模拟预失真技术在pa线性化中的应用

现代通信系统采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，它们同时也需要高效率的功率放大器。众所周知，这类放大器不可避免地具有非线性特性。

幸运的是，存在多种方法可以对功率放大器的响应进行线性化。我们在前一篇文章中介绍过一种方法：通过检测失真并将其从功率放大器的输出信号中抵消，这种方法称为前馈线性化。

预失真是另一种常用的线性化技术。与在输出端校正信号不同，该技术通过在功率放大器前设置非线性电路，使组合响应呈现线性特性。这个电路被称为预失真器或预失真线性化器。

预失真可通过模拟或数字技术实现。本文将重点探讨模拟预失真技术。我们将看到，通过简单的二极管电路即可有效实现幅度和相位的线性化。不过在此之前，让我们先系统性地了解预失真的基本原理。

预失真的基本原理

要使预失真技术发挥作用，必须预先掌握功放的非线性特性，进而对输入信号进行相应调整。具体而言，预失真器与功放的非线性特性需以理想线性响应为基准，形成镜像对称关系。这种对应关系如图1所示。

图1

假设某功放预期具有单位增益，但其非线性特性导致静态传输特性表现为y = g(x)。此时，预失真电路需呈现逆传输特性（y = g⁻¹(x）），以实现补偿。

压缩特性的补偿

图1展示了一种典型场景：功放呈现压缩特性。为补偿此特性，预失真电路需对信号幅度进行扩展。通过这种设计，预失真器与功放的组合系统将输出原始输入信号的放大复现（如图2所示）。

图2

需注意，预失真器需同时对输入信号的幅度和相位进行适当修正。在较高驱动电平下，预失真器通常被设计为提供正向幅度偏差与负向相位偏差（如上图所示预失真器响应特性）。

预失真功率与频率考量

图1中功率放大器（PA）特性曲线的饱和区斜率趋于平坦，这要求预失真曲线具备垂直特性。因此，PA饱和区的非线性补偿对预失真器具有挑战性。预失真技术仅在功率放大器未进入饱和的功率电平范围内有效。

这也意味着，PA的饱和点决定了预失真器与功率放大器联合系统的最大输出功率上限。而峰值功率可能进一步受限于预失真器的最大扩展能力。

预失真可在射频（RF）、中频（IF）或基带频率上实现。无论采用何种频率，核心难点均在于确定并生成合适的预失真器传递函数。但无论预失真在哪个环节执行，其基本原理始终一致。

例如，若功率放大器呈现压缩特性，则对输入信号施加扩展特性。如此，信号经历发射链路的非线性失真后，波形将恢复至预期形态。

模拟预失真

当线性度要求适中时，可采用模拟预失真电路对功率放大器进行线性化校正。此类预失真器可同时补偿幅度与相位的非线性失真。

典型的模拟预失真电路为具有扩展性插入损耗特性的衰减器。一种实现方案是采用两条并行信号路径：一条为线性增益路径，另一条为非线性压缩增益路径。该原理如图3所示。

图3

输出信号通过从线性路径的输出中减去非线性路径的输出而获得。由于非线性放大器具有压缩特性，其增益会随着信号电平的增大而降低。如图3的增益曲线所示，这种特性会使预失真器的整体增益上升。增益的提升可补偿后续功率放大器的增益下降（即增益滚降）。

基于二极管电路的模拟预失真实现

图4展示了如何通过二极管限幅器实现上述框图（Figure 3）中的非线性路径。

图4

二极管电路的动态响应特性

在低信号电平下，二极管处于截止状态，此时上支路的衰减量由固定衰减器决定。当驱动电平升高至导通阈值时，二极管开始导通，从而增大该路径的衰减量。通过调节移相模块与衰减器模块的参数，可精确校准预失真器的响应特性。

串联二极管-并联电容线性化电路

基于二极管的预失真架构为模拟预失真器实现提供了系统化设计方法。现有文献记载了多种创新电路结构，利用二极管与晶体管的非线性特性，在信号路径中实现增益扩展。图5展示了一个经典案例：

图5

该线性化电路采用二极管并联电容结构（如图5所示），并通过串联方式接入信号主通路。预失真器同时配置两组射频扼流圈（实现直流馈电）与两组隔直电容。

工作原理

当驱动电平升高时，二极管平均导通电流增大，导致其动态电阻下降。由于二极管串联在信号通路中，其电阻减小将直接降低预失真器的插入损耗。这种效应在射频系统中可等效视为增益扩展现象。

相位校准机制

并联电容Cp用于精确调节预失真器的相移特性。图6展示了1.9GHz频点下，不同二极管正向偏置电流对应的预失真响应曲线（包含幅度/相位变化）。

图6

并联二极管-偏置电阻线性化电路

提出上述电路的同一研究团队进一步开发了图7所示的预失真器结构。

图7

电路实现原理

在此案例中，采用并联二极管结合偏置电阻Rb的电路结构，用于补偿非线性功放的失真。该线性化器在输入/输出端配置了两个直流隔直电容。当小信号工作时，二极管处于正向偏置状态；而在大信号输入时，流经二极管的电流波形会在波谷处发生削波。

这种整流效应会增大二极管的直流偏置电流。由于该直流电流流经偏置电阻Rb，随着驱动电平的提升，Rb两端的压降将显著增加，从而降低二极管两端的直流偏压。由此，二极管的等效电阻会随信号电平增大而升高，最终形成扩展型的幅度响应特性。

图8展示了该预失真器在三种不同电源电压下的响应特性。

图8

如图8所示测试曲线表明，该电路呈现扩展型增益响应特性，可在有限动态范围内作为预失真器使用。

实际应用考量
现有文献记载的各类模拟预失真电路普遍具有以下特点：

1. 线性改善有限：通常仅在特定功率区间或带宽的"最佳工作点"提供微小线性度提升

2. 显著优势：

• 成本效益优异

• 功耗表现突出

• 实现结构简洁

典型应用场景

• 移动无线电设备（对适度线性改善需求显著）

• 与前馈等复杂线性化技术协同工作（用于提升误差放大器线性度）

选型建议
鉴于二极管线性化技术仅在限定功率范围内有效，实际应用中需根据功率放大器的具体工作电平匹配最优线性化电路方案。