現(xiàn)代通信系統(tǒng)使用具有時(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性的。幸運(yùn)的是，有許多方法可以線性化功率放大器的響應(yīng)。我們?cè)谏弦黄恼轮袑W(xué)到的一種方法是找到失真并從功率放大器的輸出信號(hào)中減去它，這被稱為前饋線性化。預(yù)失真是另一種常用的線性化技術(shù)。它不是在輸出端校正信號(hào)，而是在功率放大器之前放置一個(gè)非線性電路，使組合響應(yīng)變得線性。這個(gè)電路被稱為預(yù)失真器或預(yù)失真線性化器。預(yù)失真可以使用模擬或數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在本文中，我們將專注于模擬預(yù)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(xiàn)幅度和相位線性化。首先，讓我們更一般地考察預(yù)失真的基本原理。

預(yù)失真的基本原理

要使預(yù)失真起作用，事先了解功率放大器的非線性至關(guān)重要。然后我們相應(yīng)地調(diào)整輸入信號(hào)。預(yù)失真器和功率放大器的特性是關(guān)于期望的線性響應(yīng)的鏡像。這種關(guān)系在圖1中進(jìn)行了說明。

圖1. 預(yù)失真器的響應(yīng)是功率放大器非線性特性的逆。圖片來源于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，由于非線性，其靜態(tài)特性根據(jù)函數(shù)y=g(x)變化。在這種情況下，預(yù)失真電路應(yīng)表現(xiàn)出逆?zhèn)鬟f特性（y=g^-1(x)）。

補(bǔ)償壓縮特性

圖1描繪了一個(gè)常見的情況，即功率放大器表現(xiàn)出壓縮特性。為了補(bǔ)償，預(yù)失真電路必須擴(kuò)展信號(hào)幅度。這確保了預(yù)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(kuò)展信號(hào)幅度抵消功率放大器的壓縮特性。圖片來源于Steve Arar。

注意，預(yù)失真器需要適當(dāng)?shù)匦薷妮斎胄盘?hào)的幅度和相位。在高驅(qū)動(dòng)電平下，預(yù)失真器通常被設(shè)計(jì)為提供正幅度偏差和負(fù)相位偏差，類似于上圖中所示的預(yù)失真器響應(yīng)。預(yù)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(qū)域是平坦的，這需要一個(gè)具有垂直特性的預(yù)失真曲線。因此，使用預(yù)失真器補(bǔ)償功率放大器的飽和區(qū)域可能具有挑戰(zhàn)性。預(yù)失真技術(shù)僅在不會(huì)導(dǎo)致功率放大器飽和的功率電平上有效。這也意味著功率放大器的飽和決定了組合預(yù)失真器/功率放大器系統(tǒng)的上限功率。峰值功率可能進(jìn)一步受到預(yù)失真器的最大擴(kuò)展能力的限制。預(yù)失真可以在射頻（RF）、中頻（IF）或基帶頻率上實(shí)現(xiàn)。在所有情況下，難點(diǎn)在于確定和生成適當(dāng)?shù)念A(yù)失真器傳遞函數(shù)。無論在何處執(zhí)行預(yù)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?cè)谳斎胄盘?hào)上應(yīng)用一個(gè)擴(kuò)展特性。這樣，在經(jīng)過發(fā)射機(jī)鏈的非線性后，波形恢復(fù)為其期望的形狀。

模擬預(yù)失真

當(dāng)對(duì)線性的要求適中時(shí)，可以使用模擬預(yù)失真電路來線性化功率放大器。這些預(yù)失真器可以被設(shè)計(jì)為補(bǔ)償幅度和相位非線性。通常，模擬預(yù)失真電路是具有擴(kuò)展插入損耗特性的衰減器。一種實(shí)現(xiàn)方法是使用兩條并行信號(hào)路徑：一條具有線性增益，另一條具有非線性壓縮增益。這個(gè)概念在圖3中進(jìn)行了說明。

圖3. 左：模擬預(yù)失真器的方框圖。右：放大器和預(yù)失真器的增益。圖片來源于Steve Arar。

通過從線性路徑的輸出中減去非線性路徑的輸出來獲得輸出。由于其壓縮非線性特性，非線性放大器在大信號(hào)電平時(shí)增益降低。正如我們?cè)趫D3的增益圖中看到的那樣，這導(dǎo)致預(yù)失真器的整體增益增加。增加的增益補(bǔ)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(yù)失真

圖4展示了如何使用二極管限制器來實(shí)現(xiàn)上述方框圖中的非線性路徑。

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

在低信號(hào)電平時(shí)，二極管不導(dǎo)通，上路徑的衰減由衰減器決定。在高驅(qū)動(dòng)電平時(shí)，二極管開始導(dǎo)通，增加了該路徑的衰減。可以使用相位移和衰減器塊來調(diào)整預(yù)失真器的響應(yīng)。

帶有串聯(lián)二極管和平行電容的線性化器

基于二極管的方法為我們提供了一種實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)失真器的系統(tǒng)化方法。文獻(xiàn)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性行為向信號(hào)路徑添加增益擴(kuò)展。圖5描繪了一個(gè)著名的例子。

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

這個(gè)線性化器由一個(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(hào)路徑串聯(lián)。預(yù)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(qū)動(dòng)電平時(shí)，通過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(hào)路徑串聯(lián)，在高輸入信號(hào)電平時(shí)其電阻的降低導(dǎo)致預(yù)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(kuò)展。并聯(lián)電容Cp允許我們調(diào)整預(yù)失真器的相位移。圖6顯示了在1.9 GHz下，對(duì)于不同的正向二極管電流值，預(yù)失真器的響應(yīng)。

圖6. 圖5中基于二極管的預(yù)失真器的測(cè)量響應(yīng)。圖片來源于K. Yamauchi。

根據(jù)圖6中的測(cè)量結(jié)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(fù)相位偏差。因此，這個(gè)電路可以用作功率放大器線性化的預(yù)失真器。

帶有并聯(lián)二極管和偏置饋電阻的線性化器

提出上述電路的同一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了圖7中的預(yù)失真器。

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

在這種情況下，使用一個(gè)與偏置饋電阻（Rb）并聯(lián)連接的二極管來補(bǔ)償非線性功率放大器的失真。線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(hào)操作期間，二極管處于正向偏置狀態(tài)。然而，對(duì)于大信號(hào)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。由于直流電流通過偏置電阻Rb，隨著我們?cè)黾域?qū)動(dòng)電平，Rb上的電壓降增大。這反過來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信號(hào)電平的增加而增加，從而產(chǎn)生擴(kuò)展幅度響應(yīng)。

圖8顯示了該預(yù)失真器對(duì)于三種不同電源電壓的響應(yīng)。

圖8. 圖7中預(yù)失真器對(duì)于三個(gè)不同Vcc值的計(jì)算響應(yīng)。圖片來源于K. Yamauchi。

該曲線圖顯示了擴(kuò)展響應(yīng)。因此，該電路可以在有限的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)用作預(yù)失真器。應(yīng)用盡管文獻(xiàn)中介紹了各種模擬預(yù)失真電路，但它們通常只能提供微小的線性度提升。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(xiàn)簡(jiǎn)單

它們提供的適度線性增益對(duì)移動(dòng)無線電是有益的。此外，它們有時(shí)可以與更復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)線性化技術(shù)（例如前饋）集成，以增強(qiáng)誤差放大器的線性度。由于基于二極管的線性化技術(shù)僅在有限的功率范圍內(nèi)提供所需的響應(yīng)，因此為給定放大器選擇合適的線性化電路取決于其功率水平。