一文读懂信号峰均比，射频小白必备！
峰均比是无线通信系统中常见的一个参数，从名称我们能够很直观的看到，这个参数描述的就是信号峰值功率和平均功率的比值。它是无线通信系统中评估各种调制方案的效率和性能的关键指标。峰均比的英文全称是Peak to Average Power Ratio，因此通常简称为PAPR，或者PAR，这个我们在英文文档中会经常看到。因此，峰均比的公式就是：在射频设计中，通常会以概率小于 0.01％处的指标来检测信号的峰均比 。比如在通信系统里传输的无线信号，其功率在不同时刻有大有小，通过统计分析，取概率为 0.01％时出现的峰值功率与平均功率相比，得到的数值就是该信号的峰均比。No.1 信号的峰均比是怎么产生的？信号峰均比的产生并非偶然，而是由多种因素共同作用的结果。下面，我们从基带信号、基带滤波器、多载波功率叠加、载波自身四个方面来详细分析影响峰均比的因素。1，基带信号基带信号是未经调制的原始信号，经过调制之后，原始信号可以搭载上电磁波的翅膀，进而进行无线传输。但是不同的调制方式会使基带信号具有不同的峰均比 。像是采用 QAM（正交幅度调制）的基带信号，峰均比通常不为 0，这是因为 QAM 调制通过改变信号的幅度和相位来传输信息，信号的幅度存在变化，从而导致峰均比不为零，高阶QAM（如64QAM、256QAM）的峰均比更高，因为星座点数量增加，幅度变化范围更大。通常，16QAM的峰均比约为4.5 dB，而64QAM的峰均比可能达到7 dB左右。而 QPSK（四相移相键控）调制的基带信号在未经过滤波处理时，峰均比为 0，因为它是恒包络调制，信号的幅度保持恒定 。但是，当对 QPSK 调制的信号添加均方根升余弦滤波后，信号包络不再恒定，峰均比也就不再为零了。2，基带滤波器基带滤波器在信号处理中起着至关重要的作用，但它也会对峰均比产生影响。由于基带滤波器造成的振铃现象，也就是过冲，会带来额外的峰均比。当信号通过滤波器时，滤波器的特性可能会使信号在某些时刻出现幅度的过冲，这种过冲会导致信号的峰值功率增加，进而增大了峰均比。3，多载波功率叠加在多载波系统中，多个载波的功率叠加是导致峰均比增大的一个重要因素。以 OFDM（正交频分复用）系统为例，其峰均比与载波数密切相关，公式表示为 10*logN（N 为载波数） 。随着载波数量的增加，不同载波上的信号在叠加时，有可能出现多个信号的峰值在同一时刻相加的情况，从而使得合成信号的峰值功率大幅增加，而平均功率的增长相对较慢，最终导致峰均比增大。4，载波本身载波自身也会带来一定的峰值因子，一般来说，载波本身带来的峰值因子约为 3dB 。对于正弦波，其电压峰均比为 1.414/1，根据功率与电压的平方关系，功率峰均比就是 2，转换为对数形式即 10*log2 = 3dB。这意味着即使没有其他因素的影响，载波自身的特性就决定了信号会有一定的峰均比。No.2 峰均比有什么影响？峰均比在无线通信系统中扮演着重要角色，其数值高低对系统性能有着多方面的影响。当峰均比较高时，对功率放大器的线性区要求更为苛刻。在无线通信系统里，信号需要通过功率放大器进行放大以满足传输需求 。然而，一般功率放大器的动态范围是有限的，一旦峰均比较大的信号进入功率放大器，就极易使其进入非线性区域 。以 OFDM 信号为例，由于它是由多个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，导致峰均比增大。这种情况下，信号在非线性区域被放大，会出现非线性失真，造成明显的频谱扩展干扰，使信号的频谱不再局限于原本的带宽内，对相邻信道产生干扰，影响其他通信信号的正常传输；同时，还会引发带内信号畸变，导致接收端难以准确解调信号，误码率升高，进而严重降低整个系统的性能。此外，高峰均比还会增加功放器件的功耗，降低功率放大器的效率，造成能源的浪费。而低峰均比的信号，其峰值功率接近于平均功率，信号的动态范围较小 。在某些情况下，这使得信号处理相对容易一些，因为不需要功放具备过大的线性范围来处理大幅度的功率变化。但是，为了保证信号能够在无线信道中可靠传输，获得足够的传输范围，就需要对系统的动态范围进行适当调整 。如果调整不当，可能会导致信号在传输过程中受到噪声等干扰的影响增大，同样会影响通信质量。No.3 峰均比怎么测？通常使用信号分析仪来进行峰均比的测量，有一些频谱仪和功率计也具有测量信号峰均比的功能。以安捷伦和罗德施瓦茨的信号分析仪为例，在进行峰均比测试时，首先要将被测信号接入频谱分析仪 。然后，通过设置频谱分析仪的参数，如中心频率、带宽、扫描时间等，使其能够准确地捕捉到信号的特征。在测量过程中，频谱分析仪会对信号进行采样和分析，根据信号的功率分布情况，计算出信号在概率为 0.01％处的峰均比值 。总结峰均比作为衡量无线信号特性的关键指标，贯穿于无线通信的各个环节。它不仅与基带信号、基带滤波器、多载波功率叠加以及载波本身等因素密切相关，还对无线通信系统的性能有着深远影响。过高的峰均比会给功率放大器带来挑战，导致信号失真、干扰增加以及功耗上升等问题；而低峰均比虽然在某些方面降低了信号处理的难度，但也需要合理调整系统动态范围以确保通信质量 。注释：射频学堂原创或者转载的内容，其版权皆归原作者所有，其观点仅代表作者个人，射频学堂仅用于知识分享。如需转载或者引用，请与原作者联系。来源：射频学堂
