RAKE接收机：多径分集、相关器与信号合并原理

无线信号从发射端到达接收端时，并不一定只沿一条路径传播。建筑物、地面及其他物体的反射、绕射会产生多条传播路径，使接收机同时收到若干份具有不同时延、幅度和相位的信号副本。

在很多接收系统中，多径会造成衰落和干扰。RAKE接收机采用了不同的处理思路：当扩频系统能够在时间上分辨出若干有效多径分量时，接收机不把这些信号全部丢弃，而是分别提取其中有用的路径，再经过相位、时延和幅度处理后进行合并。

RAKE接收机因此可以看作一种多径分集接收结构。它的典型组成包括多径搜索、若干并行相关支路（RAKE Fingers）、信道估计以及合并单元。每个Finger负责跟踪和处理一个选定的多径分量，最后再形成一路用于判决的数据。

多径信号为什么能够被分别利用

假设发送端只发出了一份信号，但无线传播环境中存在多条路径。最短路径首先到达接收端，经过反射或绕射的其他路径稍晚到达，因此接收信号中会出现多个时间位置不同的信号分量。

对于直接序列扩频系统，接收端会使用与发送端对应的扩频码进行相关和解扩。扩频信号具有较好的相关特性，当两个有效多径分量之间具有足够的时延差时，接收机可以在相关输出中识别出不同的路径峰值。

这正是RAKE能够工作的基础。如果所有多径信号都完全重叠在同一个不可分辨的时间位置，接收机就无法简单地为每条路径分别分配一个Finger。

因此，RAKE利用的不是“所有反射信号”，而是能够被接收机识别、并具有足够能量的可分辨多径分量。

RAKE接收机内部怎样处理各条路径

一个典型RAKE接收过程通常包括路径搜索、Finger分配、解扩、时延对齐、信道补偿和合并几个环节。

搜索多径位置

接收机首先需要确定哪些时间位置存在较强的有效信号。路径搜索器通过相关运算寻找不同延迟位置上的信号峰值，并估计各路径的大致时延和强度。

这一步相当于先回答两个问题：有几条值得利用的路径，以及这些路径分别晚到了多少时间。

为有效路径分配Finger

RAKE中的每一条并行接收支路通常称为一个Finger。一个Finger被分配到某个多径分量后，就按照该路径的时延调整本地码，使相关器能够与这一份延迟信号对应。

Finger数量不是RAKE技术固定规定的常数。实际系统会根据接收机实现、处理能力、可分辨多径数量和信道条件选择可用支路，因此不宜简单写成“基站固定使用4个Finger、移动台固定使用3个Finger”。

完成解扩和信道估计

各Finger对自己的目标路径进行相关和解扩，将扩频信号恢复到符号级或相应的基带信号。同时，接收机需要估计每条路径的信道系数，因为不同路径经历的衰减和相位旋转并不相同。

如果不进行相位处理就直接相加，两条路径有可能相互抵消。RAKE需要先把各支路调整到能够进行相干或合理合并的状态。

对齐后送入合并器

不同路径原本到达时间不同，不能直接把各支路的瞬时输出相加。接收机需要按照路径时延进行时间对齐，使它们对应到同一个数据符号，再送入合并单元。

原图中的积分、保持和求和结构表达的正是这一思路：各相关支路分别处理不同延迟的扩频信号，在合适的时间点将多个支路结果汇集起来，再进行最终判决。

EGC和MRC为什么得到不同的合并效果

RAKE并不是简单地把所有路径原样相加。不同路径的信号强度和相位不同，采用什么权重进行合并，会直接影响最终接收质量。

等增益合并 EGC

EGC（Equal Gain Combining，等增益合并）会对不同路径进行相位校正，然后采用相同或近似相同的幅度权重进行合并。

它的处理思路比较直接：先让不同支路的信号方向对齐，再把它们相加。实现复杂度相对较低，但没有充分利用“强路径比弱路径更可靠”这一信息。

最大比合并 MRC

MRC（Maximum Ratio Combining，最大比合并）会结合每条路径的信道条件进行加权。信号质量较好的支路获得更大的合并权重，较弱或噪声影响较大的支路贡献相对较小。

可以把其基本思想表示为：

y = Σ w_ir_i

其中，r_i 是第 i 条路径的接收结果，w_i 是根据该路径信道估计得到的权重。

在相干MRC中，权重通常与对应路径的复信道系数有关，从而同时完成相位补偿和幅度加权。相比单纯等权相加，MRC能够更充分地利用不同多径分量携带的有效能量。

RAKE为什么特别适合CDMA和WCDMA

RAKE接收机与直接序列扩频技术关系密切。在DS-CDMA系统中，较宽的扩频带宽以及扩频码相关特性，使接收端能够识别具有不同延迟的多径分量，再通过多个相关支路分别进行解扩。

这使多径传播不再只是需要抑制的干扰源，其中一部分可分辨路径反而成为可利用的分集资源。

在IS-95、CDMA2000以及WCDMA等基于CDMA或直接序列扩频的移动通信体系中，RAKE曾是非常典型的接收技术。接收机通过多径搜索和多个Finger提取有效路径，再利用MRC或其他方式进行合并，以改善多径衰落条件下的接收性能。

这里也需要注意技术时代和适用范围。RAKE并不是所有现代无线系统的通用接收结构。LTE等系统采用OFDM/OFDMA等不同的物理层技术，处理多径的主要方法也发生了变化，因此不宜把RAKE笼统描述成所有4G、5G无线接收机的核心技术。

站内另一篇关于RAKE与CDMA系统容量的文章更侧重系统性能和容量关系，本页主要解释接收机本身的多径搜索、Finger处理和信号合并机制。

相关内容：RAKE接收机在CDMA系统中是如何提高系统容量的？

RAKE接收性能受哪些条件限制

增加Finger并不意味着接收性能可以无限提高。每增加一条处理支路，都需要额外的相关、信道估计、存储和合并运算；同时并不是所有检测到的多径分量都值得保留。

多径必须能够被分辨

如果两条路径的时延非常接近，以至于接收机不能可靠区分，它们就难以作为两个完全独立的RAKE支路进行处理。

弱路径未必值得分配Finger

接收机的Finger数量通常有限。路径搜索器需要从多个候选多径中选择较有价值的分量，而不是把每一个微弱相关峰都加入合并。

信道估计误差会影响加权

MRC依赖对各路径幅度和相位的估计。如果信道估计不准确，权重也会出现偏差，从而降低实际合并效果。

多径之间并非始终完全独立

分集增益建立在不同支路具有一定独立性的基础上。如果多个路径高度相关，它们提供的独立信息会减少，增加Finger获得的收益也会降低。

处理复杂度随支路增加

更多Finger意味着更多相关、解扩和加权计算，还会增加存储与功耗。因此实际实现要在接收性能和硬件复杂度之间选择合适的Finger数量。

理解RAKE接收机时容易混淆哪些问题

RAKE的关键不是“消除多径”，而是选择并利用能够分辨的有效多径。这与传统把反射信号全部视为有害干扰的理解不同。

另一个常见误区是认为RAKE可以把所有多径能量无条件叠加。实际处理中，各路径必须经过搜索、解扩、时延对齐和信道补偿，之后才能按照合并规则使用。

同样，RAKE提高的是接收端对多径衰落的利用能力，并不意味着单靠RAKE就能解决CDMA系统中的全部干扰。多址干扰、热噪声、功率控制以及其他无线资源问题仍需要系统中的其他机制共同处理。

从结构上看，RAKE可以概括为一条清晰的处理链：

多径搜索 → Finger分配 → 延迟匹配 → 相关解扩 → 信道估计 → 加权合并 → 数据判决

理解这条链路以后，再看RAKE接收机的框图会更直观：多个并行支路不是在重复接收相同信号，而是在分别追踪同一发送信号经过不同传播路径形成的延迟副本，并把其中有价值的能量重新组合起来。