峰均比降低技术（CFR）

峰均比降低技术（CFR）是一项在无线通信系统中至关重要的技术，主要用于解决OFDM等多载波调制信号高峰均功率比（PAPR）所带来的功率放大器效率问题。

波峰系数削减CFR (Crest Factor Reduction)，简称削峰，是目前无线通信系统中最基本的构建块之一。什么是"削峰"，或者说削什么峰？

这需要从OFDM调制的时域基带波形说起。

如果是OFDM调制的时域基带波形。

从上述时域信号的波形可以看出，信号的最高峰值与平均幅度之间有巨大的差距，用专业术语说，就是峰均比（峰值/均值）比较高。

"削"的就是信号中的峰值，尽量是信号均匀分布，峰均比（峰值与均值）要尽量小。

峰均比C：PAR（Peak to Average Rate）

（1）这与OFDM调制有关，OFDM多址调制技术，有内在的峰均比较高的特点。

至于为什么会出现这种现象，主要是由于OFDM的时域信号，是所有子载波时域信号的叠加，如果某一时刻，正好是所有子载波的时域信号值都为正或都为负，这时候的峰值就比较大，而大部分时间，各个子载波的幅度有正有负，基本上稳定在一定的数值上，这个数值就是均值。

（2）峰均比高容易信号的峰值工作在功率放大器的非线性区域，"削峰"可以使基带信号调制后，工作在功率放大器的线性区域。

（3）通过削峰，使得信号，尽可能的工作在功率放大器接近非线性的区域，提高功率放大器的效率。CFR 可用于缩小一个传输信号的动态范围，以便用于传输该信号的放大器能够尽可能的工作在其线性区间。

打个比方，南京早晚高峰在路上行驶的车辆为120万辆，夜间在路上行驶的车辆为10万辆，全天平均上路行驶的车辆为40万辆。那么，南京车辆的峰均比就是3倍。

那么这就带来一个问题：

如果我们建设道路按照满足峰值的需求来建设，则会带来很大的资源浪费，因为在大部分时间是用不到这么多道路资源的。

如果按照均值来建设道路，则在早晚高峰的时候会带来很大的拥堵。

到底使用哪种方案来建设道路，则需要在这两种情况之间进行trade off（折中、平衡）。

在LTE通信中，过高的峰均比同样会带来问题，功放（PA： Power Amlifer）有一定的线性区域，发送信号需要工作在线性区域之内。

选用功率大的PA会造成功率浪费，

而选用功率小的PA会使得峰值状态工作在非线性区域，带来信号的失真和带外泄露（产生带外的高频谐波分量），带外泄露可通过添加滤波器来进行处理。

降低信号的峰值是一种折中方案，会对信号的质量有一定的影响，但比信号进入功率放大器的非线性区的带来的负面影响要小得多。

在深入了解CFR之前，我们需要先理解PAPR过高带来的挑战：

信号特点：在4G LTE和5G NR等系统中广泛使用的OFDM（正交频分复用）调制，其信号由多个独立的子载波叠加而成。当这些子载波的相位接近时，其功率会叠加，导致瞬时功率非常高，从而产生高峰均比（PAPR）。实际中，LTE信号的PAPR可能达到12dB。
核心问题：功率放大器（PA）的线性动态范围有限。当信号峰值超过放大器的线性区，进入饱和区时，会导致信号非线性失真，恶化系统性能（如误码率提升）。为了避免这种情况，传统的做法是进行"功率回退"，即让放大器工作在远低于其饱和点的区域，但这会显著降低功率放大器的效率。

CFR技术直接在数字域对信号进行处理，旨在降低信号的PAPR，使其更适合功率放大器高效工作。

PC-CFR（峰值抵消CFR）

基本原理：这是目前常用且削峰能力较佳的算法。它通过提取超过设定门限的信号峰值，经过脉冲成型滤波器生成一个与原始信号频谱相匹配的抵消信号，最后从原始信号中减去这个抵消信号，从而降低峰值。

FPGA实现：在FPGA上实现PC-CFR，通常会用到乘法器、开平方根、除法器等IP核。为了提高削峰效果，有时会级联多个算法模块进行深度削峰。

性能权衡：PC-CFR算法在降低PAPR的同时，会引入一定的非线性失真，具体表现为误差向量幅度（EVM）的恶化。例如，一个测试案例中，PAPR降低约2dB时，EVM恶化了约2.5%。因此，实际应用中需要在PAPR降低量和EVM恶化程度之间取得平衡。

其他CFR算法

除了PC-CFR，还存在多种不同的CFR技术，它们各有特点，适用于不同的场景：

下表整理了几种常见的CFR算法及其特点：

算法名称	核心原理	主要优势与特点	局限性
限幅滤波法	直接对超过门限的信号峰值进行限幅，然后滤波以抑制带外频谱扩展。	实现简单	会带来带外频谱再生和带内失真，性能有限。
部分传输序列(PTS)	将输入数据块分割为多个子块，分别进行相位优化后合并，选择PAPR最小的一组进行传输。	能够有效降低PAPR，且不会引起带内失真。	计算复杂度较高。
选择性映射(SLM)	产生多个具有相同信息的候选信号，选择PAPR最低的进行传输。	能有效降低PAPR，且不会引起带内失真。	需要传输边带信息(SI)给接收端，存在改进方案以减少SI传输量。
音调注入(TI)	通过注入特定的"音调"（信号）来调整信号的峰值。	可以在不损失带宽的情况下降低PAP。	可能导致峰值再生和平均发射功率增加。
PC-CFR与PTS等算法的联合改进方案	结合PC-CFR和PTS等多种算法的优点。	旨在进一步降低信号的非线性失真（如EVM），改善系统误码性。	算法可能更复杂。

CFR技术一直在不断演进，以适应新的通信需求：

**低失真改进：**研究者们致力于改进CFR算法以降低其对信号质量的影响。例如，有研究提出将PC-CFR与部分传输序列(PTS)算法联合，仿真表明该方案能显著降低信号的EVM，并改善系统误码率性能。

**针对特定信号与系统：**CFR技术的研究也扩展至5G、载波聚合(CA)、OCDM（正交线性调频复用）等特定信号和系统场景。例如，有研究提出了用于载波聚合的节能智能CFR (E2S-CFR) 方法，根据不同载波所需的EVM施加不同权重来降低PAPR，从而提高能源效率(EE)。

与DPD协同工作： 在实际系统中，CFR通常与数字预失真(DPD) 技术结合使用。CFR先降低信号的PAPR，然后DPD再对功率放大器引入的非线性失真进行预补偿，两者协同工作，能显著提升整个发射链路的线性度和效率。

CFR是无线通信，特别是OFDM系统中一项关键的前端信号处理技术。它通过在数字域有控制地"修剪"信号峰值，使功率放大器可以更高效地工作，直接提升了系统的功率效率和集成度。PC-CFR因其较好的削峰性能而被广泛应用，但同时也需关注其带来的信号失真问题，因此各种改进型和混合型算法不断涌现。