Émetteur PWM tout-numérique sans repli spectral avec exigences de filtrage réduites

Pourquoi des radios plus propres comptent

Chaque fois que vous diffusez une vidéo ou participez à un appel vidéo, la radio de votre téléphone doit faire passer toujours plus d’informations à travers des ondes radio de plus en plus encombrées. Pour y parvenir efficacement, les systèmes sans fil modernes comme la 4G et la 5G s’appuient sur des signaux complexes qui sont difficiles à transmettre sans générer du bruit et des interférences indésirables. Cet article présente un nouveau type d’émetteur entièrement numérique capable de gérer ces signaux exigeants tout en utilisant du matériel plus simple et plus efficace et en nécessitant moins de filtrage analogique après la génération du signal.

Le défi des radios numériques bruyantes

Les radios définies par logiciel traditionnelles convertissent les données numériques en ondes radio à l’aide de convertisseurs numérique‑vers‑analogique de haute précision et d’amplificateurs soigneusement conçus. Une autre approche, prisée pour son efficience, utilise des impulsions dont la largeur encode l’amplitude du signal, et une voie séparée pour encoder sa phase. Ces émetteurs à base d’impulsions commutent l’amplificateur de puissance complètement marche/arrêt, ce qui est très économes en énergie. Cependant, comme leurs impulsions contiennent de nombreux composants harmoniques, ils génèrent naturellement des « copies fantômes » du signal à d’autres fréquences. Dans les implémentations numériques, cela entraîne aussi du repli spectral (aliasing), où des images spectrales indésirables se rabattent dans la bande d’intérêt, dégradant la qualité du signal et causant davantage d’interférences aux canaux voisins.

Une nouvelle voie : impulsions tout‑numériques sans repli spectral

Les auteurs s’appuient sur des travaux antérieurs montrant comment des motifs d’impulsions spécialement façonnés peuvent éviter ces problèmes de repli et d’imagerie. Ces schémas précédents produisaient toutefois des signaux avec de nombreux niveaux d’amplitude, imposant l’usage de convertisseurs haute résolution et d’amplificateurs de forte linéarité, ce qui réduisait certains bénéfices d’efficacité. Le nouveau design, appelé émetteur PWM tout‑numérique sans repli spectral, conserve le comportement spectral propre de ces motifs d’impulsions avancés mais les remodèle en un signal simple à deux niveaux pouvant être produit directement par un transceiver FPGA (field‑programmable gate array) puis alimenter un amplificateur de puissance en commutation.

Comment les blocs fonctionnent ensemble

À l’intérieur de l’émetteur, les habituels signaux I/Q (en phase et en quadrature) en bande de base sont d’abord convertis en une description plus intuitive en amplitude et phase. L’amplitude pilote un générateur d’impulsions à bandes limitées multi‑phase, qui produit plusieurs flux d’impulsions synchronisés dont l’effet combiné est un spectre lisse et contrôlé contenant seulement un nombre fini d’harmoniques. Cette disposition multi‑phase déplace les harmoniques indésirables plus loin du signal utile et réduit leur amplitude. Un second bloc traduit alors l’amplitude variable de cette forme d’onde multi‑phase en impulsions radiofréquence organisées à deux niveaux, en utilisant de nombreuses combinaisons d’impulsions dans le temps pour représenter différentes amplitudes et phases sans recourir à des niveaux de tension intermédiaires.

De la théorie au matériel opérationnel

L’équipe a implémenté l’ensemble du schéma sur une carte FPGA commerciale qui intègre des transceivers sériels très rapides. Plutôt que de calculer chaque impulsion à la volée en temps réel, ils ont précalculé les motifs d’impulsions nécessaires pour les impulsions à bande limitée et pour les impulsions radiofréquence à deux niveaux, puis les ont stockés en mémoire embarquée. Une logique numérique simple associe l’amplitude et la phase désirées à chaque instant au motif stocké correct, qui est ensuite sérialisé à des débits gigabits pour former la sortie finale à deux niveaux. Dans les tests, l’émetteur a piloté une puce amplificatrice de classe D compacte à 720 MHz et a également fonctionné directement à 1,75 GHz sans amplificateur externe, en utilisant des formes d’onde réalistes 5G New Radio et LTE sur des bandes de fréquence jusqu’à 20 MHz.

Des signaux plus propres avec un filtrage plus simple

Les mesures montrent que le nouvel émetteur produit des spectres sensiblement plus propres qu’un dispositif conventionnel de modulation polaire par largeur d’impulsion implémenté sur le même FPGA. Pour les signaux 5G et LTE, les émissions indésirables dans les canaux adjacents sont bien plus faibles, et l’erreur entre la constellation prévue et la constellation reçue reste autour d’un pourcent ou moins. Fait important, l’harmonique indésirable le plus puissant apparaît beaucoup plus loin du signal principal que dans les conceptions antérieures, ce qui signifie que le filtre analogique final peut être plus simple et moins contraignant. Comparée à d’autres approches avancées basées sur des impulsions qui reposent sur des convertisseurs numérique‑vers‑analogique de faible résolution et plusieurs amplificateurs, cette architecture obtient une meilleure qualité de signal avec un seul amplificateur de commutation et sans DAC du tout.

Ce que cela signifie pour le matériel sans fil futur

Pour un non‑spécialiste, la principale conclusion est que les auteurs montrent comment construire un émetteur radio très efficace qui vit presque entièrement dans le domaine numérique tout en envoyant des signaux 4G et 5G très propres. En éliminant le repli spectral et l’imagerie à la source et en repoussant la distorsion restante loin de la bande d’intérêt, le design réduit la contrainte sur le filtrage analogique et les amplificateurs de puissance. Cela pourrait rendre les futures stations de base et éventuellement même les dispositifs utilisateurs plus flexibles, plus faciles à reconfigurer par logiciel et plus économes en énergie, tout en coexistants plus paisiblement avec les canaux voisins dans un spectre radio de plus en plus encombré.

Citation: 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

Mots-clés: radio définie par logiciel, émetteur numérique, 5G New Radio, modulation de largeur d’impulsion, amplificateur de puissance