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)。為了處理這些信號(hào)，發(fā)射機(jī)需要線性功率放大器（PA）。然而，它們同時(shí)也需要高效率的功率放大器。眾所周知，這類放大器不可避免地具有非線性特性。

幸運(yùn)的是，存在多種方法可以對(duì)功率放大器的響應(yīng)進(jìn)行線性化。我們?cè)谇耙黄恼轮薪榻B過(guò)一種方法：通過(guò)檢測(cè)失真并將其從功率放大器的輸出信號(hào)中抵消，這種方法稱為前饋線性化。

預(yù)失真是另一種常用的線性化技術(shù)。與在輸出端校正信號(hào)不同，該技術(shù)通過(guò)在功率放大器前設(shè)置非線性電路，使組合響應(yīng)呈現(xiàn)線性特性。這個(gè)電路被稱為預(yù)失真器或預(yù)失真線性化器。

預(yù)失真可通過(guò)模擬或數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本文將重點(diǎn)探討模擬預(yù)失真技術(shù)。我們將看到，通過(guò)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。不過(guò)在此之前，讓我們先系統(tǒng)性地了解預(yù)失真的基本原理。

預(yù)失真的基本原理

要使預(yù)失真技術(shù)發(fā)揮作用，必須預(yù)先掌握功放的非線性特性，進(jìn)而對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。具體而言，預(yù)失真器與功放的非線性特性需以理想線性響應(yīng)為基準(zhǔn)，形成鏡像對(duì)稱關(guān)系。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1

假設(shè)某功放預(yù)期具有單位增益，但其非線性特性導(dǎo)致靜態(tài)傳輸特性表現(xiàn)為y = g(x)。此時(shí)，預(yù)失真電路需呈現(xiàn)逆?zhèn)鬏斕匦裕▂ = g?1(x）），以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

壓縮特性的補(bǔ)償

圖1展示了一種典型場(chǎng)景：功放呈現(xiàn)壓縮特性。為補(bǔ)償此特性，預(yù)失真電路需對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行擴(kuò)展。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，預(yù)失真器與功放的組合系統(tǒng)將輸出原始輸入信號(hào)的放大復(fù)現(xiàn)（如圖2所示）。

圖2

需注意，預(yù)失真器需同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行適當(dāng)修正。在較高驅(qū)動(dòng)電平下，預(yù)失真器通常被設(shè)計(jì)為提供正向幅度偏差與負(fù)向相位偏差（如上圖所示預(yù)失真器響應(yīng)特性）。

預(yù)失真功率與頻率考量

圖1中功率放大器（PA）特性曲線的飽和區(qū)斜率趨于平坦，這要求預(yù)失真曲線具備垂直特性。因此，PA飽和區(qū)的非線性補(bǔ)償對(duì)預(yù)失真器具有挑戰(zhàn)性。預(yù)失真技術(shù)僅在功率放大器未進(jìn)入飽和的功率電平范圍內(nèi)有效。

這也意味著，PA的飽和點(diǎn)決定了預(yù)失真器與功率放大器聯(lián)合系統(tǒng)的最大輸出功率上限。而峰值功率可能進(jìn)一步受限于預(yù)失真器的最大擴(kuò)展能力。

預(yù)失真可在射頻（RF）、中頻（IF）或基帶頻率上實(shí)現(xiàn)。無(wú)論采用何種頻率，核心難點(diǎn)均在于確定并生成合適的預(yù)失真器傳遞函數(shù)。但無(wú)論預(yù)失真在哪個(gè)環(huán)節(jié)執(zhí)行，其基本原理始終一致。

例如，若功率放大器呈現(xiàn)壓縮特性，則對(duì)輸入信號(hào)施加擴(kuò)展特性。如此，信號(hào)經(jīng)歷發(fā)射鏈路的非線性失真后，波形將恢復(fù)至預(yù)期形態(tài)。

模擬預(yù)失真

當(dāng)線性度要求適中時(shí)，可采用模擬預(yù)失真電路對(duì)功率放大器進(jìn)行線性化校正。此類預(yù)失真器可同時(shí)補(bǔ)償幅度與相位的非線性失真。

典型的模擬預(yù)失真電路為具有擴(kuò)展性插入損耗特性的衰減器。一種實(shí)現(xiàn)方案是采用兩條并行信號(hào)路徑：一條為線性增益路徑，另一條為非線性壓縮增益路徑。該原理如圖3所示。

圖3

輸出信號(hào)通過(guò)從線性路徑的輸出中減去非線性路徑的輸出而獲得。由于非線性放大器具有壓縮特性，其增益會(huì)隨著信號(hào)電平的增大而降低。如圖3的增益曲線所示，這種特性會(huì)使預(yù)失真器的整體增益上升。增益的提升可補(bǔ)償后續(xù)功率放大器的增益下降（即增益滾降）。

基于二極管電路的模擬預(yù)失真實(shí)現(xiàn)

圖4展示了如何通過(guò)二極管限幅器實(shí)現(xiàn)上述框圖（Figure 3）中的非線性路徑。

圖4

二極管電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

在低信號(hào)電平下，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)上支路的衰減量由固定衰減器決定。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平升高至導(dǎo)通閾值時(shí)，二極管開(kāi)始導(dǎo)通，從而增大該路徑的衰減量。通過(guò)調(diào)節(jié)移相模塊與衰減器模塊的參數(shù)，可精確校準(zhǔn)預(yù)失真器的響應(yīng)特性。

串聯(lián)二極管-并聯(lián)電容線性化電路

基于二極管的預(yù)失真架構(gòu)為模擬預(yù)失真器實(shí)現(xiàn)提供了系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)有文獻(xiàn)記載了多種創(chuàng)新電路結(jié)構(gòu)，利用二極管與晶體管的非線性特性，在信號(hào)路徑中實(shí)現(xiàn)增益擴(kuò)展。圖5展示了一個(gè)經(jīng)典案例：

圖5

該線性化電路采用二極管并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)（如圖5所示），并通過(guò)串聯(lián)方式接入信號(hào)主通路。預(yù)失真器同時(shí)配置兩組射頻扼流圈（實(shí)現(xiàn)直流饋電）與兩組隔直電容。

工作原理

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平升高時(shí)，二極管平均導(dǎo)通電流增大，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)電阻下降。由于二極管串聯(lián)在信號(hào)通路中，其電阻減小將直接降低預(yù)失真器的插入損耗。這種效應(yīng)在射頻系統(tǒng)中可等效視為增益擴(kuò)展現(xiàn)象。

相位校準(zhǔn)機(jī)制

并聯(lián)電容Cp用于精確調(diào)節(jié)預(yù)失真器的相移特性。圖6展示了1.9GHz頻點(diǎn)下，不同二極管正向偏置電流對(duì)應(yīng)的預(yù)失真響應(yīng)曲線（包含幅度/相位變化）。

圖6

并聯(lián)二極管-偏置電阻線性化電路

提出上述電路的同一研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了圖7所示的預(yù)失真器結(jié)構(gòu)。

圖7

電路實(shí)現(xiàn)原理

在此案例中，采用并聯(lián)二極管結(jié)合偏置電阻Rb的電路結(jié)構(gòu)，用于補(bǔ)償非線性功放的失真。該線性化器在輸入/輸出端配置了兩個(gè)直流隔直電容。當(dāng)小信號(hào)工作時(shí)，二極管處于正向偏置狀態(tài)；而在大信號(hào)輸入時(shí)，流經(jīng)二極管的電流波形會(huì)在波谷處發(fā)生削波。

這種整流效應(yīng)會(huì)增大二極管的直流偏置電流。由于該直流電流流經(jīng)偏置電阻Rb，隨著驅(qū)動(dòng)電平的提升，Rb兩端的壓降將顯著增加，從而降低二極管兩端的直流偏壓。由此，二極管的等效電阻會(huì)隨信號(hào)電平增大而升高，最終形成擴(kuò)展型的幅度響應(yīng)特性。

圖8展示了該預(yù)失真器在三種不同電源電壓下的響應(yīng)特性。

圖8

如圖8所示測(cè)試曲線表明，該電路呈現(xiàn)擴(kuò)展型增益響應(yīng)特性，可在有限動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)作為預(yù)失真器使用。

實(shí)際應(yīng)用考量
現(xiàn)有文獻(xiàn)記載的各類模擬預(yù)失真電路普遍具有以下特點(diǎn)：

1. 線性改善有限：通常僅在特定功率區(qū)間或帶寬的"最佳工作點(diǎn)"提供微小線性度提升

2. 顯著優(yōu)勢(shì)：

• 成本效益優(yōu)異

• 功耗表現(xiàn)突出

• 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔

典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 移動(dòng)無(wú)線電設(shè)備（對(duì)適度線性改善需求顯著）

• 與前饋等復(fù)雜線性化技術(shù)協(xié)同工作（用于提升誤差放大器線性度）

選型建議
鑒于二極管線性化技術(shù)僅在限定功率范圍內(nèi)有效，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)功率放大器的具體工作電平匹配最優(yōu)線性化電路方案。