引言

随着现代无线通信业务的迅猛发展，对通信系统容量的要求越来越大。为了追求更高的数据速率和频谱效率，普遍采用线性调制方式，如QPSK,16QAM。另外，多载波配置技术导致了信号包络的变化，从而产生了交调失真，尽管频谱再生对本信道的影响不大，但它将会干扰相邻信道，这些都对功率放大器的线性度提出了苛刻的要求。

虽然采用A类功放可能会达到要求，但它的效率太低。因此，在高功放的基础上必须对其进行线性化处理，这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。实现射频功放线性化的技术很多，本文介绍了三种常用的技术：功率回退、预失真、前馈。


功率放大器的非线性分析

设有一功率放大器，其输出电压是输入电压的函数
公式(1) 展开成幂级数形式
公式(2) 假定输入信号为单一频率的信号，v_{i}(t)=V_{i}cos _{i}t ，则
公式(3)
由(3)式可知，由于放大器的非线性，输出信号中除输入信号频率外，还出现了新的直流分量，2 i 、3 i 等谐波分量。
如果是双音输入，即v_{i}(t)=V_{i}(cos _{1}t+cos _{2}t) ，则
公式(4)
由(4)式可以看出，双音输入时输出端口的成分由直流成分，基频 1和 2，二次和三次谐波2 1 ，2 2 ，3 1 及3 2 ，二次互调分量 1 2，三次互调分量2 1 2，2 2 1等分量组成。一般情况下，仅2 1- 2，2 2- 1落在通带内，是主要考虑的非线性产物。


射频功放的线性化技术

基本线性化技术的原理与方法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考，与输出信号比较，进而产生适当的校正。多数情况下，线性化后的功放仍要从压缩点回退。

功率回退(back-off)

这是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。

功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退几个分贝，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般情况，当基波功率降低1dB时，三阶交调失真改善3dB，如图1所示。

图1：功率基波与三阶交调制特性曲线

功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是功率放大器的效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，即当IM3达到-40dBc以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。

预失真(predistortion)

预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性。预失真线性化技术的原理如图2。

图2：预失真线性化技术原理框图
图3：数字预失真技术原理框图

预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。预失真技术成本较低，由几个仔细选取的元件封装成单一模块，连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放。手持移动台中的功放已采用了预失真技术，它仅用少量的元件就降低了互调IM产物几dB，但却是很关键的几dB。

预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。RF预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。

基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可以通过增加采样率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前途的方法。数字基带预失真原理如图3。

数字预失真器由一个矢量增益调节器组成，根据查找表LUT的内容来控制输入信号的幅度和相位，预失真的大小由查找表LUT的输入来控制。矢量增益调节器一旦被优化，将提供一个与功放相反的非线性特性。理想情况下，这时输出的互调产物应该与双音信号通过功放的输出幅度相等而相位相反，即自适应调节模块就是要调节查找表的输入，从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。注意到输入信号的包络也是查找表LUT的一个输入，反馈路径来取样功放的失真输出，然后经过A/D变换送入自适应调节DSP中，进而来更新查找表LUT。

前馈(feedforward)

前馈技术起源于"反馈"，应该说它并不是什么新技术，早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来了。除了校准(反馈)是加于输出之外，概念上完全是"反馈"。

前馈线性化技术原理如图4。由主放大器、耦合器1、衰减器1、合成器、延时线1、功分器组成环路1，其作用是抵消放大器的主载频信号；由耦合器1、延时线2、耦合器2、衰减器2、辅助放大器、合成器、衰减器1组成环路2，其作用是抵消主放大器非线性产生的交调分量，改善功放的线性度。

射频信号输入后，经功分器分成两路。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了有需要放大的主频信号外，还有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号经衰减器1调节幅度，并与另一路经过延时线1延时的输入信号在合成器中叠加，使主载频信号完全抵消，只剩下反相的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后与经延时线2延时的主功放输出信号在耦合器2中叠加，抵消主功放的三阶交调干扰，从而得到线性的放大信号。

前馈技术既提供了较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。当然，这些优点是用高成本换来的，由于在输出校准，功率电平较大，校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。当然，校准环中添加一辅助功率放大器，因而总效率有所降低。

前馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此，在系统中考虑自适应抵消技术，使抵消能够跟得上内外环境的变化。


总结

以上分析了功率放大器非线性产生的原因，详细阐述了三种常用的功放线性化技术：功率回退、预失真、前馈，给出了各自的原理及优缺点，以便于射频功放设计者设计时参考。