达的反射波和散射 波。这些通过不同传播路径到达的信号通常拥有不同的 信号幅度、相位和传播时延，接收端接收到的信号就是 这些不同路径信号的叠加，叠加之后的不同路径信号有 可能增强也有可能相互抵消，进而导致接收信号幅度在 小尺度范围内发生剧烈变化，形成多径衰落。
相关数据显示，在瑞利衰落信道中传输相干二进制
相位调制(BPSK)信号，要达到 10- 3 的误码率所需的平均 信噪比(Signal- to- Noi Ratio ，SNR)比在加性高斯白噪声 (AWGN)信道中的信噪比高 17.17dB [2]，可见抗多径衰落
技术研究在无线通信系统研究和设计中显得尤为重要。
后天剧情>军事用语
均衡、信道编码和分集合并技术是三种研究应用最为广 泛的抗多径衰落技术，这三种技术都可以很好地改善衰 落信道中通信系统的通信性能。本文主要阐述分集合并 与 Rake 接收两种抗多径衰落技术，分析两种技术的原 理与实现方法，总结两种技术的发展现状，并结合其各 自技术特点进行比较研究，
糖莲藕
最后对两种技术的未来发展 进行展望。
1 分集合并抗多径衰落技术
1.1 分集合并技术基本原理
分集合并技术被认为是一种对抗多径衰落效应十 分有效的技术[3]。在分集合并中，分集是指产生若干个经 历相互独立的衰落且携带同一信息的接收信号，合并意 味着把接收到的相互独立衰落的信号进行适当的合并， 抵消衰落的影响，进而达到改善系统性能的目的。按照 分集获得方式的不同，分集可分为：空间分集、极化分 集、角度分集、频率分集和时间分集等。分集之后的合并
作者简介：董晓华(1988- )，男，硕士研究生，主要研究方向为分集合并技术、Rake 接收技术与信噪比估计； 阚春荣(1972- )，男，副教授，博士，主要研究方向为信道编码、短波及超短波通信。
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电子质量 （2014 第 03 期） 分集合并及 Rake 接收抗多径衰落技术
既可以在中频和射频上进行，亦可以在基带上进行。 图 1 所示为一幅分集合并结构框图，其中分支数目 为 L , w i (i =1,2,…,L )为第 i 支接收信号进行合并时的加权 系数。设第 i 只天线接收信号为 x i (t )，经过合并后输出信 号 y (t )为：
L
L
αout =Σαi
i = 1
L
(6)
(Σαi )
2
i = 1
γout = E S (7)
L
ΣN
i
i = 1
选择合并(SC )选择性能最好的一支接收信号，即具 有最高信噪比的一支信号作为合并输出信号。此时，各 分支加权系数为：
y (t )=Σw i x i (t )
(1)
i = 1
通过选取不同的加权系数 w i ，可以形成不同的合并 策略。
w i =
Σ
1 if γi =max γj 0 el
1.2 分集合并技术发展现状
以上三种合并策略中，MRC 和 EGC 都是将采用所 有 L 个分支进行线性相加的线性合并方式；单从输出信 噪比来看，MRC 是最佳合并方式，EGC 次之。但从实现 的角度来看，MRC 需要各分支信号的实时衰落幅度和 相位信息，实现较为复杂，而 EGC 只需要相位信息。SC 结构简单，不需要估计每条支路衰落幅度和相位，但仍 需要实时地处理各分支信号，对每条支路信号进行信噪 比估计，寻找信噪比最优的那条支路信号，每个分支仍 需要独立的接收链路，其缺点是资源利用率不高[4]。 由于现代通信中对复杂度的限制以及对高合并性 能的要求，使得研究者开始更多重视混合合并。混合分 集合并分为两大类：一类是多维分集技术；另一类是广 义合并技术。前者是从分集的角度上来研究的，研究如 何将两种或两种以上分集实现方法更好地相结合，而后 者考虑的是如何将两种或两种以上合并技术更优地相 结合。目前研究最多的混合合并技术是广义选择合并 GSC(也称混合选择最大比
合并 H- S/MRC)，它以 MRC 或 EGC 合并策略为基础，在 L 条有效分集支路中选择性 能最好的 L C 条分支进行合并，该技术在降低系统复杂 度和保证系统性能方面取得很好的折衷[5]。研究结果表 明，SC /MRC- L C /L 混合合并技术的性能很接近 MRC ， SC /EGC- L C /L 混合合并技术的性能在某些情况下甚至 优于 EGC ，这是因为 EGC 合并中部分状态较差的分支 信号，在等增益合并过程中会引起系统合并性能的显著 下降，而 SC /EGC- L C /L 则将这些状态较差的分支信号进 行了剔出[6]。近年来，国外研究者提出了加入切换门限的 切换 G SC 合并技术[7]、引入功率消耗及分集增益自适应 调节的自适应 GSC 合并技术[8]和最小选择合并分支数 目的 GSC 合并技术[9]等多种新合并技术。研究结果表 明，针对不同的应用场景，这些合并技术都能很好地提 升系统性能。此外，国内有研究者亦提出一种层叠分集 合并系统，此系统引入了微合并与宏合并的概念，微合
图 1 合并结构框图
最大比合并(MRC)的合并策略是，以合并后输出信 噪比最大为目标来选取各分支的加权系数。在对每条分
支信号时延进行估计与补偿之后，第 i 条分支接收的信 号表示为：
- j θi
x i (t )=αi e s (t )+n i (t )
(2)
其中，αi 、θi 和 n i (t )分别代表第 i 条分支接收信号的 衰落幅度、相位和噪声，采用 MRC 合并时第 i 条分支的 加权系数 w i 为：
j θi
w i = αi e (3)
N i
其中，N i 为第 i 条分支接收信号的噪声功率谱密 度。这样就实现了合并输出端信噪比的最大化。合并输 出端信号包络 αo u t 及最大输出信噪比 γo u t 分别为：
L
αout =Σαi
28寸蛋糕大小参照图
(4) i = 1
L
γout =Σγi
(5)
i = 1
其中，γi =αi E S /N 为第 i 条分支的信噪比，E S 为符号 2
能量。
等增益合并(EGC)各分支信号加权值相同都为 1，为 了保证接收信号同相相加，在合并之前必需进行相应的 相位估计与校正。EGC 合并各分支加权系数为：
j θi
w i =α·e
等增益合并后输出端信号包络 αout 与信噪比 γout 分 别为：
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分集合并及Rake 接收抗多径衰落技术电子质量（2014 第03 期）
并是在若干个接收机组成的小组内进行合并，而宏合并则是将各个接收机小组合并后的结果再进行总的合并[10- 12]；在短波通信地理分集通信系统中，层叠式分集合并技术具有较大的发展应用空间。善无线通信的质量，已广泛应用于包括移动通信、短波通信等通信系统中。为了实现分集合并性能与系统复杂度的折衷，混合分集合并技术将是研究者们研究的重要方向。混合分集合并发展主要包括两个方面：一个是分集方面，研究如何实现两种或两种以上分集方法的相结合，实现信号在多维上的分集，从而获得更大分集增益；另一个是合并策略方面，研究最符合系统性能要求的合并策略，更好地满足现代通信对实时性和高性能的要求。对于以上这两个方面技术的进一步研究以及如何将这两种技术最优地结合起来，将是未来分集合并技术的发展方向。从严格意义上来讲，Rake 接收技术也属于分集合并技术的范畴，但它的分集是一种隐分集。Rake 接收技术已经在现有的通信系统中得到了广泛的应用与发展。在分集实现较为困难的情况下，Rake 接收技术是一种对抗多径衰落对系统性能影响极为有效的技术。Rake 接收技术未来的发展方向应该是研究如何更实时精确地实现对信道特性估计，提高系统应对信道特性快速变化的通信环境的能力；同样，针对类似于空时二维—Rake(2D- Rake)接收技术，提高多径信号可分辨性的技术也是重要的研究内容。
2 Rake 接收技术
Rake 接收技术最早是由Price 和Green 在1958 年提出的，该技术主要适用于接收多径信道条件下带宽远大于信道相干带宽的宽带信号，实现在时间上分辨不同的多径分量，将各多径分量分离、相位校准后，合成最后的输出信号。基本的Rake 接收机是以频率选择性信道的抽头延迟模型为基础设计的，其结构如图2 所示。每个相关器与发射信号的一个多径分量相关，相关之后便得到了不同多径分量，最后将这些多径分量合并起来，实现对多径信道中宽带信号的Rake 接收。在最后的合并过程中，就可以运用MRC 及EGC 等多种合并策略，从而实现最佳接收。基本的Rake 接收技术利用的只是多径信号在时间维上的分集，如果将天线阵列技术与Rake 接收技术相结合，则形成了空时二维—Rake (2D- Rake)接收技术，此技术能够充分利用多径信号的空间与时间可分辨特性，在空时域上同时抑制多径衰
落，从而有效地改善通信系统的性能。随着自适应技术的不断完善和发展，使其应用领域不断得到拓展，将自适应技术应用在Rake 接收机上便形成了自适应Rake 接收机；自适应Rake 接收机就是根据连续的信道估计，自适应地改变各个分支的合并权值，从而适应时变信道传播特性变化，提高通信系统性能[13- 15]。4 结束语
本文通过对无线通信系统的传播特性分析，引入了多径衰落这一严重影响无线通信系统性能的因素，简介了几种对抗多径衰落的技术，重点阐述分析了分集合并与Rake 接收这两种应用与研究最为广泛的抗多径衰落技术，分析了它们各自的原理特点与实现方式。对这两种技术的理论研究已经较为成熟，
未来的主要技术方向应该是解决在特定的通信环境下，如何在应用上更优地实现，比如层叠分集合并系统中信号的同步问题和对每一支信号的衰落幅度与相位实时估计问题。同样，将分集合并技术及Rake 接收技术与均衡、信道编码相结合使用，也具有重要的研究意义。
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图2 R ake 接收机结构图
3 性能分析
相比于其他抗多径衰落技术，分集合并技术实现较
为简单，可以在不增加传输功率和带宽的情况下显著改1129.
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基于 FPGA 数据采集控制系统的设计与实现 电子质量 （2014 第 03 期）
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