射频集成电路线性化技术：数字预失真与包络跟踪的原理、架构与混合方案
核心正文
在射频功率放大器中，高效率和良好的线性度是一对固有矛盾。为提高效率，PA常工作在接近饱和的非线性区，从而产生带内失真（如频谱再生、误差矢量幅度EVM恶化）和带外频谱扩展（相邻信道泄漏比ACLR恶化）。线性化技术旨在通过外部电路或数字信号处理，校正PA的非线性特性，使其在高效工作点下仍能保持线性输出。数字预失真 和包络跟踪 是两种最主流的线性化技术，常结合使用以实现最优性能。
数字预失真：DPD是一种自适应非线性补偿技术。其核心思想是：在基带，对即将发送的数字信号施加一个与PA非线性特性相反的预失真函数，使得经过PA放大后，整体系统呈现线性特性。
原理与架构：DPD系统通常包含一个反馈回路。PA输出信号经耦合器、衰减器和下变频器后，被高速ADC采样，送回数字域。自适应算法（如最小均方误差LMS、递归最小二乘RLS）将反馈信号与原始发送信号比较，估计出PA的逆模型（即预失真器函数），并更新预失真器的参数。经典的预失真器模型包括记忆多项式（MP）、广义记忆多项式（GMP）、维纳-哈默斯坦模型等，用以同时表征PA的静态非线性和记忆效应（由热效应、偏置电路、晶体管本身等引起）。
关键技术挑战：1) 模型精度与复杂度权衡：高阶非线性、强记忆效应需要更复杂的模型，增加计算开销。2) 自适应算法收敛速度与稳定性：在信号特性或环境（如温度、负载）变化时需快速跟踪。3) 反馈路径的精度与延迟校准：反馈路径的增益/相位不平衡、时延偏差会严重影响DPD性能，需要精细校准。
包络跟踪：ET技术通过动态调整PA的供电电压（通常为漏极电压V_DD），使其跟踪输入信号的包络变化，从而使PA始终工作在接近饱和的高效区（如压缩点附近），避免在低功率输入时效率骤降。
原理与架构：系统主要包括包络调制器 和射频PA 两部分。包络调制器（通常是一个高速、高效率的宽带开关放大器，如降压转换器或线性-开关混合放大器）根据基带信号的包络信息，生成实时变化的电源电压V_CC(t)供给PA。理想情况下，V_CC(t)与输入包络呈特定关系（如线性或分段线性），以最大化效率并保持线性。ET PA本身需要针对宽动态范围的供电进行优化设计。
优势与挑战：ET能显著提升PA在功率回退区的平均效率，尤其对高峰均比信号（如OFDM）效果明显。其挑战在于：1) 包络调制器带宽与效率：为准确跟踪宽带信号包络（可能达数百MHz），调制器需极高带宽，同时保持高转换效率。2) PA的AM-AM/AM-PM失真：动态变化的电源电压会引入额外的非线性相位失真（AM-PM），这通常需要与DPD结合来校正。3) 时序对齐：射频路径与包络路径之间的任何微小延迟失配都会导致性能严重下降，需要纳秒级的精确对齐电路。
混合方案：ET与DPD的协同：在实际高性能PA（如用于5G基站的GaN PA）中，ET和DPD常协同工作。ET负责提升回退效率，而DPD负责校正由ET和PA本身共同引入的非线性与记忆效应，特别是ET带来的额外AM-PM失真。这种“ET+DPD”的方案已成为现代高效率、高线性射频前端，尤其是用于载波聚合和大带宽场景下的标配。设计时需要联合优化ET的电源-电压形状函数和DPD的模型参数，以实现系统级的效率-线性度-带宽最优。
本文要点
数字预失真通过基带算法自适应地补偿PA的非线性和记忆效应，是提升线性度的主流数字信号处理技术，其性能依赖于精确的PA行为建模和快速的参数更新。
包络跟踪通过动态调整PA供电电压使其跟踪信号包络，从根本上改善了PA在功率回退区的平均效率，但其引入的时序对齐问题和附加失真需仔细处理。
在高性能射频系统中，将ET与DPD结合已成为标准方案，ET负责效率优化，DPD负责线性化校正，二者协同实现宽带、高效率、高线性度的功率放大。
拓展阅读
Guan, L., et al. A Comprehensive Survey on Digital Predistortion Techniques for 5G and Beyond[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2021, 23(2): 1102-1136.
Wang, F., et al. Design of Wideband Envelope Tracking Power Amplifiers[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(1): 111-125.
