数字预失真是一种技术。它用在无线通信系统中。无线通信系统需要发射信号。发射信号经过功率放大器。功率放大器的特性不是线性的。非线性特性会产生失真。失真会影响信号质量。信号质量下降会导致通信错误。通信错误会降低系统效率。我们需要解决这个问题。数字预失真就是解决方法之一。

功率放大器是重要的部件。它把信号放大。放大的信号才能传得远。理想的功率放大器是线性的。输入信号变大，输出信号也按比例变大。现实中的功率放大器不是这样的。当输入信号很大时，输出信号不会按比例增加。这种现象叫做饱和。功率放大器还有记忆效应。现在的输出不仅和现在的输入有关。它还和过去的输入有关。这些特性导致了非线性失真。

非线性失真产生新的频率分量。这些新的频率分量叫做频谱再生。频谱再生会干扰旁边的信道。旁边的信道也会被影响。通信标准对此有严格限制。我们必须减少频谱再生。同时，非线性失真也会扭曲本身的信号。信号的幅度和相位都会改变。这种扭曲叫做调制失真。调制失真会增加误码率。误码率高了，通信就不可靠。

数字预失真的思想很简单。我们在信号进入功率放大器之前，先修改信号。我们故意让信号产生一种相反的失真。这种相反的失真经过功率放大器。功率放大器产生非线性失真。两种失真互相抵消。最终输出的信号就接近线性放大。这就是预失真的原理。数字预失真用数字电路实现。数字电路处理的是数字信号。数字信号由0和1组成。数字信号容易处理，也容易调整。

数字预失真系统有主要部分。第一部分是信号通路。信号通路负责主信号的流动。基带信号产生。基带信号是原始的数字信号。数字预失真器处理基带信号。数字预失真器是一个算法模块。它根据模型修改信号的幅度和相位。修改后的信号送到数字变频器。数字变频器把信号变到射频频率。射频信号送到数模转换器。数模转换器把数字信号变成模拟信号。模拟信号进入功率放大器。功率放大器把信号放大。放大后的信号从天线上发射出去。

第二部分是反馈通路。反馈通路很重要。我们需要知道功率放大器的输出。输出信号的一部分被耦合出来。耦合信号送到下变频器。下变频器把射频信号变回低频。低频信号送到模数转换器。模数转换器把模拟信号变成数字信号。数字信号送到自适应算法模块。自适应算法比较反馈信号和原始信号。它计算出功率放大器的失真特性。它根据失真特性更新预失真器的参数。这样预失真器就能适应功率放大器的变化。功率放大器的特性会随着温度和时间改变。自适应算法让系统始终保持好的性能。

建立功率放大器的模型是关键。模型是数学公式。它描述输入和输出的关系。常见的模型有记忆多项式模型。记忆多项式模型考虑记忆效应。它的表达式不复杂。模型参数需要识别。我们用反馈信号来识别参数。识别参数就是求解数学问题。我们让模型输出尽量接近实际输出。误差要最小。最小二乘法是常用的方法。最小二乘法可以求出模型参数。有了模型参数，就可以构造预失真器。预失真器是放大器的逆模型。逆模型的意思就是反着算。知道了放大器的特性，就能算出应该输入什么信号。

预失真算法需要计算。计算量不能太大。太大的计算量需要昂贵的硬件。硬件成本就高了。工程师要平衡性能和成本。查找表是一种简单方法。查找表把输入信号和预失真值对应起来。输入信号进来，直接查表得到修改值。查找表的速度很快。查找表需要存储空间。存储空间是有限的。我们要对信号进行量化。量化会带来误差。误差需要控制。插值方法可以提高精度。插值用附近的值估计当前值。这样查找表可以小一些。

自适应过程必须稳定。参数更新不能太剧烈。太剧烈的更新会让系统振荡。系统振荡就无法工作。更新步长是一个重要参数。步长大，收敛快，但可能不稳定。步长小，稳定，但收敛慢。我们需要选择合适的步长。有的算法能自动调整步长。这样性能更好。

数字预失真技术有很多应用。它用在蜂窝基站里。蜂窝基站需要大功率。大功率放大器非线性更严重。数字预失真能帮助放大器更有效率地工作。效率高就省电。省电对运营商很重要。它也用在其他无线系统里。比如数字电视发射机。比如卫星通信终端。这些地方都需要高线性度的放大。

这项技术还在发展。新的功率放大器材料不断出现。比如氮化镓材料。氮化镓放大器有新的特性。预失真模型需要适应新特性。新的通信标准要求更高。5G信号带宽很宽。宽带宽信号对预失真挑战更大。预失真算法要处理更宽的带宽。记忆效应也更显著。研究者在开发新的模型。新的模型要更精确，计算量更小。机器学习方法也被引入。机器学习能从数据中学习模型。机器学习可能找到更好的预失真函数。

硬件平台也在进步。现场可编程门阵列很常用。现场可编程门阵列可以灵活编程。它的处理速度很快。数字信号处理器也在用。数字信号处理器适合做数学运算。专用集成电路性能最高。专用集成电路成本也高。选择哪种平台要看具体需求。

测试数字预失真系统需要仪器。信号发生器产生测试信号。频谱分析仪观察输出频谱。频谱分析仪能看到频谱再生是否被抑制。矢量信号分析仪能分析信号质量。误差矢量幅度是一个重要指标。误差矢量幅度衡量信号失真程度。数字预失真就是要降低误差矢量幅度。

数字预失真技术很实用。它让功率放大器工作在线性区。同时又让功率放大器工作在高效区。高效区靠近饱和区。没有预失真，放大器必须后退。后退到线性区。那样效率很低。有了预失真，放大器可以向前。向前到高效区。效率提高了。线性度还保证了。这是一个两全其美的办法。

实现数字预失真要注意细节。采样率要足够高。采样率低了，信号会失真。时钟同步要准确。发射通路和反馈通路时钟要对齐。不对齐，算法就无法工作。温度的影响要考虑。温度变了，放大器特性变了。自适应算法要能跟上变化。

数字预失真是无线通信里的关键技术。它解决了功率放大器的非线性问题。它提高了频谱效率。它降低了能源消耗。这项技术会继续演进。未来的无线系统离不开它。