利用模擬預失真技術實現射頻功率放大器線性化

本文探討了模擬預失真的基本原理，用于實現射頻放大器的線性化，并回顧了幾種常見實現方法。 

現代通信系統采用具有時變包絡和相位角的信號。為處理這些信號，發射機既需要線性功率放大器（PA），又要求放大器具有高效率。但眾所周知，這類放大器不可避免地存在非線性特性。 

幸運的是，有多種方法可以實現功率放大器的線性化。我們在前一篇文章中介紹的"前饋線性化"技術，就是通過提取失真分量并從放大器輸出信號中消除來實現的。 

預失真則是另一種常用線性化技術。它不在輸出端校正信號，而是在功率放大器前插入非線性電路，使整體響應呈現線性特性。該電路被稱為預失真器或預失真線性化器。 

預失真技術可分為模擬與數字兩種實現方式。本文將聚焦模擬預失真技術。我們將看到，利用簡單的二極管電路即可有效實現幅度和相位的線性化校正。不過首先，讓我們系統性地了解預失真的基本原理。 

預失真基本原理 

預失真技術的關鍵在于預先掌握功率放大器的非線性特性，并據此調整輸入信號。預失真器與功率放大器的特性曲線關于理想線性響應呈鏡像對稱關系，如圖1所示。 

預失真器的響應特性是功率放大器非線性特性的逆函數。 

圖1. 預失真器響應與PA非線性特性呈逆函數關系（圖片來源：Steve Arar） 

例如，若功率放大器的靜態特性可表示為y = g(x)，則預失真電路應呈現逆傳遞特性（y = g?1(x)）。 

壓縮特性的補償 

圖1展示了功率放大器呈現壓縮特性的常見場景。為補償這種特性，預失真電路需要對信號幅度進行擴展，確保預失真器與功率放大器的組合輸出是輸入信號的線性放大版本（圖2）。 

幅度擴展可抵消功率放大器的壓縮特性。 

圖2. 幅度擴展補償功率放大器的壓縮特性（圖片來源：Steve Arar） 

需注意，預失真器需要同時適當調整輸入信號的幅度和相位。在高驅動電平下，預失真器通常設計為提供正向幅度偏差和負向相位偏差，如圖中所示。 

預失真的功率與頻率考量 

圖1中功率放大器在飽和區的特性曲線斜率趨于平緩，這就要求預失真曲線具有垂直特性。因此，功率放大器的飽和區難以通過預失真器完全補償。預失真技術僅在功率放大器未飽和的功率電平范圍內有效。 

這也意味著功率放大器的飽和點決定了預失真器/功率放大器組合系統的最大輸出功率上限。而峰值功率還可能受限于預失真器的最大擴展能力。 

預失真可在射頻、中頻或基帶頻率實施。無論哪種情況，技術難點都在于確定并生成合適的預失真器傳遞函數。其核心思想始終一致：例如當功率放大器具有壓縮特性時，我們對輸入信號施加擴展特性，使得信號經過發射鏈非線性處理后恢復至理想波形。 

模擬預失真實現 

當線性化要求適中時，可采用模擬預失真電路對功率放大器進行線性化。這類預失真器可同時補償幅度和相位非線性。 

典型的模擬預失真電路是具有擴展式插入損耗特性的衰減器。一種實現方式是采用兩條平行信號路徑：一條具有線性增益，另一條具有非線性壓縮增益（圖3）。 

左：模擬預失真器原理示意圖 右：放大器與預失真器的增益特性 

圖3. 左：模擬預失真器框圖 右：各模塊增益特性（圖片來源：Steve Arar） 

通過從線性路徑輸出中減去非線性路徑輸出獲得最終信號。由于非線性放大器的壓縮特性，其在大信號電平下增益降低，導致預失真器整體增益上升（見圖3增益曲線）。這種增益提升可補償后續功率放大器的增益滾降。 

基于二極管的模擬預失真 

圖4展示了如何用二極管限幅器實現上述框圖

基于二極管的模擬預失真實現 

圖4展示了如何采用二極管限幅器實現前文框圖中的非線性信號路徑。 

使用二極管限幅器構建模擬預失真器的非線性路徑 

圖4. 二極管限幅器實現方案（圖片來源：Steve Arar） 

在低信號電平下，二極管處于截止狀態，上路徑衰減量由固定衰減器決定。當驅動電平升高時，二極管開始導通，從而增加該路徑的衰減量。通過相位調節模塊與衰減器的配合使用，可精確調整預失真器的響應特性。 

串聯二極管與并聯電容線性化器 

這種二極管方案為模擬預失真器提供了系統化實現路徑。現有文獻記載了多種創新電路，利用二極管和晶體管的非線性特性為信號路徑添加增益擴展功能。圖5展示了一個經典案例。 

二極管預失真器電路結構 

圖5. 典型二極管預失真電路（圖片來源：K. Yamauchi） 

該線性化器由并聯二極管-電容組合構成，整體與信號路徑串聯。電路還包含兩個RF扼流圈（提供直流饋電）和兩個隔直電容。當驅動電平增大時，二極管平均電流上升導致動態電阻減小。由于二極管串聯在信號通路中，其電阻降低使得預失真器的插入損耗減小——這種效應等效于實現增益擴展。 

并聯電容Cp用于調節預失真器的相位偏移。圖6展示了該電路在1.9GHz頻點下，不同二極管正向電流的實測響應。 

圖5電路的實測響應特性 

圖6. 預失真器幅度/相位響應實測（圖片來源：K. Yamauchi） 

測試數據顯示，當正向電流在0.1mA至1mA區間時，電路能產生正向幅度偏差與負向相位偏差，完全滿足功率放大器線性化的預失真需求。 

并聯二極管與偏置電阻線性化器 

同一研究團隊還開發了圖7所示的預失真結構。 

功率放大器前級的簡易預失真電路 

圖7. 帶偏置電阻的并聯二極管預失真器（圖片來源：K. Yamauchi） 

該方案采用并聯二極管與偏置電阻(Rb)組合來補償非線性PA的失真。線性化器輸入端和輸出端均設有隔直電容。小信號工作時二極管保持正向偏置，但在大信號輸入時，二極管電流波形谷底會出現削波現象。 

這種整流效應增大了二極管的直流電流分量。由于直流電流流經偏置電阻Rb，驅動電平升高會導致Rb兩端壓降增大，反而降低二極管兩端的直流偏壓。這使得二極管的等效電阻隨信號電平增大而升高，最終形成擴展型幅度響應。圖8展示了三種供電電壓下的電路響應曲線。 

圖7電路的仿真響應特性 

圖8. 不同Vcc電壓下的預失真器響應（圖片來源：K. Yamauchi） 

曲線明確顯示出擴展響應特性，證明該電路至少在有限動態范圍內可作為有效的預失真器使用。 

應用場景分析 

盡管文獻記載的各類模擬預失真電路通常僅能帶來有限的線性度提升，且優化效果往往局限于特定功率區間或帶寬段，但它們具有顯著優勢： 

? 成本低廉 

? 功耗優異 

? 實現簡單 

這種適度的線性改善對移動無線電設備尤為有益。此外，它們還能與更復雜的系統級線性化技術（如前饋技術）結合使用，進一步提升誤差放大器的線性度。需要注意的是，基于二極管的線性化技術僅在有限功率范圍內有效，因此具體電路的選擇必須根據放大器的實際工作電平進行優化匹配。