详解 PAPR：信号特性、影响因素及控制方法全解

一、PAPR的含义及其重要性

1、PAPR的含义

PAPR，即Peak to Average Power Ratio，中文翻译为峰值平均功率比，是衡量信号峰值功率与平均功率之比的指标。在无线通信系统中，特别是在正交频分复用（OFDM）系统中，由于多个子载波信号的叠加，可能会产生较大的瞬时功率峰值，导致PAPR升高。

2、PAPR的重要性

PAPR在无线通信系统中的重要性体现在以下几个方面：

• 功率放大器效率：较高的PAPR意味着信号的瞬时功率变化较大，可能导致功率放大器工作在非线性区域。这种情况下，放大器的效率会显著降低，因为大部分输入功率无法有效地转换为输出功率。
• 信号失真：当功率放大器工作在非线性区域时，会产生信号失真。这种失真主要表现为两种形式：带内失真和带外辐射。带内失真会影响信号的质量和可解调性，而带外辐射会造成对其他信道的干扰。
• 系统容量和覆盖范围：PAPR对系统容量和覆盖范围也有间接影响。较高的PAPR要求更大的发射功率预算，以补偿信号传播过程中的衰减。这不仅增加了系统能耗，还可能受到法规限制。
• 调制和编码效率：PAPR还影响调制和编码方案的选择。为了降低PAPR，系统设计者可能需要牺牲一些调制阶数或编码增益，从而影响系统的整体性能。
• 测量和分析：PAPR是一个单一的瞬时值，并不能提供信号随时间变化的整个过程的性能表现。因此，工程师们通常利用一个互补累积分布函数（CCDF）来监测PAPR，以获得信号在给定功率等级或以上所花的时间的统计信息。

综上所述，PAPR是无线通信系统中一个非常重要的参数，它直接影响到系统的性能、效率和可靠性。因此，降低PAPR是提高系统性能的一个关键技术挑战。

二、PAPR的影响因素

PAPR（Peak-to-Average Power Ratio，峰值平均功率比）是指信号的峰值功率与平均功率之间的比值。以下是影响PAPR的主要因素：

1、技术因素

• 调制方式：不同的调制方式会导致不同的PAPR。例如，高阶QAM调制虽然可以获得更高的比特率，但同时也伴随着更高的PAPR。
• 多载波系统：在多载波系统（如OFDM）中，由于多个子载波信号叠加，当各子载波相位相同或相近时，会产生较大的瞬时功率峰值，从而导致较高的PAPR。并且载波数量与PAPR之间存在近似对数关系：PAPR ≈ 10 * log10(N)，其中N为载波数量。
• 基带滤波器：基带滤波器的特性会影响PAPR。即使原本是恒包络的QPSK调制信号，在经过根升余弦滤波后也会产生一定的峰均比，因为滤波过程改变了信号的频谱分布，进而影响了功率的瞬时变化。
• 星座图映射：不同的星座图映射方案对PAPR有不同程度的影响。例如，格雷编码可以降低符号间的欧几里得距离，从而在一定程度上改善PAPR特性。
• 交织深度：交织操作可以在一定程度上平滑信号的功率波动，从而降低PAPR。然而，过深的交织可能会引入额外的延迟，这在实时通信系统中需要权衡。
• 预失真技术：通过在发射端引入可控的非线性失真，可以抵消功率放大器的非线性效应，从而改善PAPR特性。这种方法虽然有效，但可能会增加系统复杂度。
• 编码冗余：前向纠错(FEC)编码引入的冗余信息可以在一定程度上降低PAPR，但同时也会降低系统的传输效率。

2、应用场景因素

• 信号类型：不同类型的信号具有独特的功率分布特性。例如，正弦波信号具有恒定的功率，而脉冲信号则表现出明显的功率波动，这种固有的特性直接影响了PAPR的大小。
• 信号功率：较高的PAPR要求更大的发射功率预算，以补偿信号传播过程中的衰减。这不仅增加了系统能耗，还可能受到法规限制。同时，高PAPR还会增加接收端的解调难度，尤其是在远距离或弱信号条件下。
• 调制和编码效率：PAPR还影响调制和编码方案的选择。为了降低PAPR，系统设计者可能需要牺牲一些调制阶数或编码增益，从而影响系统的整体性能。

三、PAPR的控制方法

PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰值平均功率比）是无线通信系统中的一个重要指标，特别是在OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）系统中。高峰均比会导致信号失真和功率放大器效率降低，因此需要有效的控制方法。以下是一些常见的PAPR控制方法及其优缺点：

1、常见的PAPR控制方法

1. 信号预畸变方法
   • 限幅（Clipping）：直接将信号的峰值限制在一定范围内。
   • 优点：简单易行，能有效降低PAPR。
   • 缺点：会导致信号失真，增加带外辐射。
2. 概率类方法
3. 选择映射（Selected Mapping, SLM）：通过随机改变子载波的相位，生成多个备选信号，选择PAPR最低的信号进行传输。
4. 优点：能提供较低的PAPR。
5. 缺点：计算复杂度高，需要传输额外的相位信息。
6. 部分传输序列（Partial Transmit Sequence, PTS）：将OFDM符号分成多个子块，通过优化子块的相位和幅度来降低PAPR。
7. 优点：在计算复杂度和PAPR降低能力之间取得了折衷。
8. 缺点：需要传输额外的相位因子信息。
9. 优点：不会额外占用带宽，操作方便。
10. 缺点：信号的平均功率会因星座点之间距离的增大而变大。
11. 优点：能够适应复杂的信号环境，提供较好的PAPR抑制效果。
12. 缺点：需要大量的训练数据和计算资源，模型训练时间长。
13. 编码类方法
14. 动态星座图扩展（Active Constellation Extension, ACE）：通过扩展星座图的外部点来降低PAPR。
15. 基于深度学习的方法：利用神经网络等深度学习技术来优化信号处理，降低PAPR。

2、PAPR控制方法的优缺点对比

在实际应用中，需要根据具体的系统要求和资源限制来选择合适的PAPR控制方法。例如，在计算资源有限的情况下，可以选择限幅或部分传输序列方法；而在对PAPR要求较高的场景下，可以考虑选择映射或基于深度学习的方法。

四、PAPR的实际应用

PAPR（峰值平均功率比）在通信系统和电力电子设备中有广泛的应用。以下是具体的应用场景：

1、通信系统中的应用

• MIMO-OFDM系统：

  • PAPR是MIMO-OFDM系统中的一个关键问题。由于OFDM符号是由多个独立经过调制的子载波信号叠加而成，当子载波相位相同或相近时，会产生较大的瞬时功率峰值，导致较高的PAPR。这可能使信号进入功率放大器的非线性区域，造成信号失真和频谱扩展干扰，影响系统性能。
  • 为降低PAPR，可采用多种技术，如选择性映射（SLM）、部分传输序列（PTS）等，这些技术通过在多个天线上使用不同的信号处理方法来降低PAPR。
• 无线通信系统中的低PAPR序列设计：
  • 低PAPR序列在OFDM通信系统中有重要应用，例如作为前导码中的信道估计训练字段。发射端发射低PAPR序列，由于其在传输过程中不易畸变，接收端可利用其进行信道估计。此外，低PAPR序列通常具有良好的自相关性能。

• 卫星通信系统：

  • 在QAM-OFDM卫星通信系统中，PAPR抑制方法的研究对于提高系统性能至关重要。高PAPR限制了OFDM信号在卫星通信系统中的应用，因此需要采用有效的PAPR抑制技术来满足卫星通信高数据率和高可靠性传输的要求。

2、电力电子设备中的应用

• 电力系统中的电力电子控制器：在输电线路中安装电力电子控制器，实现对输电线路的动态控制。这不仅可以提高输电线路的传输容量，改善系统的动态性能，增强系统的稳定性，还能延长设备的使用寿命，减少对电网的负荷需求，促进整体能源的节约。

• 新能源发电中的电力电子技术：在新能源发电（如风能、太阳能等）中，电力电子变换技术将新能源转化成的电能进行变换和调整，以达到最大利用率及与电网或负载合适匹配。新能源发电中的电力电子技术应用特点包括适应能源供给的随机性和并网发电的高要求，如输入电压范围大、网侧输出电能质量高，同时具有低电压穿越和孤岛保护等功能。

• 微网并网中的电力电子技术：微网作为一种小型的、局部的电力供应网络，在其建设和运行过程中，电力电子技术发挥着核心角色。逆变器等设备通过将微网中的直流电转换为交流电，并确保与主电网的电力交互无缝进行，实现了微网与主电网之间的连接和能量交换。这种能量交换的灵活性使得微网能够根据实际需求调整其供电方式，实现双向流动的电能。

五、PAPR在4G和5G通信系统中有哪些具体的影响

1、4G通信系统中的PAPR影响

在4G通信系统中，正交频分复用（OFDM）是无线传输部分的核心技术。OFDM系统中，不同子载波信号经过IFFT运算后，会产生较高的峰值功率，导致整个信号的峰均功率比（PAPR）较高。PAPR的高低会对无线通信系统产生显著影响，特别是在功率放大器（PA）的使用上。由于PA的饱和特性，高PAPR可能导致信号失真或非线性失真，增加PA的功耗，降低其效率。此外，高PAPR还可能限制系统的传输范围和可靠性。

2、5G通信系统中的PAPR影响

5G通信系统引入了多种新型波形，如FBMC、UFMC和GFDM，这些波形同样基于OFDM，因此也面临PAPR高的问题。5G候选波形的PAPR与完全标准化的LTE技术相比，可能会有所不同。例如，FBMC、UFMC和GFDM作为纯粹的物理层概念，缺乏充分定义的加扰方法，这可能会影响它们的PAPR表现。

在5G系统中，PAPR的管理仍然是一个关键挑战。为了解决这个问题，研究者们提出了多种PAPR抑制技术，如限幅技术、编码技术、加扰技术、自适应预失真技术和DFT扩频技术等。这些技术旨在降低信号的PAPR，以减少对系统性能的负面影响。

总的来说，无论是4G还是5G通信系统，PAPR都是一个重要的考虑因素，它直接关系到系统的能效、传输质量和设备成本。随着通信技术的不断进步，降低PAPR的技术也在不断发展，以满足更高效、更可靠的通信需求。

六、如何通过信号扰码来降低PAPR

1、信号扰码降低PAPR的基本原理

信号扰码技术是一种用于降低正交频分复用（OFDM）系统中峰均功率比（PAPR）的方法。PAPR是衡量OFDM信号峰值与平均值之比的指标，过高的PAPR会导致放大器效率下降，增加功耗，甚至可能损坏放大器。

扰码技术通过在信号的每个子载波上添加特定的相位因子来工作。这些相位因子可以是随机的，也可以是根据某种规则选择的。通过这种方式，扰码技术可以改变子载波之间的相位关系，从而降低整个OFDM信号的PAPR。

2、常见的扰码技术

• 选择性映射（SLM）：选择性映射（SLM）是一种常用的扰码技术，它通过在发送端对OFDM信号的子载波进行独立扰码处理，然后选择PAPR值最小的OFDM帧进行传输。SLM技术可以有效降低PAPR，但需要传输附加信息位，因此可能会降低频带利用率，并增加硬件实现的复杂度。
• 部分传输序列（PTS）：部分传输序列（PTS）是另一种扰码技术，它将输入的OFDM信号分割成多个互不重叠的子块，每个子块向量大小相等，子块中没有继承原OFDM符号的相应位置的取值为零。然后引入旋转因子，在一定范围内均匀分布，用旋转因子去加权V个子块，得到时域信号。通过选择不同的旋转因子，可以降低PAPR，使具有最低峰值的时域信号被传输。PTS技术适用于任意数量的子载波数，且星座调制的种类不受限制。

3、最新研究进展

近年来，研究者们提出了一些改进的扰码技术，例如基于量子混沌映射的改进选择性映射算法，这种算法采用量子混沌映射作为随机相位序列矢量，解决了传统混沌映射的不动点和稳定窗问题，提供了大量具有良好相关特性和随机特性的信号，有助于降低系统的PAPR。此外，还有研究提出了将随机分割子序列与迭代移位搜索加权因子相结合的改进PTS算法，这种算法在改善PAPR性能和计算复杂度之间取得了很好的折衷。

4、结论

信号扰码技术是降低OFDM系统PAPR的有效方法之一。通过在信号的子载波上添加特定的相位因子，可以改变子载波之间的相位关系，从而降低整个OFDM信号的PAPR。随着研究的深入，新型的扰码技术不断涌现，为降低PAPR提供了更多的选择。

七、为什么PAPR会导致频谱扩展

PAPR（Peak-to-Average Power Ratio，峰值平均功率比）是衡量信号峰值与平均值之比的指标，它反映了信号功率的波动程度。在OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）系统中，由于信号是由多个独立经过调制的子载波信号叠加而成的，当这些子载波的相位相同或者相近时，叠加信号会产生较大的瞬时功率峰值，从而导致PAPR升高。

当PAPR值过高时，信号在通过功率放大器放大时容易进入非线性区域，导致信号产生非线性失真。这种失真会使信号的频谱发生扩展，即原本集中在特定频段的能量向周围扩散，形成旁瓣。这些旁瓣不仅占据了额外的频带资源，而且可能会干扰到其他无线通信系统或者电磁频谱中的其他信号，从而降低系统的整体性能。

为了解决PAPR过高导致的频谱扩展问题，研究者们开发了多种技术，如选择性映射（Selective Mapping, SM）、部分传输序列（Partial Transmit Sequence, PTS）和滤波器剪裁（Filter Bank Precoding, FBP）等，这些技术旨在降低OFDM信号的PAPR，从而减少非线性失真和频谱扩展，改善系统性能。