Vollständig digitaler, aliasing-freier PWM-Sender mit reduzierten Filteranforderungen

Warum sauberere Funkgeräte wichtig sind

Jedes Mal, wenn Sie ein Video streamen oder an einem Videogespräch teilnehmen, muss das Funkmodul Ihres Telefons immer mehr Informationen durch bereits stark ausgelastete Funkbänder quetschen. Moderne kabellose Systeme wie 4G und 5G nutzen dafür komplexe Signale, die sich nur schwer übertragen lassen, ohne unerwünschtes Rauschen und Störungen zu erzeugen. Dieser Beitrag stellt eine neue Art vollständig digitaler Sender vor, die mit diesen anspruchsvollen Signalen umgehen können, dabei einfachere und effizientere Hardware verwenden und nach der Signalgenerierung weniger analoge Filter benötigen.

Die Herausforderung lauter digitaler Radios

Traditionelle software-definierte Radios wandeln digitale Daten mit hochpräzisen Digital-Analog-Wandlern und sorgfältig ausgelegten Verstärkern in Funkwellen um. Ein anderer, wegen seiner Effizienz beliebter Ansatz arbeitet mit Impulsen, deren Breite die Signalstärke codiert, und einem separaten Pfad zur Kodierung der Phase. Diese impulsbasierten Sender schalten den Leistungsverstärker vollständig ein oder aus, was sehr energieeffizient ist. Da ihre Impulse jedoch viele Harmonische enthalten, erzeugen sie naturgemäß zusätzliche „Geister“-Kopien des Signals auf anderen Frequenzen. In digitalen Implementierungen führt dies außerdem zu Aliasing, bei dem unerwünschte spektrale Abbilder in das Nutzband zurückgefaltet werden, die Signalqualität verschlechtern und Nachbarkanäle mehr stören.

Ein neuer Weg: vollständig digital, aliasing-freie Pulse

Die Autoren bauen auf früheren Arbeiten auf, die zeigten, wie speziell geformte Pulsfolgen diese Aliasing- und Imaging-Probleme vermeiden können. Diese früheren Verfahren erzeugten jedoch Signale mit vielen Amplitudenstufen, was den Einsatz hochauflösender Wandler und sehr linearer Leistungsverstärker erforderte und damit einige der Effizienzvorteile zunichtemachte. Das neue Design, genannt vollständig digitaler aliasing-freier PWM-Sender, bewahrt das saubere spektrale Verhalten dieser fortgeschrittenen Pulsformen, formt sie aber in ein einfaches Zweistufen-Signal um, das direkt von einem FPGA-Transceiver erzeugt und dann einem Schaltleistungsverstärker zugeführt werden kann.

Wie die Bausteine zusammenwirken

Im Sender werden die üblichen In-Phase- und Quadratur-(I/Q)-Basisbandsignale zunächst in eine anschaulichere Amplituden- und Phasenbeschreibung überführt. Die Amplitude steuert einen mehrphasigen, bandbegrenzten Pulsgenerator, der mehrere synchronisierte Pulsströme produziert, deren kombinierte Wirkung ein glattes, kontrolliertes Spektrum mit nur einer endlichen Anzahl von Harmonischen ergibt. Diese mehrphasige Anordnung verschiebt unerwünschte Harmonische weiter weg vom Nutzsignal und reduziert deren Stärke. Ein zweiter Block übersetzt dann die wechselnde Amplitude dieser mehrphasigen Wellenform in sorgfältig angeordnete zweistufige Hochfrequenzpulse, wobei verschiedene Pulskombinationen in der Zeit genutzt werden, um unterschiedliche Amplituden und Phasen darzustellen, ohne auf Zwischenpegel angewiesen zu sein.

Von der Theorie zur funktionierenden Hardware

Das Team implementierte das gesamte Konzept auf einer kommerziellen FPGA-Platine mit sehr schnellen seriellen Transceivern. Statt jeden Impuls in Echtzeit neu zu berechnen, wurden die notwendigen Pulsmuster sowohl für die bandbegrenzten Pulse als auch für die zweistufigen Hochfrequenzpulse vorab berechnet und im On-Chip-Speicher abgelegt. Einfache digitale Logik ordnet die gewünschte Amplitude und Phase zu jedem Zeitpunkt dem korrekten gespeicherten Muster zu, das dann mit Multi-Gigabit-Raten serialisiert wird, um das endgültige Zweistufen-Ausgangssignal zu bilden. In Tests trieb der Sender einen kompakten Class-D-Leistungsverstärkerchip bei 720 MHz und lief auch direkt bei 1,75 GHz ohne externen Verstärker, wobei realistische 5G New Radio- und LTE-Wellenformen über Bandbreiten bis zu 20 MHz verwendet wurden.

Sauberere Signale bei einfacherer Filterung

Messungen zeigen, dass der neue Sender deutlich sauberere Spektren liefert als ein konventionelles polarisiertes Pulsweitenmodulations-Design, das auf demselben FPGA implementiert wurde. Für sowohl 5G- als auch LTE-Signale sind die unerwünschten Emissionen in benachbarten Kanälen deutlich geringer, und der Fehler zwischen dem beabsichtigten und dem empfangenen Signalkonstellation liegt bei etwa einem Prozent oder darunter. Wichtig ist, dass die stärkste unerwünschte Harmonische deutlich weiter vom Hauptsignal entfernt auftritt als bei früheren Entwürfen, was bedeutet, dass das abschließende analoge Filter einfacher und weniger anspruchsvoll ausfallen kann. Im Vergleich zu anderen fortgeschrittenen impulsbasierten Ansätzen, die auf niederauflösende Digital-Analog-Wandler und mehrere Verstärker setzen, erreicht diese Architektur bessere Signalqualität mit nur einem Schaltverstärker und ganz ohne DAC.

Was das für zukünftige Funktechnik bedeutet

Für Nicht-Spezialisten lautet die Kernaussage: Die Autoren zeigen, wie man einen hocheffizienten Funksender baut, der nahezu vollständig im digitalen Bereich lebt und dennoch sehr saubere 4G- und 5G-Signale sendet. Indem Aliasing und Imaging an der Quelle eliminiert und verbleibende Verzerrungen weit außerhalb des Nutzbands verschoben werden, verringert das Design die Anforderungen an analoge Filter und Leistungsverstärker. Das könnte zukünftige Basisstationen und möglicherweise sogar Endgeräte flexibler, leichter per Software rekonfigurierbar und energieeffizienter machen – und gleichzeitig ein friedlicheres Zusammenleben mit Nachbarkanälen in einem immer dichter genutzten Funkspektrum ermöglichen.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: software-definiertes Radio, digitaler Sender, 5G New Radio, Pulsweitenmodulation, Leistungsverstärker