探索射频放大器线性化的模拟预失真基本概念

现代通信系统使用具有时变包络和相位角的信号。为了处理这些信号，发射机需要线性功率放大器（PA）。然而，它们还需要高效率的功率放大器。众所周知，这样的放大器不可避免地是非线性的。幸运的是，有许多方法可以线性化功率放大器的响应。我们在上一篇文章中学到的一种方法是找到失真并从功率放大器的输出信号中减去它，这被称为前馈线性化。预失真是另一种常用的线性化技术。它不是在输出端校正信号，而是在功率放大器之前放置一个非线性电路，使组合响应变得线性。这个电路被称为预失真器或预失真线性化器。预失真可以使用模拟或数字技术实现。在本文中，我们将专注于模拟预失真。正如我们将看到的，使用简单的二极管电路可以有效地实现幅度和相位线性化。首先，让我们更一般地考察预失真的基本原理。

预失真的基本原理

要使预失真起作用，事先了解功率放大器的非线性至关重要。然后我们相应地调整输入信号。预失真器和功率放大器的特性是关于期望的线性响应的镜像。这种关系在图1中进行了说明。

图1. 预失真器的响应是功率放大器非线性特性的逆。图片来源于Steve Arar。

例如，考虑一个期望具有单位增益的功率放大器。然而，由于非线性，其静态特性根据函数y=g(x)变化。在这种情况下，预失真电路应表现出逆传递特性（y=g^-1(x)）。

补偿压缩特性

图1描绘了一个常见的情况，即功率放大器表现出压缩特性。为了补偿，预失真电路必须扩展信号幅度。这确保了预失真器/功率放大器组合产生原始输入的放大副本（图2）。

图2. 扩展信号幅度抵消功率放大器的压缩特性。图片来源于Steve Arar。

注意，预失真器需要适当地修改输入信号的幅度和相位。在高驱动电平下，预失真器通常被设计为提供正幅度偏差和负相位偏差，类似于上图中所示的预失真器响应。预失真的功率和频率考虑图1中功率放大器特性的斜率在饱和区域是平坦的，这需要一个具有垂直特性的预失真曲线。因此，使用预失真器补偿功率放大器的饱和区域可能具有挑战性。预失真技术仅在不会导致功率放大器饱和的功率电平上有效。这也意味着功率放大器的饱和决定了组合预失真器/功率放大器系统的上限功率。峰值功率可能进一步受到预失真器的最大扩展能力的限制。预失真可以在射频（RF）、中频（IF）或基带频率上实现。在所有情况下，难点在于确定和生成适当的预失真器传递函数。无论在何处执行预失真，基本思想仍然相同。例如，如果功率放大器具有压缩特性，我们在输入信号上应用一个扩展特性。这样，在经过发射机链的非线性后，波形恢复为其期望的形状。

模拟预失真

当对线性的要求适中时，可以使用模拟预失真电路来线性化功率放大器。这些预失真器可以被设计为补偿幅度和相位非线性。通常，模拟预失真电路是具有扩展插入损耗特性的衰减器。一种实现方法是使用两条并行信号路径：一条具有线性增益，另一条具有非线性压缩增益。这个概念在图3中进行了说明。

图3. 左：模拟预失真器的方框图。右：放大器和预失真器的增益。图片来源于Steve Arar。

通过从线性路径的输出中减去非线性路径的输出来获得输出。由于其压缩非线性特性，非线性放大器在大信号电平时增益降低。正如我们在图3的增益图中看到的那样，这导致预失真器的整体增益增加。增加的增益补偿了随后功率放大器的增益衰减。

使用二极管电路的模拟预失真

图4展示了如何使用二极管限制器来实现上述方框图中的非线性路径。

图4. 使用二极管限制器实现模拟预失真器的非线性路径。图片来源于Steve Arar。

在低信号电平时，二极管不导通，上路径的衰减由衰减器决定。在高驱动电平时，二极管开始导通，增加了该路径的衰减。可以使用相位移和衰减器块来调整预失真器的响应。

带有串联二极管和平行电容的线性化器

基于二极管的方法为我们提供了一种实现模拟预失真器的系统化方法。文献中介绍了各种创新电路，它们利用二极管和晶体管的非线性行为向信号路径添加增益扩展。图5描绘了一个著名的例子。

图5. 基于二极管的预失真器电路。图片来源于K. Yamauchi。

这个线性化器由一个与电容并联的二极管组成。这个二极管-电容电路与信号路径串联。预失真器还使用两个射频扼流圈用于直流馈电和两个直流阻断电容。在高驱动电平时，通过二极管的平均电流增加，降低了二极管的动态电阻。鉴于二极管与信号路径串联，在高输入信号电平时其电阻的降低导致预失真器中的插入损耗减少。减少的插入损耗也可以被视为增益扩展。并联电容Cp允许我们调整预失真器的相位移。图6显示了在1.9 GHz下，对于不同的正向二极管电流值，预失真器的响应。

图6. 图5中基于二极管的预失真器的测量响应。图片来源于K. Yamauchi。

根据图6中的测量结果，该电路在0.1 mA到1 mA的正向电流下产生正幅度偏差和负相位偏差。因此，这个电路可以用作功率放大器线性化的预失真器。

带有并联二极管和偏置馈电阻的线性化器

提出上述电路的同一个研究团队还开发了图7中的预失真器。

图7. 一个简单的预失真器电路位于功率放大器的上游。图片来源于K. Yamauchi。

在这种情况下，使用一个与偏置馈电阻（Rb）并联连接的二极管来补偿非线性功率放大器的失真。线性化器在其输入和输出处各包含两个直流阻断电容。在小信号操作期间，二极管处于正向偏置状态。然而，对于大信号输入，流经二极管的电流在电流波形的低谷处被裁剪。这种整流增加了流经二极管的直流电流。由于直流电流通过偏置电阻Rb，随着我们增加驱动电平，Rb上的电压降增大。这反过来又降低了二极管上的直流电压。因此，二极管的等效电阻随着信号电平的增加而增加，从而产生扩展幅度响应。

图8显示了该预失真器对于三种不同电源电压的响应。

图8. 图7中预失真器对于三个不同Vcc值的计算响应。图片来源于K. Yamauchi。

该曲线图显示了扩展响应。因此，该电路可以在有限的动态范围内用作预失真器。应用尽管文献中介绍了各种模拟预失真电路，但它们通常只能提供微小的线性度提升。此外，它们通常只在功率范围或带宽的某个特定“最佳工作点”上提供这种改进。然而，这些电路具有以下优点：

• 成本低

• 功耗低

• 实现简单

它们提供的适度线性增益对移动无线电是有益的。此外，它们有时可以与更复杂的系统级线性化技术（例如前馈）集成，以增强误差放大器的线性度。由于基于二极管的线性化技术仅在有限的功率范围内提供所需的响应，因此为给定放大器选择合适的线性化电路取决于其功率水平。