探索射頻放大器線性化的模擬預失真基本概念

現代通信系統使用具有時變包絡和相位角的信號。為了處理這些信號，發射機需要線性功率放大器（PA）。然而，它們還需要高效率的功率放大器。眾所周知，這樣的放大器不可避免地是非線性的。幸運的是，有許多方法可以線性化功率放大器的響應。我們在上一篇文章中學到的一種方法是找到失真并從功率放大器的輸出信號中減去它，這被稱為前饋線性化。預失真是另一種常用的線性化技術。它不是在輸出端校正信號，而是在功率放大器之前放置一個非線性電路，使組合響應變得線性。這個電路被稱為預失真器或預失真線性化器。預失真可以使用模擬或數字技術實現。在本文中，我們將專注于模擬預失真。正如我們將看到的，使用簡單的二極管電路可以有效地實現幅度和相位線性化。首先，讓我們更一般地考察預失真的基本原理。

預失真的基本原理

要使預失真起作用，事先了解功率放大器的非線性至關重要。然后我們相應地調整輸入信號。預失真器和功率放大器的特性是關于期望的線性響應的鏡像。這種關系在圖1中進行了說明。

圖1. 預失真器的響應是功率放大器非線性特性的逆。圖片來源于Steve Arar。

例如，考慮一個期望具有單位增益的功率放大器。然而，由于非線性，其靜態特性根據函數y=g(x)變化。在這種情況下，預失真電路應表現出逆傳遞特性（y=g^-1(x)）。

補償壓縮特性

圖1描繪了一個常見的情況，即功率放大器表現出壓縮特性。為了補償，預失真電路必須擴展信號幅度。這確保了預失真器/功率放大器組合產生原始輸入的放大副本（圖2）。

圖2. 擴展信號幅度抵消功率放大器的壓縮特性。圖片來源于Steve Arar。

注意，預失真器需要適當地修改輸入信號的幅度和相位。在高驅動電平下，預失真器通常被設計為提供正幅度偏差和負相位偏差，類似于上圖中所示的預失真器響應。預失真的功率和頻率考慮圖1中功率放大器特性的斜率在飽和區域是平坦的，這需要一個具有垂直特性的預失真曲線。因此，使用預失真器補償功率放大器的飽和區域可能具有挑戰性。預失真技術僅在不會導致功率放大器飽和的功率電平上有效。這也意味著功率放大器的飽和決定了組合預失真器/功率放大器系統的上限功率。峰值功率可能進一步受到預失真器的最大擴展能力的限制。預失真可以在射頻（RF）、中頻（IF）或基帶頻率上實現。在所有情況下，難點在于確定和生成適當的預失真器傳遞函數。無論在何處執行預失真，基本思想仍然相同。例如，如果功率放大器具有壓縮特性，我們在輸入信號上應用一個擴展特性。這樣，在經過發射機鏈的非線性后，波形恢復為其期望的形狀。

模擬預失真

當對線性的要求適中時，可以使用模擬預失真電路來線性化功率放大器。這些預失真器可以被設計為補償幅度和相位非線性。通常，模擬預失真電路是具有擴展插入損耗特性的衰減器。一種實現方法是使用兩條并行信號路徑：一條具有線性增益，另一條具有非線性壓縮增益。這個概念在圖3中進行了說明。

圖3. 左：模擬預失真器的方框圖。右：放大器和預失真器的增益。圖片來源于Steve Arar。

通過從線性路徑的輸出中減去非線性路徑的輸出來獲得輸出。由于其壓縮非線性特性，非線性放大器在大信號電平時增益降低。正如我們在圖3的增益圖中看到的那樣，這導致預失真器的整體增益增加。增加的增益補償了隨后功率放大器的增益衰減。

使用二極管電路的模擬預失真

圖4展示了如何使用二極管限制器來實現上述方框圖中的非線性路徑。

圖4. 使用二極管限制器實現模擬預失真器的非線性路徑。圖片來源于Steve Arar。

在低信號電平時，二極管不導通，上路徑的衰減由衰減器決定。在高驅動電平時，二極管開始導通，增加了該路徑的衰減。可以使用相位移和衰減器塊來調整預失真器的響應。

帶有串聯二極管和平行電容的線性化器

基于二極管的方法為我們提供了一種實現模擬預失真器的系統化方法。文獻中介紹了各種創新電路，它們利用二極管和晶體管的非線性行為向信號路徑添加增益擴展。圖5描繪了一個著名的例子。

圖5. 基于二極管的預失真器電路。圖片來源于K. Yamauchi。

這個線性化器由一個與電容并聯的二極管組成。這個二極管-電容電路與信號路徑串聯。預失真器還使用兩個射頻扼流圈用于直流饋電和兩個直流阻斷電容。在高驅動電平時，通過二極管的平均電流增加，降低了二極管的動態電阻。鑒于二極管與信號路徑串聯，在高輸入信號電平時其電阻的降低導致預失真器中的插入損耗減少。減少的插入損耗也可以被視為增益擴展。并聯電容Cp允許我們調整預失真器的相位移。圖6顯示了在1.9 GHz下，對于不同的正向二極管電流值，預失真器的響應。

圖6. 圖5中基于二極管的預失真器的測量響應。圖片來源于K. Yamauchi。

根據圖6中的測量結果，該電路在0.1 mA到1 mA的正向電流下產生正幅度偏差和負相位偏差。因此，這個電路可以用作功率放大器線性化的預失真器。

帶有并聯二極管和偏置饋電阻的線性化器

提出上述電路的同一個研究團隊還開發了圖7中的預失真器。

圖7. 一個簡單的預失真器電路位于功率放大器的上游。圖片來源于K. Yamauchi。

在這種情況下，使用一個與偏置饋電阻（Rb）并聯連接的二極管來補償非線性功率放大器的失真。線性化器在其輸入和輸出處各包含兩個直流阻斷電容。在小信號操作期間，二極管處于正向偏置狀態。然而，對于大信號輸入，流經二極管的電流在電流波形的低谷處被裁剪。這種整流增加了流經二極管的直流電流。由于直流電流通過偏置電阻Rb，隨著我們增加驅動電平，Rb上的電壓降增大。這反過來又降低了二極管上的直流電壓。因此，二極管的等效電阻隨著信號電平的增加而增加，從而產生擴展幅度響應。

圖8顯示了該預失真器對于三種不同電源電壓的響應。

圖8. 圖7中預失真器對于三個不同Vcc值的計算響應。圖片來源于K. Yamauchi。

該曲線圖顯示了擴展響應。因此，該電路可以在有限的動態范圍內用作預失真器。應用盡管文獻中介紹了各種模擬預失真電路，但它們通常只能提供微小的線性度提升。此外，它們通常只在功率范圍或帶寬的某個特定“最佳工作點”上提供這種改進。然而，這些電路具有以下優點：

• 成本低

• 功耗低

• 實現簡單

它們提供的適度線性增益對移動無線電是有益的。此外，它們有時可以與更復雜的系統級線性化技術（例如前饋）集成，以增強誤差放大器的線性度。由于基于二極管的線性化技術僅在有限的功率范圍內提供所需的響應，因此為給定放大器選擇合適的線性化電路取決于其功率水平。