代码分区多路访问(CDMA)是许多遗留和现代无线网络的基础,包括IS-95、CDMA-2000和WCDMA(UMTS),这些系统中定义创新的一个因素是:电磁接收器,一种将传统的无线责任——多路径传播——转化为性能资产的专门架构。通过一致地将同一信号的多份延迟复制件合并,电磁接收器极大地改善了连接的可靠性、能力和数据吞吐量。本条探讨了电磁接收器在CDMA信号接收中的操作原则、实施细节、优点和当前的相关性。

什么是雷克接收器?

电磁接收器是一种无线电接收器结构,旨在利用多路径传播而不是受此影响。在典型的无线环境中,传送信号反射建筑物、地形和移动物体,生成多个副本,在不同时间和不同振幅和相位到达接收器。如果没有特殊处理,这些延迟复制会引发信号间干扰和变质。电磁接收器因其与花园雷克的相似性而命名,使用几个独立的电磁器(称为]fingers[)来捕捉、校正和以建设性方式合并这些延迟复制品。结果是多样化收益,提高了信号与噪声比(SNR),降低了误差率。

历史背景

这一概念最早由罗伯特·普莱斯和保罗·E·格林在1950年代提出,用于雷达和散光通信,随着CDMA蜂窝系统的出现,在1990年代,宽带宽和正弦编码使得多路径可解,从商业上变得实用. 今天,雷克接收器仍然是3G网络的组成部分,并通过混合结构继续影响4G和5G的接收器设计.

电击接收器怎么用?

黑角接收器在三个基本阶段运作: 多路径检测 , 同步和跟踪 , 结合 。每个接收器的手指都处理特定的传播路径。一个典型的黑角接收器可能有三个到六个手指,尽管高级执行器使用更多的指头。

多路径检测和指向任务

接收器首先使用一个搜索器对接器,该接口持续扫描时间域的强多路径组件。CDMA中使用的扩展码会产生高的自定义关系,因此匹配的过滤会显示与不同路径延迟相应的明显关联峰值。最强的峰值被分配到单个的摇晃指上。这一过程是动态的:移动站移动时,路径延迟会改变,手指必须重新调配——往往每几毫秒一次。

逐指的散射和调制

每一个手指使用相同的伪随机噪声序列来解开其指定的延迟复制件,但会与路径的到达时间保持一致。 解开操作将宽带信号压缩回窄带数据符号,同时拒绝其他用户的干扰。在解开后,每个手指都进行通道估计,以确定传播通道引入的振幅和相位旋转。这些信息对于连贯的组合至关重要。

组合技术

混合接收器性能的关键是组合算法。最常见的是 混合(MRC)的数学比,每个手指的输出按其估计的通道增益加权,然后相继进行。当每个分支的噪音不相关时,MRC将输出SNR最大化——对于多路径组件的假设是用超过芯片时间间隔的。其他方法包括 组合(EGC)和[组合的选 ,但MRC在实践中提供优异的性能。

组合信号随后传递到一个解码器(如Viterbi解码器)进行错误校正. 由于rake接收器利用了固有的多样性,有效的链接预算得到改善,使得CDMA系统在较低的传输功率和更高的用户密度下运行.

CDMA系统为何需要 Rake 接收器

CDMA的信号结构使它特别适合拉动接收。 与多路径导致深度频选择性变形的窄带系统不同,CDMA的宽带宽用一个芯片周期以上的延迟解决单个回声。 每一个解答的路径都携带同样的数据,但都有独立的变形统计。 没有一个拉动接收器,常规匹配的过滤器只能捕捉最强路径,浪费其他路径的能量,使系统容易消失。

传播密码和矫形

前方链接(downlink)中使用的扩展码被设计为正交,以消除细胞内部干扰。然而,多路径破坏正交,因为延迟复制件会显示为干扰信号。一个黑白接收器通过对齐和合并预期信号而减轻这种影响,而只有在这些信号不相关时,才会将其他路径当作噪音。在上方链接中,每个用户都有独特的拼接码,而黑白接收则更为关键,因为来自不同移动的信号会随机到达,必须用代码关联来分隔。

CDMA 中 Rake 接收器的关键优点

  • 向淡化的多样化收益: 通过合并多个独立淡化的路径,所有路径同时深淡的概率都会急剧降低。这导致联系预算根据环境的不同而得到3–10 dB的改善。
  • 阻断干扰:[ MRC抑制来自其他细胞的噪音和干扰,因为加权自然对弱路或吵路给予较少重视. 结合处理收益,雷克接收器可以在散域的负SNR中运行.
  • Soft shoff support:[ 在CDMA网络中,移动站在交接期间连接多个基站. rake接收器可以将手指分配给不同扇区或单元格的信号,将它们组合起来,使交接无缝(soft hoffing),这大大降低了呼叫滴.
  • 改进容量: 通过降低特定服务质量所需的传输功率,每个单元格的接收器可以同时使用更多的用户。 一些研究表明,与没有多路结合的系统相比,容量增加了30-50%。
  • 与更高顺序调制兼容:[ 随着CDMA在HSPA+中逐渐发展到支持16-QAM和64-QAM,rake接收器提供了必要的SNR比值,虽然后来它们又被处理更高数据率的均衡器所补充.

限制和现代相关性

尽管这些接收器具有优点,但在4G和5G网络中,其性能仍然明显。当多路径延迟时间比芯片持续时间短时(例如在反射密度非常高的室内环境中),其性能会退化。此外,接收器每条可解路径都需要一个专用的手指,当延迟扩散量大时,这种功能会变得计算成本。在LTE和5G NR等现代正交频分多轴系统中,接收器使用循环前缀和频域均匀器处理多路径,而不产生雷克结构。然而,许多3G和遗留的2G网络仍然依赖Rake接收器,而且它们仍然是新情景研究的一个活跃领域,如[ millimemmet-wab通信[和UWB)系统。

混合办法

一些高级接收器将 Rake 和 线性均衡器结合在一起 (例如LMMSE 芯片等效器) , 白化残余干扰。 这在 HSPA+ 调制解调器中很常见, 平面均衡器在 Rake 手指结合剩余路径之前减少间节奏干扰 。 在 5G 中, 类似 Rake 的概念以 时间- 域通道估计和组合为窄带 IoT 或 完全- 系统 的形式出现, 多个路径的自干预必须取消。

结论

电磁波接收器是CDMA技术的基石,它将多路径传播从责任转化为宝贵的多样性来源。 通过一致地将多份延迟信号复制件结合起来,它提供强大、高质量的接收,即使在挑战性消亡的环境中也是如此。 虽然较新的空气接口已经转向了基于均衡和OFDM的设计,但电磁波接收-时间-域多样性结合和干扰-连续的原则为高级接收器架构提供信息。 理解电磁波接收器的作用对于任何从事无线通信工作的人来说都至关重要,从网络规划到调制解调器设计都是如此。

进一步阅读时,探索 原价和绿皮书关于雷克接收器[,3GPP关于CDMA演化的概述[,关于雷克接收器执行的大学讲座,以及对5G背景中的雷克接收器性能的分析.