مرسل PWM رقمي بالكامل خالٍ من الطيّ مع متطلبات تصفية مخفّضة

لماذا تهمّ الإشارات النظيفة في الراديو

في كل مرة تشاهد فيها فيديو أو تنضم إلى مكالمة فيديو، يجب على راديو هاتفك نقل مزيد من المعلومات عبر طيفٍ هوائي مزدحم. لتحقيق ذلك بكفاءة، تعتمد الأنظمة اللاسلكية الحديثة مثل 4G و5G على إشارات معقدة يصعب إرسالها دون توليد ضوضاء وتداخل غير مرغوب فيه. تستعرض هذه الورقة نوعًا جديدًا من المرسلات الرقمية بالكامل القادرة على التعامل مع هذه الإشارات المطالِبة مع استخدام عتاد أبسط وأكثر كفاءة وحاجة أقل للتصفية التناظرية بعد توليد الإشارة.

تحدي الضوضاء في الراديو الرقمي

تحوّل الراديوات التقليدية المعرفة بالبرمجيات البيانات الرقمية إلى موجات راديوية باستخدام محولات رقمية إلى تماثلية عالية الدقة ومضخمات مصممة بعناية. نهج آخر، شائع لكفاءته، يستخدم نبضات يعبر عرضها عن قوة الإشارة، ومسارًا منفصلاً لترميز الطور. تعمل هذه المرسلات القائمة على النبضات على تشغيل مضخم الطاقة بالكامل أو إيقافه، وهو ما يكون فعالًا جدًا من حيث الطاقة. إلا أن نبضاتها تحتوي على مكونات تناغمية عديدة، ما يولّد بطبيعة الحال نسخًا “شبحية” للإشارة عند تردّدات أخرى. في التطبيقات الرقمية يؤدي ذلك أيضًا إلى الطيّ (aliasing)، حيث تعود صور طيفية غير مرغوب فيها إلى النطاق المطلوب، مما يضعف جودة الإشارة ويتسبب بتداخل أكبر مع القنوات المجاورة.

مسار جديد: نبضات رقمية بالكامل وخالية من الطيّ

يبني المؤلفون على عمل سابق أظهر كيف يمكن لأنماط نبضية مُشكَّلة خصيصًا تفادي مشاكل الطيّ والصور الطيفية. غير أن هذه المخططات السابقة أنتجت إشارات ذات مستويات سعة عديدة، ما اضطر إلى استخدام محولات عالية الدقة ومضخمات طاقة خطية جدًا، وهو ما يقلل من بعض فوائد الكفاءة. التصميم الجديد، المسمى مرسال PWM رقمي بالكامل وخالٍ من الطيّ، يحتفظ بالسلوك الطيفي النظيف لتلك الأنماط المتقدمة لكنه يعيد تشكيلها إلى إشارة ببساطة ذات مستويين يمكن توليدها مباشرة بواسطة ناقل/مستقبل مبرمج ميداني (FPGA) ثم إطعامها إلى مضخم طاقة بنمط التبديل.

كيف تتكامل المكوّنات

داخل المرسِل، تُحوَّل إشارة القاعدة الاعتيادية المركّبة من المكوّن التوافقي والمتعامد (I/Q) أولًا إلى وصف أكثر بديهية بالسعة والطور. تُسيطِر السعة على مولّد نبضات متعدد الأطوار محدود النطاق، الذي يولّد عدة تدفقات نبضية متزامنة يؤثر تراكمها على طيف ناعم ومتحكَّم به فيه عدد محدود فقط من التوافقيات. تعمل هذه البنية متعددة الأطوار على دفع التوافقيات غير المرغوب فيها بعيدًا عن الإشارة المفيدة وتقليل قوتها. ثم يترجم بلوك ثانٍ سعة هذا الموجّ متعدد الأطوار المتغيرة إلى نبضات ترددية ذات مستويين مرتّبة بعناية، مستخدمًا مجموعات زمنية متعددة من النبضات لتمثيل سعات وطورات مختلفة دون اللجوء إلى مستويات جهد وسيطة.

من النظرية إلى الأجهزة العملية

نفّذ الفريق كامل المخطط على لوحة FPGA تجارية تتضمّن ناقلات/مستقبلات تسلسلية فائقة السرعة. بدلًا من حساب كل نبضة من البداية في الزمن الحقيقي، قاموا بحساب أنماط النبضات اللازمة مسبقًا لكل من النبضات محدودة النطاق والنبضات الترددية ذات المستويين، وتخزينها في ذاكرة على الشريحة. تقوم منطقية رقمية بسيطة بربط السعة والطور المطلوبين في كل لحظة بالنمط المخزّن الصحيح، الذي يُتسلسل بعد ذلك بسرعات متعددة جيجابت لتشكيل الإخراج النهائي ذي المستويين. في الاختبارات، دفع المرسِل شريحة مضخم طاقة من فئة D مدمجة عند 720 ميجاهرتز وعمل أيضًا مباشرة عند 1.75 جيجاهرتز بدون مضخم خارجي، مستخدمًا موجات واقع 5G New Radio وLTE بعرض نطاق يصل إلى 20 ميجاهرتز.

إشارات أنظف مع تصفية أبسط

تُظهر القياسات أن المرسِل الجديد ينتج أطيافًا أنظف بكثير من تصميم تضمين عرض النبضة القطبي التقليدي المنفّذ على نفس الـFPGA. لكلٍّ من إشارات 5G وLTE، تكون الانبعاثات غير المرغوب فيها في القنوات المجاورة أقل بكثير، ويظل الخطأ بين الإشارة المقصودة والمتلقاة حوالى واحد في المئة أو أقل. والأهم أن أقوى توافقي غير مرغوب يوجد بعيدًا عن الإشارة الرئيسية أكثر مما كان في التصاميم السابقة، مما يعني أن مرشح النهاية التناظري يمكن أن يكون أبسط وأقل تطلبًا. بالمقارنة مع نهوج نبضية متقدمة أخرى تعتمد على محولات رقمية إلى تماثلية منخفضة الدقة ومتعددات المضخمات، يحقق هذا التصميم جودة إشارة أفضل بمضخم تبديل واحد وبدون أي DAC على الإطلاق.

ما معناه لمعدّات الاتصالات اللاسلكية المستقبلية

لغير المتخصص، الخلاصة الأساسية أن المؤلفين يظهرون كيفية بناء مرسل راديو عالي الكفاءة يعيش تقريبًا بالكامل في النطاق الرقمي بينما لا يزال يبعث إشارات 4G و5G نظيفة جدًا. من خلال القضاء على الطيّ والصور الطيفية من المصدر ودفع التشويش المتبقي بعيدًا عن النطاق المطلوب، يخفّف التصميم العبء على التصفية التناظرية ومضخمات الطاقة. يمكن أن يجعل هذا محطات القاعدة المستقبلية وربما حتى أجهزة المستخدم أكثر مرونة وأسهل في إعادة التكوين برمجيًا وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، مع تآزر أفضل مع القنوات المجاورة في طيفٍ لاسلكي يزداد ازدحامًا.

الاستشهاد: Haque, M.F.U., Ahmed, H. & Johansson, T. All-digital aliasing-free PWM transmitter with reduced filtering requirements. Sci Rep 16, 9235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44436-1

الكلمات المفتاحية: الراديو المعرفة بالبرمجيات, المرسل الرقمي, 5G New Radio, تضمين عرض النبضة, مضخم الطاقة