SC-FDMA

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我是靠谱客的博主大意小海豚，最近开发中收集的这篇文章主要介绍SC-FDMA，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

转载
https://wenku.baidu.com/view/09c30f71be23482fb4da4c42.html

SC-FDMA

SC-FDMA的全称是 Signal-carrier frequency division multiple access。和其它多址接入方式(TDMA,FDMA,CDMA,OFDMA)一样。SC-FDMA主要是针对多用户共享通信资源所提出的，其作为LTE uplink的候选方案。那么SC-FDMA是在什么情况下提出的呢？SC-FDMA的提出是以OFDMA为基础，是针对OFDMA的以下缺点而提出的一种新的解决方案：
(1)较大的峰值均值比，PAPR较大；
(2)对于频偏敏感
因为SC-FDMA由于采用单载波的方式，与OFDMA相比之下具有较低的PAPR（峰值/平均功率比，peak-to-average power ratio），比多载波的PAPR低1-3dB左右（PAPR是由于多载波在频域叠加引起）。更低的PAPR可以使移动終端（mobile terminal）在发送功效方面得到更大的好处，进而可以延长电池的使用时间。SC-FDMA具有单载波的低PAPR和多载波的强韧性的两大优势。因此，FDD及TDD模式的LTE上行链路传输采用SC-FDMA。

系统结构配置SC-FDMA与OFDMA的系统结构框图如下图所示：
在这里插入图片描述
从图中可以清楚地看出SC-FDMA与OFDMA系统的结构差别。和OFDMA一样，在SC-FDMA系统中，用户使用不同的正交子载波传输符号信息。完成这一步操作的功能单元即为上图中的’Subcarriers Map’模块。SC-FDMA的子载波映射分为两种方式：

(1) Localized FDMA（LFDMA）
每个终端用户分配一段连续的子载波；每个终端用户的带宽为系统带宽的1/Q（假设有Q个用户）
(2) Distributed FDMA
每个终端用户分配一段不连续的子载波；每个终端用户的带宽扩展为整个系统的带宽； IFDMA(interleaved FDMA)是其一个特例；后面的分析都是基于IFDMA

两种分配方式的频谱示意图如下：
在这里插入图片描述
对应的载波映射频域信号示意图如图：

从上图我们发现，SC-FDMA中涉及到了多个子载波，那么为什么又称为Signal Carrier呢，下面我们从数学公式上作推导。

根据推导公式可以得到SC-FDMA系统时域信号的对应关系如下图：
在这里插入图片描述
对于IFDMA，发送信号是原始信号的周期延拓，而LFDMA只有在上图中黄色部分表示的信号等于原始调制后的信号，而其它位置的信号是调制后信号的加权。

SC-FDMA为什么叫做单载波

OFDMA中，数据符号被独立地调制到每一个子载波，因此在任何一个时点，每个子载波的振幅取决于数字信号调制方案的星座点。而在SC-FDMA，调制到特定子载波上的某个时点的所有数据符号的线性组合。
而对于DFT-S-OFDM，每个符号经过DFT扩展到各个子载波上，也就是说每个符号在各个子载波上都有信息承载，所以将这些子载波一起看作一个宽带载波，所以称为单载波。

SC-FDMA为什么峰均比低

SC-FDMA信号可以在时域生成，也可以在频域生成。出于和下行链路的兼容考虑，LTE选择了在频域生成 SC-FDMA技术，即DFT-S-OFDM（Discrete Fourier Transform-Spread OFDM）技术。该技术是在 OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。
OFDMA 称为多载波，是因为在时域上，调制完了以后，N 个符号同时传输的（每一个子载波传输负责一个符号的传输，所以符号的周期是延长了N倍）。而SC-FDMA, 虽然N个符号是一起调制的，但是他们是一个接着一个传送的，这就像我们普通的FDMA一样。

OFDMA 有较高的PAPR，这是因为，经过了IFFT 以后，每一个时域上的符号是那N个符号(这N 个符号是来自QPSK, 16QAM, 64QAM modulation )经过phase rotation的和（这个是由IFFT的那个公式来的）。这样，如果N足够大，通过中心极限定理，那每一个传输的符号就趋近于复高斯分布，幅度趋近于瑞利分布。瑞利分布有无限大的尾部，就是幅度的大小可以趋近于无穷大（尽管概率很小）。这样，最大power 和平均power 的比值（PAPR)就会很大了。
而SC-FDMA, 经过了DFT 和IDFT变换后，传送的符号就是输入的符号(符号周期变短了），所以 peak power 不会太大。正如上面一小节，不管SC-FDMA的频域是怎样的，是不是多个子载波，最后它传送的实际上是信号的周期重复，是时域信号（我个人认为是，单个频点的波形在表达原始信号在时域上的周期性重复，至于这个频点具体是多少，是某个特殊值还是某个子载波的中心频点，这都是时频域变换的东西）。而OFDM发送的是频域信号，是多个子载波信号的叠加。
对于OFDM，每个已调符号映射到不同的子载波上，然后叠加在一起发送，发送的时域信号就很多信号的叠加。
在这里插入图片描述
如上图所示，OFDM的每个时域符号发送的是所有用户的信息，而SC-FDMA的每个时域符号发送的是一个用户的信息。对于SC-FDMA来说，原始信号在经过DFT之后，每个频域符号是所有用户原始信号的线性组合，也就是说，每个时域符号所对应的所有子载波中的每一个子载波都承载着所有用户的信息，但是每一个时域符号整体（所有子载波）来说又只有一个用户的信息，这是因为所有子载波的信息经过线性组合之后再该时域符号上最终表达的是一个用户的信息。

听了老师的讲解之后的感受

以上都是自己通过百度或者书籍等等，摘抄的关于SC-FDMA的原理。在听了老师对于SC-FDMA的理解之后，我又发现了一些新的感受。
（1）关于SC-FDMA原理
SC-FDMA有时域生成和频域生成两种方式。时域生成，就是在时域上，提高采样率，周期性重复符号块，当然集中式传输和分布式传输在时域上的重复规律是不一样的。频域生成，就是在频域上，在DFT之后进行集中式的或者分布式的补0操作。频域生成里面的频域补0操作，就相当于时域生成里面的过采样和周期性重复。
频域生成方式的优点是：原则上不需要明确的脉冲成型滤波器，因为有隐含的“sinc”脉冲成型，带宽效率高；允许与OFDM下行链路十分相似的参数应用，包括相同的载波间隔，给定带宽中占用子载波数量及CP长度等，这给上下行链路提供了最大化的通用性，包括诸如相同的时钟频率。
时域生成方式的优点是有额外明确的脉冲成型滤波器，可以进一步降低PAPR，PAPR更低。
（2）SC-FDMA相比于OFDM峰均比较低的原因
SC-FDMA只是在OFDM的基础上，加了DFT以及频域补0操作。
各种资料以及老师对于SC-FDMA降低峰均比的解释是：如果单纯进行OFDM操作，比如QPSK调制下，多个符号是相同的星座点，即相同的相位，那么进行OFDM操作的话，就是每个子载波都是相同的相位，表现在射频波形上就是信号的叠加，这样势必会造成峰均比比较高。而对于SC-FDMA来说，会有一个DFT的操作，这样，即使是很多个同相位的符号，变换到频域之后就不是很多个相同的符号了。因为造成峰均比高的原因主要是，在OFDM操作之前，调制到每个子载波上的符号是相同的，而如果经过DFT操作，就不容易出现符号相同的情况了。情况1：DFT之前的很多个符号是同相位的，比如在QPSK调制中都是pi/4相位，那么经过DFT之后，（时域是常数，对应频域是冲激函数），就不会是很多个相同的符号了。情况2：那么，是不是还会有这样一种情况，就是时域是某种特殊的符号分布，然后DFT转换到频域之后就又变成很多个相同的符号了，那什么样的时域符号会对应着频域的相同符号呢？目测大概是时域的很多个符号组成了冲激函数或者Sa函数，但是我个人觉得是不可能出现这种情况的，因为数字调制方式中调制以后出现的离散信号就是固定的那么几个值，比如QPSK中就是1/（2）^(1/2)，怎么可能出现sa函数或者冲激函数。
另外，SC-FDMA中的频域补0操作，实际上是对信号的过采样；重点是DFT相当于一种平滑操作。