本文探讨了模拟预失真的基本原理，用于实现射频放大器的线性化，并回顾了几种常见实现方法。
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现代通信系统采用具有时变包络和相位角的信号。为处理这些信号，发射机既需要线性功率放大器（PA），又要求放大器具有高效率。但众所周知，这类放大器不可避免地存在非线性特性。
幸运的是，有多种方法可以实现功率放大器的线性化。我们在前一篇文章中介绍的 前馈线性化 技术，就是通过提取失真分量并从放大器输出信号中消除来实现的。
预失真则是另一种常用线性化技术。它不在输出端校正信号，而是在功率放大器前插入非线性电路，使整体响应呈现线性特性。该电路被称为预失真器或预失真线性化器。
预失真技术可分为模拟与数字两种实现方式。本文将聚焦模拟预失真技术。我们将看到，利用简单的二极管电路即可有效实现幅度和相位的线性化校正。不过首先，让我们系统性地了解预失真的基本原理。
预失真基本原理
预失真技术的关键在于预先掌握功率放大器的非线性特性，并据此调整输入信号。预失真器与功率放大器的特性曲线关于理想线性响应呈镜像对称关系，如图1所示。
预失真器的响应特性是功率放大器非线性特性的逆函数。
图1. 预失真器响应与PA非线性特性呈逆函数关系（图片来源：Steve Arar）例如，若功率放大器的静态特性可表示为y = g(x)，则预失真电路应呈现逆传递特性（y = g⁻¹(x)）。
压缩特性的补偿
图1展示了功率放大器呈现压缩特性的常见场景。为补偿这种特性，预失真电路需要对信号幅度进行扩展，确保预失真器与功率放大器的组合输出是输入信号的线性放大版本（图2）。
幅度扩展可抵消功率放大器的压缩特性。
图2. 幅度扩展补偿功率放大器的压缩特性（图片来源：Steve Arar）需注意，预失真器需要同时适当调整输入信号的幅度和相位。在高驱动电平下，预失真器通常设计为提供正向幅度偏差和负向相位偏差，如图中所示。
预失真的功率与频率考量
图1中功率放大器在饱和区的特性曲线斜率趋于平缓，这就要求预失真曲线具有垂直特性。因此，功率放大器的饱和区难以通过预失真器完全补偿。预失真技术仅在功率放大器未饱和的功率电平范围内有效。
这也意味着功率放大器的饱和点决定了预失真器/功率放大器组合系统的最大输出功率上限。而峰值功率还可能受限于预失真器的最大扩展能力。
预失真可在射频、中频或基带频率实施。无论哪种情况，技术难点都在于确定并生成合适的预失真器传递函数。其核心思想始终一致：例如当功率放大器具有压缩特性时，我们对输入信号施加扩展特性，使得信号经过发射链非线性处理后恢复至理想波形。
模拟预失真实现
当线性化要求适中时，可采用模拟预失真电路对功率放大器进行线性化。这类预失真器可同时补偿幅度和相位非线性。
典型的模拟预失真电路是具有扩展式插入损耗特性的衰减器。一种实现方式是采用两条平行信号路径：一条具有线性增益，另一条具有非线性压缩增益（图3）。
左：模拟预失真器原理示意图 右：放大器与预失真器的增益特性
图3. 左：模拟预失真器框图 右：各模块增益特性（图片来源：Steve Arar）通过从线性路径输出中减去非线性路径输出获得最终信号。由于非线性放大器的压缩特性，其在大信号电平下增益降低，导致预失真器整体增益上升（见图3增益曲线）。这种增益提升可补偿后续功率放大器的增益滚降。
基于二极管的模拟预失真
图4展示了如何用二极管限幅器实现上述框图
基于二极管的模拟预失真实现
图4展示了如何采用二极管限幅器实现前文框图中的非线性信号路径。
使用二极管限幅器构建模拟预失真器的非线性路径
图4. 二极管限幅器实现方案（图片来源：Steve Arar）在低信号电平下，二极管处于截止状态，上路径衰减量由固定衰减器决定。当驱动电平升高时，二极管开始导通，从而增加该路径的衰减量。通过相位调节模块与衰减器的配合使用，可精确调整预失真器的响应特性。
串联二极管与并联电容线性化器
这种二极管方案为模拟预失真器提供了系统化实现路径。现有文献记载了多种创新电路，利用二极管和晶体管的非线性特性为信号路径添加增益扩展功能。图5展示了一个经典案例。
二极管预失真器电路结构
图5. 典型二极管预失真电路（图片来源：K. Yamauchi）该线性化器由并联二极管-电容组合构成，整体与信号路径串联。电路还包含两个RF扼流圈（提供直流馈电）和两个隔直电容。当驱动电平增大时，二极管平均电流上升导致动态电阻减小。由于二极管串联在信号通路中，其电阻降低使得预失真器的插入损耗减小——这种效应等效于实现增益扩展。
并联电容Cp用于调节预失真器的相位偏移。图6展示了该电路在1.9GHz频点下，不同二极管正向电流的实测响应。
图5电路的实测响应特性
图6. 预失真器幅度/相位响应实测（图片来源：K. Yamauchi）测试数据显示，当正向电流在0.1mA至1mA区间时，电路能产生正向幅度偏差与负向相位偏差，完全满足功率放大器线性化的预失真需求。
并联二极管与偏置电阻线性化器
同一研究团队还开发了图7所示的预失真结构。
功率放大器前级的简易预失真电路
图7. 带偏置电阻的并联二极管预失真器（图片来源：K. Yamauchi）该方案采用并联二极管与偏置电阻(Rb)组合来补偿非线性PA的失真。线性化器输入端和输出端均设有隔直电容。小信号工作时二极管保持正向偏置，但在大信号输入时，二极管电流波形谷底会出现削波现象。
这种整流效应增大了二极管的直流电流分量。由于直流电流流经偏置电阻Rb，驱动电平升高会导致Rb两端压降增大，反而降低二极管两端的直流偏压。这使得二极管的等效电阻随信号电平增大而升高，最终形成扩展型幅度响应。图8展示了三种供电电压下的电路响应曲线。
图7电路的仿真响应特性
图8. 不同Vcc电压下的预失真器响应（图片来源：K. Yamauchi）曲线明确显示出扩展响应特性，证明该电路至少在有限动态范围内可作为有效的预失真器使用。
应用场景分析
尽管文献记载的各类模拟预失真电路通常仅能带来有限的线性度提升，且优化效果往往局限于特定功率区间或带宽段，但它们具有显著优势：
• 成本低廉
• 功耗优异
• 实现简单
这种适度的线性改善对移动无线电设备尤为有益。此外，它们还能与更复杂的系统级线性化技术（如前馈技术）结合使用，进一步提升误差放大器的线性度。需要注意的是，基于二极管的线性化技术仅在有限功率范围内有效，因此具体电路的选择必须根据放大器的实际工作电平进行优化匹配。
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