Transmisor PWM totalmente digital sin aliasing con requisitos de filtrado reducidos

Por qué importan las radios más limpias

Cada vez que transmites un vídeo o participas en una videollamada, el radio de tu teléfono debe encajar más y más información en unas ondas aéreas cada vez más saturadas. Para hacerlo de forma eficiente, los sistemas inalámbricos modernos como 4G y 5G se basan en señales complejas que son difíciles de transmitir sin generar ruido e interferencias no deseadas. Este artículo presenta un nuevo tipo de transmisor totalmente digital capaz de manejar estas señales exigentes utilizando hardware más simple y eficiente y necesitando menos filtrado analógico después de generar la señal.

El desafío de las radios digitales ruidosas

Las radios definidas por software tradicionales convierten datos digitales en ondas radioeléctricas mediante convertidores digital‑a‑analógico de alta precisión y amplificadores cuidadosamente diseñados. Otro enfoque, popular por su eficiencia, usa pulsos cuya anchura codifica la amplitud de la señal y una ruta separada para codificar la fase. Estos transmisores basados en pulsos conmutan el amplificador de potencia totalmente encendido o apagado, lo que resulta muy eficiente energéticamente. Sin embargo, dado que sus pulsos contienen muchos componentes armónicos, generan de forma natural copias “fantasma” de la señal en otras frecuencias. En implementaciones digitales, esto también conduce al aliasing, donde imágenes espectrales indeseadas se pliegan dentro de la banda de interés, degradando la calidad de la señal y causando más interferencia en canales vecinos.

Un nuevo camino: pulsos totalmente digitales sin aliasing

Los autores retoman trabajos previos que mostraron cómo patrones de pulso especialmente diseñados pueden evitar estos problemas de aliasing e imágenes. Sin embargo, esos esquemas previos generaban señales con muchos niveles de amplitud, lo que obligaba a usar convertidores de alta resolución y amplificadores de potencia muy lineales, comprometiendo algunos beneficios de eficiencia. El nuevo diseño, denominado transmisor PWM totalmente digital sin aliasing, mantiene el comportamiento espectral limpio de esos patrones avanzados de pulso pero los remodela en una señal simple de dos niveles que puede generarse directamente desde un transceptor FPGA y luego alimentarse a un amplificador de potencia en modo conmutado.

Cómo funcionan los bloques conjuntamente

Dentro del transmisor, las habituales señales baseband en fase y cuadratura (I/Q) se convierten primero en una descripción más intuitiva de amplitud y fase. La amplitud alimenta un generador de pulsos en varias fases y con banda limitada, que produce varias corrientes de pulsos sincronizadas cuyo efecto combinado es un espectro suave y controlado con solo un número finito de armónicos. Esta disposición multiphase desplaza los armónicos indeseados más lejos de la señal útil y reduce su intensidad. Un segundo bloque traduce entonces la amplitud variable de esta forma de onda multiphase en pulsos de radiofrecuencia cuidadosamente ordenados de dos niveles, usando muchas combinaciones de pulso en el tiempo para representar distintas amplitudes y fases sin recurrir a niveles de tensión intermedios.

De la teoría al hardware funcional

El equipo implementó todo el esquema en una placa FPGA comercial que incluye transceptores seriales de muy alta velocidad. En lugar de calcular cada pulso desde cero en tiempo real, precomputaron los patrones de pulso necesarios tanto para los pulsos de banda limitada como para los pulsos de radiofrecuencia de dos niveles, almacenándolos en memoria on‑chip. Lógica digital simple mapea la amplitud y fase deseadas en cada instante al patrón correcto almacenado, que se serializa a velocidades multigigabit para formar la salida final de dos niveles. En las pruebas, el transmisor excitó un chip amplificador de potencia tipo D compacto a 720 MHz y también operó directamente a 1,75 GHz sin un amplificador externo, usando formas de onda reales de 5G New Radio y LTE con anchos de banda de hasta 20 MHz.

Señales más limpias con filtrado más sencillo

Las mediciones muestran que el nuevo transmisor produce espectros considerablemente más limpios que un diseño polar de modulación por ancho de pulso convencional implementado en la misma FPGA. Para señales 5G y LTE, las emisiones no deseadas en canales adyacentes son mucho menores y el error entre la constelación de señal prevista y la recibida se mantiene alrededor o por debajo del uno por ciento. De forma importante, el armónico no deseado más fuerte aparece mucho más alejado de la señal principal que en diseños anteriores, lo que significa que el filtro analógico final puede ser más simple y menos exigente. En comparación con otros enfoques avanzados basados en pulsos que dependen de convertidores digital‑a‑analógico de baja resolución y múltiples amplificadores, esta arquitectura alcanza mejor calidad de señal con un único amplificador conmutado y sin ningún DAC.

Qué significa esto para futuros equipos inalámbricos

Para un lector no especialista, la conclusión principal es que los autores muestran cómo construir un transmisor de radio muy eficiente que reside casi por completo en el dominio digital y que aun así envía señales 4G y 5G muy limpias. Al eliminar el aliasing y las imágenes en su origen y desplazar la distorsión restante lejos de la banda de interés, el diseño relaja la carga sobre el filtrado analógico y los amplificadores de potencia. Esto podría hacer que las futuras estaciones base y posiblemente incluso los dispositivos de usuario sean más flexibles, más fáciles de reconfigurar por software y más eficientes energéticamente, todo ello mientras conviven de forma más pacífica con canales vecinos en un espectro radioeléctrico cada vez más saturado.

Cita: 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

Palabras clave: radio definida por software, transmisor digital, 5G New Radio, modulación por ancho de pulso, amplificador de potencia