利用模擬預失真技術(shù)實(shí)現射頻功率放大器線(xiàn)性化

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

現代通信系統采用具有時(shí)變包絡(luò )和相位角的信號。為處理這些信號，發(fā)射機既需要線(xiàn)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(xiàn)性特性。 

幸運的是，有多種方法可以實(shí)現功率放大器的線(xiàn)性化。我們在前一篇文章中介紹的"前饋線(xiàn)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中消除來(lái)實(shí)現的。 

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

預失真技術(shù)可分為模擬與數字兩種實(shí)現方式。本文將聚焦模擬預失真技術(shù)。我們將看到，利用簡(jiǎn)單的二極管電路即可有效實(shí)現幅度和相位的線(xiàn)性化校正。不過(guò)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(shù)的關(guān)鍵在于預先掌握功率放大器的非線(xiàn)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(xiàn)關(guān)于理想線(xiàn)性響應呈鏡像對稱(chēng)關(guān)系，如圖1所示。 

預失真器的響應特性是功率放大器非線(xiàn)性特性的逆函數。 

圖1. 預失真器響應與PA非線(xiàn)性特性呈逆函數關(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(jiàn)場(chǎng)景。為補償這種特性，預失真電路需要對信號幅度進(jìn)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(xiàn)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(lái)源：Steve Arar） 

需注意，預失真器需要同時(shí)適當調整輸入信號的幅度和相位。在高驅動(dòng)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(xiàn)斜率趨于平緩，這就要求預失真曲線(xiàn)具有垂直特性。因此，功率放大器的飽和區難以通過(guò)預失真器完全補償。預失真技術(shù)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(zhù)功率放大器的飽和點(diǎn)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(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(shí)，我們對輸入信號施加擴展特性，使得信號經(jīng)過(guò)發(fā)射鏈非線(xiàn)性處理后恢復至理想波形。 

模擬預失真實(shí)現 

當線(xiàn)性化要求適中時(shí)，可采用模擬預失真電路對功率放大器進(jìn)行線(xiàn)性化。這類(lèi)預失真器可同時(shí)補償幅度和相位非線(xiàn)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(shí)現方式是采用兩條平行信號路徑：一條具有線(xiàn)性增益，另一條具有非線(xiàn)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(lái)源：Steve Arar） 

通過(guò)從線(xiàn)性路徑輸出中減去非線(xiàn)性路徑輸出獲得最終信號。由于非線(xiàn)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(jiàn)圖3增益曲線(xiàn)）。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(shí)現上述框圖

基于二極管的模擬預失真實(shí)現 

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

使用二極管限幅器構建模擬預失真器的非線(xiàn)性路徑 

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

在低信號電平下，二極管處于截止狀態(tài)，上路徑衰減量由固定衰減器決定。當驅動(dòng)電平升高時(shí)，二極管開(kāi)始導通，從而增加該路徑的衰減量。通過(guò)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(lián)二極管與并聯(lián)電容線(xiàn)性化器 

這種二極管方案為模擬預失真器提供了系統化實(shí)現路徑?，F有文獻記載了多種創(chuàng )新電路，利用二極管和晶體管的非線(xiàn)性特性為信號路徑添加增益擴展功能。圖5展示了一個(gè)經(jīng)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(lái)源：K. Yamauchi） 

該線(xiàn)性化器由并聯(lián)二極管-電容組合構成，整體與信號路徑串聯(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。當驅動(dòng)電平增大時(shí)，二極管平均電流上升導致動(dòng)態(tài)電阻減小。由于二極管串聯(lián)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(shí)現增益擴展。 

并聯(lián)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(diǎn)下，不同二極管正向電流的實(shí)測響應。 

圖5電路的實(shí)測響應特性 

圖6. 預失真器幅度/相位響應實(shí)測（圖片來(lái)源：K. Yamauchi） 

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

并聯(lián)二極管與偏置電阻線(xiàn)性化器 

同一研究團隊還開(kāi)發(fā)了圖7所示的預失真結構。 

功率放大器前級的簡(jiǎn)易預失真電路 

圖7. 帶偏置電阻的并聯(lián)二極管預失真器（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)補償非線(xiàn)性PA的失真。線(xiàn)性化器輸入端和輸出端均設有隔直電容。小信號工作時(shí)二極管保持正向偏置，但在大信號輸入時(shí)，二極管電流波形谷底會(huì )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(jīng)偏置電阻Rb，驅動(dòng)電平升高會(huì )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(xiàn)。 

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(lái)源：K. Yamauchi） 

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

應用場(chǎng)景分析 

盡管文獻記載的各類(lèi)模擬預失真電路通常僅能帶來(lái)有限的線(xiàn)性度提升，且優(yōu)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(zhù)優(yōu)勢： 

? 成本低廉 

? 功耗優(yōu)異 

? 實(shí)現簡(jiǎn)單 

這種適度的線(xiàn)性改善對移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電設備尤為有益。此外，它們還能與更復雜的系統級線(xiàn)性化技術(shù)（如前饋技術(shù)）結合使用，進(jìn)一步提升誤差放大器的線(xiàn)性度。需要注意的是，基于二極管的線(xiàn)性化技術(shù)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(shí)際工作電平進(jìn)行優(yōu)化匹配。