OFDM系统基于PTS算法的PAPR抑制性能仿真

资 源 简 介

本项目通过MATLAB仿真平台实现了一种降低OFDM通信系统峰均功率比（PAPR）的有效方案，即部分传输序列（Partial Transmit Sequence, PTS）算法。OFDM技术虽然频谱利用率高，但时域信号的叠加容易产生极高的峰值功率，导致高功率放大器进入非线性区。本程序的功能是模拟发射端的信号处理逻辑：首先将输入的串行数据流进行QAM星座映射，然后将大块的子载波序列划分为若干个不相交的子块。对每个子块分别进行零填充及IFFT变换，得到各子块的时域表示形式。通过在预设的相位因子集合内进行穷举搜

详 情 说 明

基于PTS方法的OFDM发射端PAPR抑制仿真项目说明

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的通信系统仿真程序，旨在解决正交频分复用（OFDM）技术中常见的峰均功率比（PAPR）过高问题。程序通过实现部分传输序列（Partial Transmit Sequence, PTS）算法，模拟了发射端信号处理的完整流程，通过将子载波划分为若干子块并进行相位旋转优化，从而有效降低信号在时域上的峰值，提升功率放大器的效率。

功能特性

1. 标准的OFDM调制流程：实现了从随机比特生成到16-QAM星座映射，再到IFFT变换的完整物理层发射处理。
2. 高精度PAPR计算：采用4倍过采样方案，通过在频域中间插入零值的方式进行IFFT，确保捕捉到接近连续时间信号的真实峰值功率。
3. PTS抑制算法实现：支持多种子块数量（如V=2, V=4）的对比仿真，采用相邻分割（Adjacent Partitioning）策略。
4. 最优相位搜索：对相位旋转因子集合 {1, -1} 进行穷举搜索，通过最小化目标函数寻找最优的相位因子组合。
5. 性能评估与可视化：自动计算并在对数坐标系下绘制互补累积分布函数（CCDF）曲线，直观展示PAPR抑制效果。
6. 统计数据输出：程序能自动计算特定概率（如10^-1）下的PAPR数值并给出相对于原始信道的抑制增益（dB）。

系统要求

• MATLAB R2023a 或更高版本（为确保随机数生成器rng(2023)的一致性）。
• MATLAB Communications Toolbox（通信工具箱），用于调用QAM调制等相关函数。

详细实现逻辑

程序的主程序部分封装在一个主函数中，通过以下步骤运行：

1. 参数初始化 系统设置为64个子载波，采用16-QAM调制。为了模拟不同的优化强度，设置了两个对比组（子块数V分别为2和4）。仿真通过1000次蒙特卡洛循环来获得统计规律。

2. 原始信号处理 在每次循环中，生成随机数据并映射至QAM星座点。为了计算原始OFDM符号的PAPR，首先进行L倍过采样处理：将原始N个子载波信号平分为两部分，分别放置在N*L点IFFT输入向量的两端，中间填充零。变换至时域后，计算当前符号的峰值功率与平均功率的比值。

3. PTS算法核心逻辑

• 子块分割：采用相邻分割法，将N个子载波按顺序划分为V个等长度的非重叠子块。
• 逐块变换：对每个子块单独进行过采样及IFFT变换，得到V个在相加前处于时域的子波形分量。
• 相位组合生成：使用辅助函数生成相位因子集合 {1, -1} 的所有可能排列。为减小搜索空间，将第一个子块的相位因子固定为1，仅对剩余V-1个子块进行穷举。
• 线性寻优：将各时域子分量乘以不同的相位组合并求和。在所有组合中，筛选出合并后结果PAPR最小的一组，作为该PTS符号的最终输出。

4. 结果统计与展示

• 利用自定义的CCDF计算函数，对所有仿真符号的PAPR值进行降序排列并归一化。
• 在绘图区展示原始信号、V=2时的PTS信号以及V=4时的PTS信号的CCDF对比曲线。
• 在命令行窗口打印输出在 $10^{-1}$ 概率阈值下，各配置对应的PAPR具体值及相比于原始OFDM的性能增益。

关键细节分析

• 过采样策略：代码中通过 X_orig(1:N/2) 和 X_orig(end-N/2+1:end) 的排列方式实现了频域补零，这符合OFDM系统中低频子载波在两侧、高频子载波在中间的习惯，能准确模拟时域包络。
• 复杂度与搜索空间：PTS的性能随子块数V的增加而提升，但搜索空间呈 $2^{V-1}$ 指数级增长。代码中展示了V=4时需要搜索8种相位组合，平衡了仿真速度与抑制效果。
• 邻近分割法：代码通过逻辑索引 (v-1)*sub_len + 1 : v*sub_len 实现了子载波的连续分割，这是PTS算法中最直观的分割方式。
• CCDF计算逻辑：通过对数据排序并建立对应的概率轴（N:-1:1/N），准确刻画了PAPR超过某一阈值的概率分布。