基于RCF算法的OFDM系统PAPR抑制仿真

资 源 简 介

正交频分复用（OFDM）技术虽然具有频谱利用率高和抗多径干扰能力强等优点，但其发射信号的时域波形由多个子载波叠加而成，极易产生较高的峰均功率比（PAPR），这会导致发送端的功率放大器进入非线性工作区，引起信号畸变、带外辐射和带内失真。本项目设计并提供了一套完整的MATLAB仿真方案，利用迭代限幅滤波（RCF）算法来有效抑制OFDM系统的PAPR。

详 情 说 明

基于迭代限幅滤波（RCF）算法的OFDM系统PAPR降低仿真

项目介绍

正交频分复用（OFDM）技术以其高频谱利用率和强大的抗多径干扰能力在现代无线通信中得到广泛应用。然而，OFDM信号是多个子载波的叠加，在时域上容易表现出极大的瞬时峰值，导致较高的峰均功率比（PAPR）。高PAPR会使发射端的功率放大器进入非线性工作区，从而引发信号畸变、频谱散布以及误码率升高。

本项目通过MATLAB实现了一套完整的OFDM系统PAPR抑制仿真方案。核心算法采用迭代限幅滤波（Recursive Clipping and Filtering, RCF），通过在时域进行限幅以消除峰值，并结合频域滤波以抑制限幅带来的带外辐射，力求在降低PAPR的同时兼顾误码率性能和频谱效率。

功能特性

1. 信号生成与调制：支持基于16QAM调制的OFDM符号生成，符合标准化通信系统模型。
2. 过采样处理：通过频域补零实现4倍过采样，以精确捕获和评估时域连续信号的PAPR。
3. 迭代限幅滤波（RCF）实现：

- 动态限幅：根据设定的限幅比（CR）和实时信号功率动态计算阈值，对超过阈值的幅度进行硬限幅，同时保留原始相位。 - 频域滤波：通过快速傅里叶变换（FFT）将信号转至频域，将带外分量置零以消除非线性失真引起的带外辐射。 - 迭代优化：支持多次迭代处理，逐步收敛信号峰值。

1. 性能评估维度：

- CCDF曲线：计算并绘制PAPR的补充累积分布函数（CCDF），量化PAPR降低的效果。 - 迭代趋势分析：统计平均PAPR随迭代次数下降的变化曲线。 - 误码率（BER）分析：在AWGN信道下对比原始系统与RCF处理后系统的BER性能。 - 功率谱密度（PSD）分析：通过周期图法对比处理前后的信号频谱，评估滤波对带外干扰的抑制能力。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本
• 通信工具箱（Communications Toolbox）

实现逻辑说明

仿真程序遵循以下核心算法流程：

1. 信号初始化与过采样

程序首先生成随机比特序列并进行16QAM调制。为了准确模拟模拟信号的峰值，系统采用4倍过采样（L=4）。过采样通过在频域中心插入零点实现：将N个原始符号分布在(N*L)长度频域序列的两端（对应低频和负高频部分），中间补零。通过IFFT变换回时域后，信号能够更真实地反映真实包络。

2. PAPR计算

PAPR的计算定义为信号瞬时峰值功率与平均功率的比值，程序中以分贝（dB）为单位输出： PAPR = 10 * log10(max(|x|^2) / mean(|x|^2))

3. 迭代限幅滤波循环

针对每一个OFDM符号，进行numIter次迭代：

• 限幅阶段：计算当前时域信号的均方根（RMS）值。限幅阈值 A = CR_linear * RMS。若信号点幅度超过A，则将其模值强制设为A，相位保持不变。
• 滤波阶段：限幅后的信号进入频域，将除了原始N个子载波位置之外的所有频点置零。这一步是为了滤除限幅产生的带外分量，但也可能导致原本降低的峰值在反变换回时域后有所反弹，因此需要通过多次迭代来寻求平衡。

4. 传输与解调（BER仿真）

进行误码率测试时，程序模拟了AWGN信道环境：

• 原始信号直接通过FFT解调。
• RCF信号在发送前经过迭代处理。由于BER仿真阶段旨在快速验证，程序采用了不带过采样的简化模型，滤波过程体现为限幅分量在带内子载波上的投影。
• 使用QAM解调并对比原始比特，计算信噪比（SNR）在0到20dB范围内的错误率。

关键算法与细节分析

• 限幅阈值（CR）：预设为5dB。这是指信号峰值相对于平均功率允许的最大比例。
• 过采样（Over-sampling）：如果不进行过采样，IFFT得到的离散样点可能正好错过了连续信号的波峰，导致估计的PAPR偏低。4倍过采样是学术领域公认的准确估计标准。
• 频域映射逻辑：在进行滤波时，程序严格保持了子载波的正交性。通过索引操作 1:N/2 和 end-N/2+1:end 确保只有有效载荷子载波被保留，其余过采样产生的扩展频带全部清除。
• 归一化处理：在IFFT和FFT转换过程中，使用了 sqrt(N*L) 进行增益补偿，以确保信号在时频转换前后能量守恒，保证PAPR计算的准确性。
• 结果可视化：程序最终产出四视图画布，直观展示了RCF算法在概率分布（CCDF）、收敛速度（平均PAPR）、可靠性（BER）和频谱兼容性（PSD）四个维度的表现。