什么是OFDM峰均比与削峰？

作者：- | 来源：石嘴山市无线电管理处 | 点击：1327 | 发布日期：2023-05-08

什么是波峰因子减少CFR?

波峰系数削减CFR (Crest Factor Reduction)，简称削峰，是目前无线通信系统中最基本的构建块之一。

什么是“削峰”，或者说削什么峰？

这需要从OFDM调制的时域基带波形说起。

如果是OFDM调制的时域基带波形。

从上述时域信号的波形可以看出，信号的最高峰值与平均幅度之间有巨大的差距，用专业术语说，就是峰均比（峰值/均值）比较高。

“削”的就是信号中的峰值，尽量是信号均匀分布，峰均比（峰值与均值）要尽量小。

峰均比C：PAR（Peak to Average Rate）

为什么要削峰？

（1）这与OFDM调制有关，OFDM多址调制技术，有内在的峰均比较高的特点。

至于为什么会出现这种现象，主要是由于OFDM的时域信号，是所有子载波时域信号的叠加，如果某一时刻，正好是所有子载波的时域信号值都为正或都为负，这时候的峰值就比较大，而大部分时间，各个子载波的幅度有正有负，基本上稳定在一定的数值上，这个数值就是均值。

（2）峰均比高容易信号的峰值工作在功率放大器的非线性区域，“削峰”可以使基带信号调制后，工作在功率放大器的线性区域。

（3）通过削峰，使得信号，尽可能的工作在功率放大器接近非线性的区域，提高功率放大器的效率。CFR 可用于缩小一个传输信号的动态范围，以便用于传输该信号的放大器能够尽可能的工作在其线性区间。

打个比方，南京早晚高峰在路上行驶的车辆为120万辆，夜间在路上行驶的车辆为10万辆，全天平均上路行驶的车辆为40万辆。那么，南京车辆的峰均比就是3倍。

那么这就带来一个问题：

如果我们建设道路按照满足峰值的需求来建设，则会带来很大的资源浪费，因为在大部分时间是用不到这么多道路资源的。

如果按照均值来建设道路，则在早晚高峰的时候会带来很大的拥堵。

到底使用哪种方案来建设道路，则需要在这两种情况之间进行trade off（折中、平衡）。

在LTE通信中，过高的峰均比同样会带来问题，功放（PA：Power Amlifer）有一定的线性区域，发送信号需要工作在线性区域之内。

选用功率大的PA会造成功率浪费，

而选用功率小的PA会使得峰值状态工作在非线性区域，带来信号的失真和带外泄露（产生带外的高频谐波分量），带外泄露可通过添加滤波器来进行处理。

降低信号的峰值是一种折中方案，会对信号的质量有一定的影响，但比信号进入功率放大器的非线性区的带来的负面影响要小得多。

波峰因子减少CFR在RRU中的位置

在典型商业无线系统中，这将与数字上变频 (DUC) 和数字预失真 (DPD) 组合使用。CFR处于DUC与DPD之间。

削峰的的对象是中频数字信号！因此也数字信号处理的一部分。

谁可以做CFR？

1、设备厂家

（1）一般传统大型设备厂家
大厂都有自己的DPD技术，包括华为、中兴、爱立信、诺基亚、三星等。

（2）小型公司
小厂一般都没有自己的CFR技术，因为没有相应技术积累，无法实现CFR硬件化，一般找学校或者直接购买FPGA公司的提供IP core。

2、芯片厂家

FPGA芯片厂家能够提供了高性能 CFR解决方案，并且这是IP核的参数是可调的，无需手动定制，从而缩短了实现时间。

3、CFR 有很多不同算法

峰值窗口 (PW: Peak Window)
噪声成形 (NS: Noise Shaping)
峰值削减 (PC：Peak ) ，这种方法不仅比其它方法灵活应变，同时性能提升还会实现更低的峰值至平均值之比 (PAR)，而且在实现过程中外形极小、成本极低。

削峰的基本原理

（1）削峰的示意图

CFR就是设定一定的门限（比如7dB），将PAR超过门限的峰值削掉。削峰后，输入信号始终工作在射频功率放大器的线性区间。

在上图中，红线波形上方的虚线蓝色波形，就是削减掉的部分。

（2）削峰的对象
削峰的对象：并不是直流信号，也不是数字信号，而是交流信号，是OFDM调制后的时域、基带信号：

削峰的对象的组成：是有无数个、幅度调制后的、正交的子载波叠加而成。
频域表示法为：

常见的削峰算法

1、简单限幅法

简单限幅法就是设定一定的门限，将PAR超过门限的峰值削掉。

但这种方法有一个比较大的缺陷，信号失真：

（1）因为调制后的信号是各个子载波波的叠加，限幅后，有有可能子载波信号发送畸变，导致星QAM调制的星座图出现发散。

（2）增加了新的内生的谐波频率分量，导致信号干扰。

2、峰值加窗法 (PW: Peak Window)算法

3、噪声成形 (NS: Noise Shaping)

4、峰值削减 (PC：Peak )

削峰的的负面影响

带来信号的失真和带外泄露（产生带外的高频谐波分量），带外泄露可通过添加滤波器来进行处理。

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