FBMC系统预留子载波PAPR抑制算法仿真

资 源 简 介

本项目是一个基于MATLAB的通信系统仿真平台，专门用于实现和评估滤波器组多载波（FBMC）系统中的预留子载波（Tone Reservation, TR）方案。其核心目标是解决FBMC-OQAM系统固有的高峰值平均功率比（PAPR）问题。功能涵盖了完整的链路构建，包括：1. FBMC信号生成：利用多相网络（PPN）和快速傅里叶逆变换（IFFT）生成FBMC-OQAM基带信号，包含原型滤波器的设计与应用。2. 预留子载波算法实现：在频域中预留特定位置的子载波不传输数据，而是用于承载计算出的削峰信号。针对FBMC符号在时域上的重叠特性，实现了特定的迭代算法，计算并优化预留子载波上的复数权重，以生成与原始信号峰值相反的抵消信号。3. 性能评估与分析：通过仿真统计大量数据符号，计算并绘制互补累积分布函数（CCDF）曲线，直观展示PAPR降低的幅度。同时分析该方案对功率谱密度（PSD）的影响以及在AWGN信道下的误码率（BER）性能，确保在降低PAPR的同时维持系统的频谱效率和解调性能。该项目适用于5G/6G物理层波形研究及高能效通信系统设计。

详 情 说 明

FBMC系统预留子载波PAPR抑制仿真平台

项目简介

本项目是一个基于MATLAB开发的通信系统仿真平台，专注于研究滤波器组多载波（FBMC-OQAM）系统中的峰值平均功率比（PAPR）问题。项目实现了基于预留子载波（Tone Reservation, TR）的PAPR抑制方案，通过在频域预留特定子载波承载削峰信号，从而在不破坏数据传输的前提下降低时域信号的峰值。

仿真平台构建了完整的FBMC收发链路，集成了信号生成、PAPR抑制算法、功率谱密度（PSD）分析以及AWGN信道下的误码率（BER）性能评估功能。

功能特性

• FBMC-OQAM 波形生成：基于多相网络（Polyphase Network）架构，实现了包含OQAM预处理、IFFT、原型滤波器加窗及重叠相加（Overlap-Add）的完整调制流程。
• Phydias 原型滤波器：采用频率取样技术设计的滤波器系数（K=4），确保良好的时频聚焦特性。
• TR-PAPR 抑制算法：实现了基于预留子载波的迭代削峰算法。算法自动计算并在预留位置填充优化后的复数权重，以降低整体信号的PAPR。
• 多维度性能评估：

* CCDF 统计：统计并对比原始信号与优化后信号的PAPR互补累积分布函数。 * PSD 分析：分析PAPR抑制算法对发射信号频谱特性的影响。 * BER 测试：在AWGN信道下评估PAPR抑制对解调性能的影响（包含完整的调制、加噪、解调及误码统计）。

• 可视化展示：自动绘制时域波形对比图、CCDF曲线、功率谱密度对比图及BER曲线。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本。
• 工具箱：需安装 Communications Toolbox（用于QAM调制/解调、AWGN函数及误码率计算）。

使用方法

直接运行主脚本即可启动仿真。程序将依次执行以下步骤：

1. 初始化系统参数（子载波数、重叠因子、调制阶数等）。
2. 进入主循环，按帧生成数据并进行PAPR抑制处理。
3. 统计并累积PAPR及PSD数据。
4. 执行BER仿真循环，在不同信噪比下测试系统误码率。
5. 仿真结束后，自动弹出结果图形窗口。

核心算法与实现细节

本项目核心逻辑封装在主函数及其子函数中，具体实现逻辑如下：

1. 系统参数配置

仿真采用 64子载波 系统，重叠因子 K=4。每帧包含200个FBMC符号，共仿真50帧以保证统计结果准确性。调制方式采用 4-QAM (QPSK)。 预留子载波（Tone Reservation）策略配置为：

• 预留比例：10%（即约6个子载波）。
• 位置选择：在非边缘频带（避开直流和高频端）随机选择索引，并在整个仿真过程中保持固定。
• 优化参数：目标PAPR设为6.0dB，最大迭代次数10次，步长因子0.8。

2. FBMC-OQAM 调制器实现

调制器（fbmc_modulator）严格遵循FBMC物理层协议实现，流程包括：

• OQAM 映射：将输入的复数QAM符号拆解为实部和虚部，并在时域上交错排列（Offset）。偶数子载波传输实部/虚部序列，奇数子载波传输虚部/实部序列（并伴随相位旋转）。
• 相位调整：对时频网格应用特定的相位旋转 $frac{pi}{2}(m+n)$。
• IFFT 变换：对每个符号时间片执行IFFT操作。
• 多相滤波与重叠相加：将IFFT输出进行周期延拓（Repetition），与Phydias原型滤波器系数逐点相乘，最后通过Overlap-Add操作合成连续的时域信号。

3. 原型滤波器设计

通过 get_prototype_filter 函数实现。采用Phydias滤波器系数 $[1, 0.9719, 0.7071, 0.2351]$，构造长度为 $K times M$ 的滤波器脉冲响应，并进行能量归一化。

4. PAPR 抑制流程

在主循环中，程序首先生成全零预留子载波的原始FBMC信号，计算其初识PAPR。随后调用优化算法（run_tr_papr_reduction），在预留的频点上迭代计算并叠加反向峰值信号。该过程输出了优化后的时域信号及填充了优化权重的频域网格。

5. 性能评估逻辑

• PSD 统计：在每帧仿真中，累加原始信号和优化后信号的能够谱，最终取平均值以观察带外辐射情况。
• BER 仿真：

* 提取最后一帧优化后的频域网格作为发射源。 * 在设定的Eb/N0范围内（0-12dB），添加高斯白噪声（AWGN）。 * 调用解调器（fbmc_demodulator）恢复数据。 * 仅提取数据子载波位置的符号进行QAM解调和比特错误统计，验证PAPR抑制是否引入了不可接受的失真（理想情况下TR方案不应影响数据子载波的BER）。

结果输出

仿真主要输出以下包含关键性能指标的数据结构：

• ccdf_data：包含原始信号和PAPR抑制后信号的PAPR值列表。
• psd_data：存储了用于频谱分析的累积信号数据。
• ber_results：不同信噪比下的误比特率。
• example_timedomain：保存了首帧信号的时域片段，用于直观展示削峰效果。