探索射頻放大器線(xiàn)性化的模擬預失真基本概念

現代通信系統使用具有時(shí)變包絡(luò )和相位角的信號。為了處理這些信號，發(fā)射機需要線(xiàn)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(xiàn)性的。幸運的是，有許多方法可以線(xiàn)性化功率放大器的響應。我們在上一篇文章中學(xué)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(chēng)為前饋線(xiàn)性化。預失真是另一種常用的線(xiàn)性化技術(shù)。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(gè)非線(xiàn)性電路，使組合響應變得線(xiàn)性。這個(gè)電路被稱(chēng)為預失真器或預失真線(xiàn)性化器。預失真可以使用模擬或數字技術(shù)實(shí)現。在本文中，我們將專(zhuān)注于模擬預失真。正如我們將看到的，使用簡(jiǎn)單的二極管電路可以有效地實(shí)現幅度和相位線(xiàn)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(xiàn)性至關(guān)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(guān)于期望的線(xiàn)性響應的鏡像。這種關(guān)系在圖1中進(jìn)行了說(shuō)明。

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

例如，考慮一個(gè)期望具有單位增益的功率放大器。然而，由于非線(xiàn)性，其靜態(tài)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(gè)常見(jiàn)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(chǎn)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(lái)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(dòng)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(lèi)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(gè)具有垂直特性的預失真曲線(xiàn)。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(shù)僅在不會(huì )導致功率放大器飽和的功率電平上有效。這也意味著(zhù)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(jìn)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(shí)現。在所有情況下，難點(diǎn)在于確定和生成適當的預失真器傳遞函數。無(wú)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(gè)擴展特性。這樣，在經(jīng)過(guò)發(fā)射機鏈的非線(xiàn)性后，波形恢復為其期望的形狀。

模擬預失真

當對線(xiàn)性的要求適中時(shí)，可以使用模擬預失真電路來(lái)線(xiàn)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(xiàn)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(shí)現方法是使用兩條并行信號路徑：一條具有線(xiàn)性增益，另一條具有非線(xiàn)性壓縮增益。這個(gè)概念在圖3中進(jìn)行了說(shuō)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(lái)源于Steve Arar。

通過(guò)從線(xiàn)性路徑的輸出中減去非線(xiàn)性路徑的輸出來(lái)獲得輸出。由于其壓縮非線(xiàn)性特性，非線(xiàn)性放大器在大信號電平時(shí)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(lái)實(shí)現上述方框圖中的非線(xiàn)性路徑。

圖4. 使用二極管限制器實(shí)現模擬預失真器的非線(xiàn)性路徑。圖片來(lái)源于Steve Arar。

在低信號電平時(shí)，二極管不導通，上路徑的衰減由衰減器決定。在高驅動(dòng)電平時(shí)，二極管開(kāi)始導通，增加了該路徑的衰減?？梢允褂孟辔灰坪退p器塊來(lái)調整預失真器的響應。

帶有串聯(lián)二極管和平行電容的線(xiàn)性化器

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

圖5. 基于二極管的預失真器電路。圖片來(lái)源于K. Yamauchi。

這個(gè)線(xiàn)性化器由一個(gè)與電容并聯(lián)的二極管組成。這個(gè)二極管-電容電路與信號路徑串聯(lián)。預失真器還使用兩個(gè)射頻扼流圈用于直流饋電和兩個(gè)直流阻斷電容。在高驅動(dòng)電平時(shí)，通過(guò)二極管的平均電流增加，降低了二極管的動(dòng)態(tài)電阻。鑒于二極管與信號路徑串聯(lián)，在高輸入信號電平時(shí)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(lián)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(lái)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(chǎn)生正幅度偏差和負相位偏差。因此，這個(gè)電路可以用作功率放大器線(xiàn)性化的預失真器。

帶有并聯(lián)二極管和偏置饋電阻的線(xiàn)性化器

提出上述電路的同一個(gè)研究團隊還開(kāi)發(fā)了圖7中的預失真器。

圖7. 一個(gè)簡(jiǎn)單的預失真器電路位于功率放大器的上游。圖片來(lái)源于K. Yamauchi。

在這種情況下，使用一個(gè)與偏置饋電阻（Rb）并聯(lián)連接的二極管來(lái)補償非線(xiàn)性功率放大器的失真。線(xiàn)性化器在其輸入和輸出處各包含兩個(gè)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(tài)。然而，對于大信號輸入，流經(jīng)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(jīng)二極管的直流電流。由于直流電流通過(guò)偏置電阻Rb，隨著(zhù)我們增加驅動(dòng)電平，Rb上的電壓降增大。這反過(guò)來(lái)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(zhù)信號電平的增加而增加，從而產(chǎn)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(gè)不同Vcc值的計算響應。圖片來(lái)源于K. Yamauchi。

該曲線(xiàn)圖顯示了擴展響應。因此，該電路可以在有限的動(dòng)態(tài)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(xiàn)性度提升。此外，它們通常只在功率范圍或帶寬的某個(gè)特定“最佳工作點(diǎn)”上提供這種改進(jìn)。然而，這些電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 成本低

• 功耗低

• 實(shí)現簡(jiǎn)單

它們提供的適度線(xiàn)性增益對移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電是有益的。此外，它們有時(shí)可以與更復雜的系統級線(xiàn)性化技術(shù)（例如前饋）集成，以增強誤差放大器的線(xiàn)性度。由于基于二極管的線(xiàn)性化技術(shù)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(xiàn)性化電路取決于其功率水平。