什么是线性失真？什么是非线性失真？浅析无线通信的失真

信号经过射频收发通道的时候，由于有加性噪声和乘性噪声引入，或多或少会对所传信号有一定程度的歪曲，这种情况就是无线信号的失真。一般分为线性失真和非线性失真，下面介绍下各自的特点。

什么是线性失真

线性失真（Linear Distortion）是指在信号传输过程中，信号的幅度和相位发生了线性变化，导致信号的形状、幅度和相位发生改变的一种失真形式。线性失真是无线通信系统中非常常见的一种失真形式，它会导致信号的质量下降，从而影响系统的性能。

线性失真通常是由信号在传输过程中受到不同的衰减和延迟引起的。在信号传输的过程中，信号会经过一些介质，如空气、水或导线等，这些介质对信号的传播会产生不同的影响，例如折射、散射、反射等等。这些影响会导致信号的幅度和相位发生变化，从而引起线性失真。

在无线通信中，射频器件输出的幅值变化特性和相位偏移特性对不同频率的输入有很大的不同。很多射频信号，由很多不同的频率分量组成，输出端的合成信号在幅值和相位上与输入相比就会有一定程度的失真，类似下图：

线性失真时，输出信号中不会有输入信号中所没有的新的频率分量，各个频率的输出波形也不会变化。这种幅度的失真或者相位的失真是由该电路的线性电抗元件对不同频率的响应不同而引起的，所以叫线性失真。由于是射频器件对不同频率的信号处理结果上的偏差，又叫频率失真。线性失真主要是由滤波器等无源器件产生的。在设计或选择无源射频器件的时候，要重点关注它的频率使用范围，在这个范围内对不同频率的信号输入和输出的线性关系应尽量一致，以减小线性失真的影响。

什么是非线性失真

非线性失真（Nonlinear Distortion）是无线通信中一种常见的失真类型，它是指信号在传输过程中发生非线性变化而引起的失真。这种失真与线性失真不同，线性失真是指信号传输过程中的线性衰减或衰减，这可以通过信号补偿来修复，而非线性失真则是无法通过简单的补偿来修复的。

非线性失真通常发生在高功率下，当信号的功率超过一定阈值时，非线性元件（如放大器或调制器）开始出现饱和或压缩现象，这会导致信号的波形发生扭曲或截断，从而引起信号质量的损失。

非线性失真产生的原因很多，其中一个重要的因素是系统中的非线性元件。放大器是一个常见的非线性元件，它会将输入信号的幅度放大到较高的水平，但当信号的幅度过高时，放大器就会进入饱和区域，无法再继续放大，这就导致了非线性失真。类似的，调制器等其他非线性元件也可能导致非线性失真。在设计和选择有源射频器件的时候，要注意器件的线性工作范围，一定要避免输入信号的正常波动就导致输出信号进入了饱和区，引起非线性失真。

除了非线性元件，非线性失真还可能来自于信号传输路径中的非线性因素，如非线性传输介质或多径效应。在这些情况下，信号的波形也可能发生扭曲或截断。

为了减少非线性失真的影响，通信系统通常会采用多种技术来补偿失真。其中一种常见的技术是预失真技术，它是一种逆向修复方法，通过在发送信号之前对信号进行预先处理，使其与预期的非线性失真相抵消，从而减少非线性失真的影响。其他的技术还包括自适应均衡器、数字预失真、线性化放大器等。

什么是三阶交调

三阶交调（Third-Order Intermodulation，简称TOI）是指等幅双音信号f1和f2输入放大器后，由于放大器的非线性而产生的2f1-f2和2f2-f1的杂散分量。

交调干扰信号有三阶、五阶、七阶或者更多阶的分量，但是三阶交调分量最大。假若两个频率f1和f2的频率差为Δf =f2-f（1f2＞f1），三阶交调的频率一般在f2+Δf和f1-Δf的位置。三阶交调是用来衡量射频器件非线性的重要指标，其大小用交调产物与主输出信号的比来表示，单位是dBc。

在无线通信系统中，由于系统的非线性特性导致的一种失真现象，其表现为两个或多个不同频率的信号经过放大器等非线性元件后，产生一个新的信号，其频率为原始信号频率之和或差，且该新信号的幅度与原始信号的幅度有关。

三阶交调通常在无线通信系统中会对系统的性能产生一定的影响，其产生的交调产物会干扰到其他频率的信号，导致接收端信号的质量下降，影响通信质量。因此，在无线通信系统的设计和优化中，需要考虑到非线性因素的影响，例如采用线性放大器、预失真等技术来抑制三阶交调的产生，从而提高系统的性能和可靠性。

在选择射频器件时，三阶交调指标的绝对值越大越好。其值越大，说明交调产物相对主信号来说越小，对系统的干扰影响越小。

下图就是三阶交调的示意图。

IMD：交调抑制（dBm）

OIP3：即三阶截获点，是指两等幅信号（f1和f2）的输出功率与三阶交调抑制的一半之和。

即：OIP3=P0+1/2IMD

带内互调衰减：即三阶交周产物电平IMP

测试单个器件的OIP3的步骤：

1. 用信号源输入双音信号；

1. 从频谱仪读取经过DUT的输出信号的功率值PO；
2. 从频谱仪读取经过DUT产生的三阶互调产物的功率值IMD；
3. 带入公式计算OIP3。

什么是1dB压缩点

1dB压缩点（1dB Compression Point）是指在无线通信系统或其他电子系统中，当输入信号的功率达到一定水平时，输出信号的功率开始出现明显的压缩。1dB压缩点是指在输出信号功率下降1dB的情况下，输入信号功率的水平，也称为输出端点压缩点。

在无线通信系统中，1dB压缩点通常用于衡量系统的非线性特性，即在输入信号功率较高的情况下，系统的输出信号会出现失真或非线性扭曲。因此，1dB压缩点越高，代表系统能够承受更高的输入信号功率，从而提高系统的抗干扰能力和动态范围。

1dB压缩点通常用dBm或dBW等单位表示，例如1dBm压缩点表示当输入信号的功率为1dBm时，输出信号的功率开始出现1dB的压缩。

在无线通信系统设计和优化中，1dB压缩点是一个重要的参数，通常需要通过实验或仿真来确定系统的1dB压缩点，并据此进行系统设计和性能优化。同时，在系统实际应用中，也需要注意控制输入信号的功率，以避免系统出现过度压缩或失真的情况。在选择射频器件的时候，要使射频器件的工作范围尽量远离P1dB。

为什么宽带信号要采用线性功放技术

如下图所示：放大器在OA区域时，Pin与Pout成线性关系，即功率增益Gp基本保持不变。Pin继续增加， Pout出现滞胀，Gp开始减小，Pout达到最大后开始下降，Gp进一步减小。通常把增益Gp从Gpmax下降1dB的D点称为1dB增益压缩点，此点是线性和非线性的分界点。Pin超过Pin（1dB）后，放大器很快进入饱和工作区，即非线性区。 Pin（1dB）越大，放大器线性度越高。

放大器在非线性区域时，输出Pout中包含新的频率分量。如果为单频f1信号，输出Pout中包含f1以及它的的高次谐波频率成分；如果为两个频率f1及f2的组合信号，输出中将包含mf1±nf2的频率成分信号，其中m，n分别为0，1，2…，考虑到放大器负载的频率是有限的，输出的频率成分中一般包含f1，f2和它们的组合分量2f1-f2、2f2-f1、3f1-2f2、3f2-2f1…。

下图给出了输入信号和输出信号的频谱，由于放大器输出产生新的分量而导致的输出信号失真，称为放大器的非线性失真。

而传统功率放大器线性化方法有一定的局限性，因为以下因素：

a、负反馈：应用于低频率较窄的频段。

b、补偿技术（back-off）：即降低输入功率Pin，使放大器的工作点远离饱和区，用降低输出功率的方法减小非线性失真。这种方法简单也可以保证线性。但是由于放大器的工作电流不变，使得效率降低，晶体管本身也“大材小用”，没有发挥它的能力。当需要大的输出功率时，就需要输出功率更大的放大管，这对器件提出了更高的要求。这些局限性限制了补偿技术的广泛应用。

既要保证高功率，又要高线性，高效率，显然在保证有良好的晶体管和选择合理的工作状态外，还要采用合理的线性化措施。

而最终需要使用宽带信号要采用线性化技术。这是因为，目前4G和5G都是宽带信号了，不像以前的2G时代的200KHz载波信号。宽带信号是随机包络的宽带通道，如果采用一般的高功放（通常工作于AB类）进行信号放大，将由于交调失真的影响产生频谱再生效应，对相邻的信道产生严重的干扰，为此3GPP规定了频谱辐射屏蔽（Spectrum emission mask）的要求，而通常所说的高功放是难以达到这个要求的，虽然采用A类功放可能会达到这个要求，但是它的效率太低，也难以把信号放大到几十瓦的量级，为此，在高功放的基础上必须对其进行线性化的处理。把运用了线性化技术的功放称为线性功放，它可以较好的解决信号的频谱再生问题。

什么是预失真技术

预失真技术（pre-distortion technique）是依靠在功率放大器的输入通道中插入预失真部件，造成输入信号的预先岐变失真，由于预失真部件的失真特性与功率放大器的非线性失真特性正好相反，从而消除功率放大器输出信号中的非线性失真产物，实现功率放大器线性化改善目标的信号处理方案。

具体有以下预失真技术：

技术1：模拟预失真（RF和IF预失真）

如下图所示：a是预失真线性器的输入输出曲线示意图；b是微波晶体管放大器的输入输出曲线示意图。可以看出经过预失真器件的输出信号再经过放大器进行放大，从而补偿了放大器的非线性特征，使放大器的非线性提高（如c）。

技术2：模拟预失真（RF和IF预失真）

下图是一种预失真线性器的结构，信号经3dB电桥后相位相差90°，一路经具有可调移相器和衰减器的“线性支路”，另外一路经过由两个反相并联二极管组成的“非线性支路”，然后经3dB电桥耦合器加和输出。经过“线性支路”的信号随输入信号的增加而增加，经过“非线性支路”的信号，随输入信号的增加不呈现线性变化，根据微波二极管非线性特性，输入信号小时，二极管衰减大，输入信号大时，二极管衰减小。这样具有90°相差的两路信号再输出3dB耦合器合成时，能获得图3c的曲线特征。

技术3：数字预失真

数字预失真是一种放大器线性化方法，能显著提高多载波放大器的效率。其原理是：非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中，其与放大器展示的失真功能数量相当（“相等”），但功能却相反。将这两个非线性失真功能相结合，便能够实现高度线性、无失真的系统。这样就可以在功率放大器（PA）内使用简单的AB类平台，从而可以消除制造前馈放大器（feed forward amplifier）的负担和复杂性。此外，由于放大器不再需要误差放大器失真矫正电路，因此可以显著提高系统效率。

数字预失真系统的基本运行原理如上图所示。目标是数字化生成非线性，以获得放大器所展示的优异特征。如果对基带非线性进行了正确建构，那么对连续流经基带非线性层叠（cascade）及放大器的信号的总体系统响应则为线性增益响应。