現代通信系統采用具有時變包絡和相位角的信號。為了處理這些信號，發(fā)射機需要線性功率放大器（PA）。然而，它們同時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。

幸運的是，存在多種方法可以對功率放大器的響應進行線性化。我們在前一篇文章中介紹過一種方法：通過檢測失真并將其從功率放大器的輸出信號中抵消，這種方法稱為前饋線性化。

預失真是另一種常用的線性化技術。與在輸出端校正信號不同，該技術通過在功率放大器前設置非線性電路，使組合響應呈現線性特性。這個電路被稱為預失真器或預失真線性化器。

預失真可通過模擬或數字技術實現。本文將重點探討模擬預失真技術。我們將看到，通過簡單的二極管電路即可有效實現幅度和相位的線性化。不過在此之前，讓我們先系統性地了解預失真的基本原理。

預失真的基本原理

要使預失真技術發(fā)揮作用，必須預先掌握功放的非線性特性，進而對輸入信號進行相應調整。具體而言，預失真器與功放的非線性特性需以理想線性響應為基準，形成鏡像對稱關系。這種對應關系如圖1所示。

圖1

假設某功放預期具有單位增益，但其非線性特性導致靜態(tài)傳輸特性表現為y = g(x)。此時，預失真電路需呈現逆?zhèn)鬏斕匦裕▂ = g?1(x）），以實現補償。

壓縮特性的補償

圖1展示了一種典型場景：功放呈現壓縮特性。為補償此特性，預失真電路需對信號幅度進行擴展。通過這種設計，預失真器與功放的組合系統將輸出原始輸入信號的放大復現（如圖2所示）。

圖2

需注意，預失真器需同時對輸入信號的幅度和相位進行適當修正。在較高驅動電平下，預失真器通常被設計為提供正向幅度偏差與負向相位偏差（如上圖所示預失真器響應特性）。

預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，這要求預失真曲線具備垂直特性。因此，PA飽和區(qū)的非線性補償對預失真器具有挑戰(zhàn)性。預失真技術僅在功率放大器未進入飽和的功率電平范圍內有效。

這也意味著，PA的飽和點決定了預失真器與功率放大器聯合系統的最大輸出功率上限。而峰值功率可能進一步受限于預失真器的最大擴展能力。

預失真可在射頻（RF）、中頻（IF）或基帶頻率上實現。無論采用何種頻率，核心難點均在于確定并生成合適的預失真器傳遞函數。但無論預失真在哪個環(huán)節(jié)執(zhí)行，其基本原理始終一致。

例如，若功率放大器呈現壓縮特性，則對輸入信號施加擴展特性。如此，信號經歷發(fā)射鏈路的非線性失真后，波形將恢復至預期形態(tài)。

模擬預失真

當線性度要求適中時，可采用模擬預失真電路對功率放大器進行線性化校正。此類預失真器可同時補償幅度與相位的非線性失真。

典型的模擬預失真電路為具有擴展性插入損耗特性的衰減器。一種實現方案是采用兩條并行信號路徑：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

輸出信號通過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，其增益會隨著信號電平的增大而降低。如圖3的增益曲線所示，這種特性會使預失真器的整體增益上升。增益的提升可補償后續(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失真實現

圖4展示了如何通過二極管限幅器實現上述框圖（Figure 3）中的非線性路徑。

圖4

二極管電路的動態(tài)響應特性

在低信號電平下，二極管處于截止狀態(tài)，此時上支路的衰減量由固定衰減器決定。當驅動電平升高至導通閾值時，二極管開始導通，從而增大該路徑的衰減量。通過調節(jié)移相模塊與衰減器模塊的參數，可精確校準預失真器的響應特性。

串聯二極管-并聯電容線性化電路

基于二極管的預失真架構為模擬預失真器實現提供了系統化設計方法。現有文獻記載了多種創(chuàng)新電路結構，利用二極管與晶體管的非線性特性，在信號路徑中實現增益擴展。圖5展示了一個經典案例：

圖5

該線性化電路采用二極管并聯電容結構（如圖5所示），并通過串聯方式接入信號主通路。預失真器同時配置兩組射頻扼流圈（實現直流饋電）與兩組隔直電容。

工作原理

當驅動電平升高時，二極管平均導通電流增大，導致其動態(tài)電阻下降。由于二極管串聯在信號通路中，其電阻減小將直接降低預失真器的插入損耗。這種效應在射頻系統中可等效視為增益擴展現象。

相位校準機制

并聯電容Cp用于精確調節(jié)預失真器的相移特性。圖6展示了1.9GHz頻點下，不同二極管正向偏置電流對應的預失真響應曲線（包含幅度/相位變化）。

圖6

并聯二極管-偏置電阻線性化電路

提出上述電路的同一研究團隊進一步開發(fā)了圖7所示的預失真器結構。

圖7

電路實現原理

在此案例中，采用并聯二極管結合偏置電阻Rb的電路結構，用于補償非線性功放的失真。該線性化器在輸入/輸出端配置了兩個直流隔直電容。當小信號工作時，二極管處于正向偏置狀態(tài)；而在大信號輸入時，流經二極管的電流波形會在波谷處發(fā)生削波。

這種整流效應會增大二極管的直流偏置電流。由于該直流電流流經偏置電阻Rb，隨著驅動電平的提升，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隨信號電平增大而升高，最終形成擴展型的幅度響應特性。

圖8展示了該預失真器在三種不同電源電壓下的響應特性。

圖8

如圖8所示測試曲線表明，該電路呈現擴展型增益響應特性，可在有限動態(tài)范圍內作為預失真器使用。

實際應用考量
現有文獻記載的各類模擬預失真電路普遍具有以下特點：

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"提供微小線性度提升

2. 顯著優(yōu)勢：

• 成本效益優(yōu)異

• 功耗表現突出

• 實現結構簡潔

典型應用場景

• 移動無線電設備（對適度線性改善需求顯著）

• 與前饋等復雜線性化技術協同工作（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僅在限定功率范圍內有效，實際應用中需根據功率放大器的具體工作電平匹配最優(yōu)線性化電路方案。