芯耀
与非AI
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线性化这项用来改善无线设备信号质量的技术，差不多已经发展一百年了，最早能查到的是上世纪20年代布莱克申请的前馈技术专利。在这之后的八十年里，相关技术迎来高速发展，等到千禧年前后，现在随处可见的数字预失真DPD就成了大家首选的线性化方案。
像5G、6G这类新一代通信系统，射频前端的硬件架构变得更加复杂。所以我们很有必要把各类线性化技术从头到尾梳理一遍，保证我们选的方案是最合适的。
一、什么是无线射频前端（RFFE）
射频前端属于物理层相关模块（见图1）。发射端这边，射频前端负责把待传输的数据做处理，包括调制、变频、滤波、功率放大，把信号加载到载波上，方便在空中传输。接收端则做相反的处理流程。
射频前端由多个功能器件组成，数模/模数转换器、调制器、混频器、滤波器、放大器都包含在内。它的集成方案分好几种，有单片集成、多芯片模组，也有全部用分立器件搭建的形式。
图1：收发射频前端简化架构
各个功能模块在处理信号时，都会产生各类误差，比如信号失真、引入噪声。射频前端几项关键整体指标：工作功耗、效率、线性度、带宽。
线性度指标一般都有行业硬性标准，主要是避免干扰其他通信用户，但没法保证自身通信链路质量达标。而效率更多是市场层面的需求，最直观的就是手机续航。就算供电充足，浪费的电能最后都会变成热量，散热处理成本很高。
二、什么是失真？
排除噪声之外的失真主要分三类，它们会让复数增益（传输的幅度与相位）在不同维度出现波动，见图2：
1. 非线性失真：复数增益随信号幅度变化。
2. 线性失真：复数增益随信号频率变化。
3. 记忆效应失真：复数增益随时间发生变化。
图2：前端器件与各类失真示例
射频前端里所有器件都会产生这三类失真，只是每种失真占比、哪一类失真最突出各不相同。
射频滤波器主要产生线性失真（图3）；
射频功放、混频器则是非线性失真的主要来源（图4）。
完全不失真的器件，在幅度、时间、频率三个维度上，复数增益都能保持恒定不变。
一般大家说的线性化，只是用来补偿器件带来的幅度域非线性失真。但实际使用中，很多线性化方案也能同时抵消线性失真和记忆效应，借此更精准地识别、修正非线性失真。
图3：线性失真，商用带通滤波器实测频谱与256QAM正交信号，左图为频段中心位置，右图为频段边缘位置
图4：非线性失真，商用功放输出频谱与256QAM正交信号，左图为低功率输出状态，右图为高功率输出状态
三、什么是线性化？
线性化就是把射频前端产生的失真压低到符合标准的范围。文献里记载了非常多线性化技术，主要有下面几类：
1. 前馈技术。
2. 反馈技术。
- 直接反馈。
- 笛卡尔反馈。
- 极坐标反馈。
3. 预失真技术。
- 模拟预失真。
- 数字预失真。
上面这些以及其他方案，各自的特性、优势、落地难度都不一样。
四、线性化技术分类
市面上线性化方案太多，为了方便梳理，这里给出一套分类标准。做分类主要有两个用处：一是理清各类方案的整体特点，方便针对场景选出最优方案；二是找出可以搭配使用的方案，组合起来进一步提升线性度。
这套分类标准依据两点划分：一是校正信号是计算预测出来的，还是实测提取出来的；二是校正操作加在输入端（预校正）还是输出端（后校正）。
按照这个标准能形成一个2×2的分类矩阵（见图5），目前只划分出三类成熟方案：
1. 前馈：实测提取信号+输出端后校正。
2. 反馈：实测提取信号+输入端预校正。
3. 预失真：算法预测信号+输入端预校正。
还有第四类空白分类：算法预测信号+输出端后校正，目前还没有成熟技术。
图5：线性化技术分类框架
五、第四类方案：预测式后校正
其实业内针对第四类技术已经做了大量研究。波波维奇等人的研究成果最具代表性，提出了三种多通路发射机架构：包络跟踪架构、Doherty功放、异相放大架构。翻阅相关文献能发现，这三类架构又衍生出不少变体。把这三种基础架构做成维恩图（见图6），就能把各类相关文献里的方案统一梳理归类。
图6：各类预测式后校正架构文献方案维恩分类图
六、线性化的性能极限
做到极致完美的线性化，不会产生任何调幅调相转换失真，功放的幅度增益曲线会分成两段工作区间：一段增益恒定，另一段输出功率封顶不变。
这种特性其实和硬限幅器、硬削波电路的输出曲线一模一样，见图7。输入信号幅度没到设定削波阈值时，信号原样输出；一旦幅度超过阈值，超出部分直接被截掉，不会输出。
图7：硬限幅器的幅度增益曲线与调幅调相特性
所以一台完全线性的射频前端，信号峰均比经过器件后不会发生变化，输出峰均比等于输入峰均比。补充一点：反过来不成立，输入输出峰均比一样，不代表器件线性度完美。
下面这个例子能直观体现线性化能达到的效果。先看一款常规非线性器件，一般会用输出三阶截点OIP3作为指标，混频器、功放都会标这个参数。市面上线性度好的器件，都会标注“高IP3”。通常这类器件的OIP3数值，会比1dB压缩点功率P1dB、饱和输出功率Psat高出10到15dB。
算出两组三阶互调失真数值，分别是-72dBc和-52dBc，绘图放在图8里，再通过这两组失真值推算出输出三阶截点OIP3。对比单音功率和器件饱和输出功率，这款器件两者相差12dB。
接着把双音信号送入硬限幅器，这个限幅器饱和功率和上面器件保持一致，在不同输入功率下，算出互调失真相对于单载波功率的指标。
图8：三阶互调与输出三阶截点
1. 商用混频器：三阶互调失真随单音功率变化曲线。
2. 推算得出的混频器输出三阶截点。
3. 同功率规格硬限幅器的三阶互调失真曲线。
4. 推算得出的硬限幅器输出三阶截点。
只有双音信号的峰值包络功率触碰到削波阈值时，才会产生失真。双音信号原始峰均比为3dB，没触发削波就不会产生失真，信号峰均比经过器件后保持不变。
输入功率持续拉高，峰值功率碰到削波门限后，三阶互调失真快速变大，输出信号峰均比随之下降，所有互调产物都集中在一小段动态区间内产生。
沿用之前-72dBc、-52dBc两组三阶互调指标，用相同线性推算方式计算能发现，硬限幅器的输出三阶截点数值很低，不仅远低于常规高线性器件，甚至比自身饱和功率、1dB压缩点功率还要低。
这个例子里，借助线性化技术，在满足互调失真-52dBc的前提下，输出功率最多能提升5.8dB；要求互调失真达到-72dBc时，功率提升幅度可达15.7dB。别单纯拿三阶截点来评判射频前端线性好坏，做线性化系统测试时这点尤其要注意。
七、线性化实测案例
本次测试选用市面上现成的Ku频段卫星站上变频模块BUC，搭配仪器自带的数字预失真DPD做线性化验证。这款上变频模块配齐了各类基础器件，混频器、滤波器、功放全都有。
分别测试不开线性化、开启线性化两组数据前，要先做两步预处理，能让测试更有参考价值。
第一步，测出功放饱和输出功率，测试用的信号得和实际工况一致，带宽参数不能随便改。
第二步，算出硬限幅器针对本次测试信号产生的输出特性以及失真指标。
本次测试信号为64QAM，符号速率10M，滚降系数0.1，信号峰均比6.1dB。用MATLAB仿真硬限幅器，逐步抬升输入功率，算出不同削波深度对应的邻道泄漏比和峰均比，统计频谱再生情况。从图9能看出，想要满足邻道泄漏比-40dBc的标准，信号峰均比得控制在4.1dB左右。图中还给出满足-40dBc邻道指标时，削波前后的时域波形。能明显看到，削波操作会让波形出现零阶保持类的畸变特征。
图9：邻道泄漏比与峰均比关系、时域波形展示
1. UMTS信号激励下，硬限幅器输出峰均比和邻道泄漏比变化曲线。
2. 原始无失真波形与削波后波形时域对比。
接下来对功放做功率扫频测试（见图10），记录平均输出功率、邻道泄漏比以及输出峰均比。峰值包络功率可以直接用平均功率和输出峰均比换算得出，饱和输出功率取实测峰值包络功率的最大值，本次测试该数值略高于35dBm。随着输入功率不断加大，器件内部近似硬削波带来的失真会成为主要失真来源，实测器件的失真指标和硬限幅器理论曲线会慢慢趋近重合。
图10：器件实测与理论功率扫描曲线
1. 峰值包络功率与平均功率对应关系（平均功率+输出峰均比=峰值包络功率）。
2. 邻道泄漏比随输出功率变化曲线。
3. 峰值包络功率与饱和功率的负载使用系数。
最后打开线性化功能，重新做一遍功率扫描测试，把这组数据一并汇总到测试结果里（见图11）。
图11：原始状态、线性化后、理论仿真三组功率扫描曲线对比
从测试结果能看出几个关键点，开启线性化之后：
功放可用平均输出功率提升了4至5dB；
功放功率利用率从45%涨到90%；
实际工作功率距离理论性能极限只差1~2dB。
最后总结一下：
线性化技术能明显提升射频前端整体性能，在高性能射频前端的研发里，地位只会越来越重要。不过现在通信行业里数字预失真DPD几乎遍地都是，很多工程师只熟悉这一种方案，我们不能忽略其他线性化技术。
碰到下面几种场景，DPD就没那么合适：发射功率很低时，DPD自身额外耗电占比太高；宽带场景下，数模、模数转换器功耗会随采样速率飙升；还有没法接入数字基带的设备，比如接收机、部分卫星通信室外单元。
