预失真的基本原理

要使预失真技术发挥作用，事先准确了解功率放大器的非线性特性是至关重要的。只有这样，我们才能相应地对输入信号进行调整。预失真器和功率放大器的特性是关于期望的线性响应呈镜像关系的，这种关系在图1中得到了清晰的说明。

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SteveArar。

例如，我们考虑一个期望具有单位增益的功率放大器。然而，由于其存在非线性特性，其静态特性会根据函数发生变化。在这种情况下，预失真电路就需要表现出逆传递特性（）。

补偿压缩特性

图1描绘了一种常见的情况，即功率放大器呈现出压缩特性。为了对这种特性进行补偿，预失真电路必须对信号幅度进行扩展。这样做可以确保预失真器和功率放大器的组合能够产生原始输入的放大副本，如图2所示。

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SteveArar。

需要注意的是，预失真器不仅要适当地修改输入信号的幅度，还要对其相位进行调整。在高驱动电平下，预失真器通常会被设计为提供正幅度偏差和负相位偏差，这与上图中所示的预失真器响应类似。

预失真的功率和频率考虑

从图1中可以看到，功率放大器特性在饱和区域的斜率是平坦的，这就要求预失真曲线具有垂直特性。因此，使用预失真器来补偿功率放大器的饱和区域可能会面临一定的挑战。预失真技术仅在不会导致功率放大器饱和的功率电平上才是有效的。这也就意味着，功率放大器的饱和状态决定了组合预失真器和功率放大器系统的上限功率。此外，峰值功率可能还会进一步受到预失真器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。无论在哪个频率上执行预失真，其基本思想都是相同的。例如，如果功率放大器具有压缩特性，我们就需要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处理后，波形能够恢复为其期望的形状。

模拟预失真

当对线性度的要求不是非常高时，可以使用模拟预失真电路来对功率放大器进行线性化处理。这些预失真器可以被设计为补偿幅度和相位的非线性。通常情况下，模拟预失真电路是具有扩展插入损耗特性的衰减器。一种常见的实现方法是使用两条并行的信号路径：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中得到了展示。

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SteveArar。

通过从线性路径的输出中减去非线性路径的输出，就可以得到最终的输出。由于非线性放大器具有压缩非线性特性，在大信号电平时，其增益会降低。从图3的增益图中可以看出，这会导致预失真器的整体增益增加，而增加的增益则可以补偿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SteveArar。

在低信号电平时，二极管处于不导通状态，上路径的衰减由衰减器决定。而在高驱动电平时，二极管开始导通，这会增加该路径的衰减。我们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途径。在相关文献中，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。预失真器还使用了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会增加，这会降低二极管的动态电阻。由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会导致预失真器中的插入损耗减少，而减少的插入损耗也可以被视为增益扩展。并联电容允许我们调整预失真器的相位移。图6显示了在1.9GHz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0.1mA到1mA的正向电流下会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（）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会被裁剪。这种整流现象会增加流经二极管的直流电流。由于直流电流通过偏置电阻，随着驱动电平的增加，上的电压降会增大，这反过来又会降低二极管上的直流电压。因此，二极管的等效电阻会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值的计算响应。图片来源于K.Yamauchi。

从该曲线图中可以看出，它呈现出扩展响应。因此，该电路可以在有限的动态范围内用作预失真器。

应用

尽管在相关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”上才能提供这种改进。然而，这些电路也具有一些优点，比如成本低、功耗低以及实现简单。它们所提供的适度线性增益对于移动无线电是有益的。此外，它们有时还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。

综上所述，模拟预失真在射频放大器线性化中具有一定的应用价值，虽然存在一些局限性，但通过合理的设计和应用，仍然可以在特定场景下发挥重要作用。随着技术的不断发展，相信模拟预失真技术也将不断完善和优化。