利用模擬預(yù)失真技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻功率放大器線性化

本文探討了模擬預(yù)失真的基本原理，用于實(shí)現(xiàn)射頻放大器的線性化，并回顧了幾種常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方法。 

現(xiàn)代通信系統(tǒng)采用具有時(shí)變包絡(luò)和相位角的信號(hào)。為處理這些信號(hào)，發(fā)射機(jī)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(lèi)放大器不可避免地存在非線性特性。 

幸運(yùn)的是，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)功率放大器的線性化。我們?cè)谇耙黄恼轮薪榻B的"前饋線性化"技術(shù)，就是通過(guò)提取失真分量并從放大器輸出信號(hào)中消除來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 

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

預(yù)失真技術(shù)可分為模擬與數(shù)字兩種實(shí)現(xiàn)方式。本文將聚焦模擬預(yù)失真技術(shù)。我們將看到，利用簡(jiǎn)單的二極管電路即可有效實(shí)現(xiàn)幅度和相位的線性化校正。不過(guò)首先，讓我們系統(tǒng)性地了解預(yù)失真的基本原理。 

預(yù)失真基本原理 

預(yù)失真技術(shù)的關(guān)鍵在于預(yù)先掌握功率放大器的非線性特性，并據(jù)此調(diào)整輸入信號(hào)。預(yù)失真器與功率放大器的特性曲線關(guān)于理想線性響應(yīng)呈鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系，如圖1所示。 

預(yù)失真器的響應(yīng)特性是功率放大器非線性特性的逆函數(shù)。 

圖1. 預(yù)失真器響應(yīng)與PA非線性特性呈逆函數(shù)關(guān)系（圖片來(lái)源：Steve Arar） 

例如，若功率放大器的靜態(tài)特性可表示為y = g(x)，則預(yù)失真電路應(yīng)呈現(xiàn)逆?zhèn)鬟f特性（y = g?1(x)）。 

壓縮特性的補(bǔ)償 

圖1展示了功率放大器呈現(xiàn)壓縮特性的常見(jiàn)場(chǎng)景。為補(bǔ)償這種特性，預(yù)失真電路需要對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行擴(kuò)展，確保預(yù)失真器與功率放大器的組合輸出是輸入信號(hào)的線性放大版本（圖2）。 

幅度擴(kuò)展可抵消功率放大器的壓縮特性。 

圖2. 幅度擴(kuò)展補(bǔ)償功率放大器的壓縮特性（圖片來(lái)源：Steve Arar） 

需注意，預(yù)失真器需要同時(shí)適當(dāng)調(diào)整輸入信號(hào)的幅度和相位。在高驅(qū)動(dòng)電平下，預(yù)失真器通常設(shè)計(jì)為提供正向幅度偏差和負(fù)向相位偏差，如圖中所示。 

預(yù)失真的功率與頻率考量 

圖1中功率放大器在飽和區(qū)的特性曲線斜率趨于平緩，這就要求預(yù)失真曲線具有垂直特性。因此，功率放大器的飽和區(qū)難以通過(guò)預(yù)失真器完全補(bǔ)償。預(yù)失真技術(shù)僅在功率放大器未飽和的功率電平范圍內(nèi)有效。 

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

預(yù)失真可在射頻、中頻或基帶頻率實(shí)施。無(wú)論哪種情況，技術(shù)難點(diǎn)都在于確定并生成合適的預(yù)失真器傳遞函數(shù)。其核心思想始終一致：例如當(dāng)功率放大器具有壓縮特性時(shí)，我們對(duì)輸入信號(hào)施加擴(kuò)展特性，使得信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射鏈非線性處理后恢復(fù)至理想波形。 

模擬預(yù)失真實(shí)現(xiàn) 

當(dāng)線性化要求適中時(shí)，可采用模擬預(yù)失真電路對(duì)功率放大器進(jìn)行線性化。這類(lèi)預(yù)失真器可同時(shí)補(bǔ)償幅度和相位非線性。 

典型的模擬預(yù)失真電路是具有擴(kuò)展式插入損耗特性的衰減器。一種實(shí)現(xiàn)方式是采用兩條平行信號(hào)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(yù)失真器原理示意圖 右：放大器與預(yù)失真器的增益特性 

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

通過(guò)從線性路徑輸出中減去非線性路徑輸出獲得最終信號(hào)。由于非線性放大器的壓縮特性，其在大信號(hào)電平下增益降低，導(dǎo)致預(yù)失真器整體增益上升（見(jiàn)圖3增益曲線）。這種增益提升可補(bǔ)償后續(xù)功率放大器的增益滾降。 

基于二極管的模擬預(yù)失真 

圖4展示了如何用二極管限幅器實(shí)現(xiàn)上述框圖

基于二極管的模擬預(yù)失真實(shí)現(xiàn) 

圖4展示了如何采用二極管限幅器實(shí)現(xiàn)前文框圖中的非線性信號(hào)路徑。 

使用二極管限幅器構(gòu)建模擬預(yù)失真器的非線性路徑 

圖4. 二極管限幅器實(shí)現(xiàn)方案（圖片來(lái)源：Steve Arar） 

在低信號(hào)電平下，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，上路徑衰減量由固定衰減器決定。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平升高時(shí)，二極管開(kāi)始導(dǎo)通，從而增加該路徑的衰減量。通過(guò)相位調(diào)節(jié)模塊與衰減器的配合使用，可精確調(diào)整預(yù)失真器的響應(yīng)特性。 

串聯(lián)二極管與并聯(lián)電容線性化器 

這種二極管方案為模擬預(yù)失真器提供了系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn)路徑?，F(xiàn)有文獻(xiàn)記載了多種創(chuàng)新電路，利用二極管和晶體管的非線性特性為信號(hào)路徑添加增益擴(kuò)展功能。圖5展示了一個(gè)經(jīng)典案例。 

二極管預(yù)失真器電路結(jié)構(gòu) 

圖5. 典型二極管預(yù)失真電路（圖片來(lái)源：K. Yamauchi） 

該線性化器由并聯(lián)二極管-電容組合構(gòu)成，整體與信號(hào)路徑串聯(lián)。電路還包含兩個(gè)RF扼流圈（提供直流饋電）和兩個(gè)隔直電容。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平增大時(shí)，二極管平均電流上升導(dǎo)致動(dòng)態(tài)電阻減小。由于二極管串聯(lián)在信號(hào)通路中，其電阻降低使得預(yù)失真器的插入損耗減小——這種效應(yīng)等效于實(shí)現(xiàn)增益擴(kuò)展。 

并聯(lián)電容Cp用于調(diào)節(jié)預(yù)失真器的相位偏移。圖6展示了該電路在1.9GHz頻點(diǎn)下，不同二極管正向電流的實(shí)測(cè)響應(yīng)。 

圖5電路的實(shí)測(cè)響應(yīng)特性 

圖6. 預(yù)失真器幅度/相位響應(yīng)實(shí)測(cè)（圖片來(lái)源：K. Yamauchi） 

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)正向電流在0.1mA至1mA區(qū)間時(shí)，電路能產(chǎn)生正向幅度偏差與負(fù)向相位偏差，完全滿(mǎn)足功率放大器線性化的預(yù)失真需求。 

并聯(lián)二極管與偏置電阻線性化器 

同一研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了圖7所示的預(yù)失真結(jié)構(gòu)。 

功率放大器前級(jí)的簡(jiǎn)易預(yù)失真電路 

圖7. 帶偏置電阻的并聯(lián)二極管預(yù)失真器（圖片來(lái)源：K. Yamauchi） 

該方案采用并聯(lián)二極管與偏置電阻(Rb)組合來(lái)補(bǔ)償非線性PA的失真。線性化器輸入端和輸出端均設(shè)有隔直電容。小信號(hào)工作時(shí)二極管保持正向偏置，但在大信號(hào)輸入時(shí)，二極管電流波形谷底會(huì)出現(xiàn)削波現(xiàn)象。 

這種整流效應(yīng)增大了二極管的直流電流分量。由于直流電流流經(jīng)偏置電阻Rb，驅(qū)動(dòng)電平升高會(huì)導(dǎo)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(hào)電平增大而升高，最終形成擴(kuò)展型幅度響應(yīng)。圖8展示了三種供電電壓下的電路響應(yīng)曲線。 

圖7電路的仿真響應(yīng)特性 

圖8. 不同Vcc電壓下的預(yù)失真器響應(yīng)（圖片來(lái)源：K. Yamauchi） 

曲線明確顯示出擴(kuò)展響應(yīng)特性，證明該電路至少在有限動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可作為有效的預(yù)失真器使用。 

應(yīng)用場(chǎng)景分析 

盡管文獻(xiàn)記載的各類(lèi)模擬預(yù)失真電路通常僅能帶來(lái)有限的線性度提升，且優(yōu)化效果往往局限于特定功率區(qū)間或帶寬段，但它們具有顯著優(yōu)勢(shì)： 

? 成本低廉 

? 功耗優(yōu)異 

? 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 

這種適度的線性改善對(duì)移動(dòng)無(wú)線電設(shè)備尤為有益。此外，它們還能與更復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)線性化技術(shù)（如前饋技術(shù)）結(jié)合使用，進(jìn)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(shù)僅在有限功率范圍內(nèi)有效，因此具體電路的選擇必須根據(jù)放大器的實(shí)際工作電平進(jìn)行優(yōu)化匹配。