基于剪切方案的FBMC系统PAPR抑制技术实现

资 源 简 介

该项目旨在解决滤波器组多载波（FBMC）系统在无线通信应用中面临的高峰值平均功率比（PAPR）问题。FBMC技术虽然由于其低带外泄露和高频谱效率而受到关注，但与OFDM类似，多载波的相干叠加会导致信号出现极高的瞬时峰值，增加了对射频功率放大器线性度的要求。 本实现方案在MATLAB环境下构建了完整的FBMC-OQAM收发系统。核心功能采用了幅度剪切（Clipping）技术，这是一种简单且有效的非线性PAPR降低方法。在发送端，系统首先将输入比特流转换为OQAM符号，通过合成滤波器组进行脉冲成形。在信号进入

详 情 说 明

基于剪切方案的FBMC系统PAPR抑制技术实现

项目介绍

本项目专门针对滤波器组多载波（FBMC）系统在无线通信中面临的高峰值平均功率比（PAPR）问题，提供了一套完整的性能仿真与抑制方案。FBMC-OQAM通过偏移正交幅度调制（OQAM）解决了OFDM的高带外泄露问题，但其多载波叠加特性依然会导致剧烈的功率波动。本项目在MATLAB环境下实现了FBMC系统的全流程链路，并集成幅度剪切（Clipping）技术，旨在通过非线性映射降低系统PAPR，同时评估其对误码率（BER）和功率谱密度（PSD）的影响。

功能特性

1. 完整的FBMC-OQAM链路实现：包括比特流生成、OQAM映射、合成滤波器组（SFB）调制、AWGN信道模拟、分析滤波器组（AFB）解调及位错误统计。
2. 高性能原型滤波器：采用经典的PHYDYAS滤波器设计方案，重叠因子K=4，提供优异的时频局域特性。
3. PAPR抑制技术：实现幅度剪切（Clipping）算法，支持自定义剪切率（CR），有效抑制瞬时大功率峰值。
4. 多维度性能评估：

* CCDF曲线：统计并对比原始信号与剪切信号的PAPR分布。 * BER曲线：分析在不同信噪比（SNR）下，剪切处理带来的非线性失针对系统误码性能的影响。 * 时域波形对比：直观展示剪切前后信号包络的幅度变化。 * PSD分析：评估剪切导致的带外频谱扩展效应。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本
• Signal Processing Toolbox（用于功率谱密度计算及信号处理函数）
• Communication Toolbox（用于比特率统计及信道模拟）

使用方法

1. 启动MATLAB。
2. 设置仿真参数（如需修改）：在主函数开头可调整子载波数（M）、重叠因子（K）、剪切率（CR）以及仿真符号数等。
3. 运行主程序脚本。
4. 程序将自动执行多次迭代以统计CCDF，并在不同SNR条件下计算BER。
5. 仿真完成后，系统会自动生成四张性能对比图表，涵盖PAPR分布、误码率、时域波形和功率谱分布。

实现逻辑说明

1. 原型滤波器设计

系统初始化阶段设计了符合PHYDYAS标准的时域原型滤波器。其系数通过K=4对应的预设频率采样值[1, 0.97195983, sqrt(2)/2, 0.23514700]生成。滤波器长度设为M*K，通过频率采样法合成时域波形，并进行能量归一化处理。

2. OQAM调制逻辑

输入比特映射为BPSK/QAM符号。为了实现OQAM，系统将复符号拆分为实部和虚部。在同一时刻的子载波间，以及同一子载波的不同时刻间，实部和虚部交替插入，且步长为M/2，从而在时频格点上实现正交。

3. 合成滤波器组 (SFB)

调制过程通过多相滤波结构模拟：

• 对每一路OQAM符号进行M点IFFT。
• 将IFFT输出进行周期扩展至滤波长度L。
• 与原型滤波器进行逐点相乘提取加窗信号。
• 核心重叠累加算法：后续符号以M/2为偏移量与前一符号在时域进行重叠相加，生成最终的发送信号。

4. PAPR抑制与计算

系统计算原始信号的峰值功率与平均功率之比，得出PAPR值。随后应用幅度剪切算法：

• 计算信号的均方根值（RMS）。
• 根据预设的DB值计算幅度门限（Threshold）。
• 对超过门限的信号样本进行硬限幅处理，保持其相位不变，强制缩小其幅度。

5. 分析滤波器组 (AFB) 与解调

接收端接收到信号并引入AWGN噪声：

• 窗口处理：在每一个M/2滑窗内提取信号，并与原型滤波器系数相乘。
• 解调转换：通过累加和叠加操作（多相滤波的逆过程）进行M点FFT计算。
• OQAM提取：基于子载波索引和符号索引的奇偶性，从FFT结果中交叉提取实部或虚部，还原原始数据。

关键算法与细节分析

幅度剪切 (Clipping) 算法

这是本项目核心的PAPR抑制手段。算法并非简单的幅度截断，而是通过检测瞬时模值并对比门限，对超标部分执行非线性压缩。公式表现为：当 |x(t)| > A 时，x_clipped = A * exp(j * angle(x(t)))。这种方法实现简单，无需发送辅助信息，但会带来一定的带外干扰和带内失真。

重叠相加法 (Overlap-Add)

FBMC系统的精髓在于子载波符号在时域上的重叠。代码中通过 tx_signal(start_idx : start_idx + L - 1) + filtered 精确控制了每个符号 M/2 的偏移步长，确保了信号在时域的平滑过渡和OQAM正交性的维持。

性能统计逻辑

• CCDF：通过500次迭代随机数据，计算PAPR大于各阈值的概率分布，直观反映抑制效果。
• BER：在0dB到20dB的SNR范围内，对比原始FBMC与剪切FBMC的位错误情况，量化非线性失真对通信质量的影响。
• PSD：通过Welch法估计功率谱，重点观察剪切操作引起的侧瓣抬升情况。