שדרן PWM דיגיטלי מלא ללא הטלאות עם דרישות סינון מצומצמות

מדוע חשובים רדיוים נקיים יותר

בכל פעם שאתם משדרים וידאו או מצטרפים לשיחת וידאו, רדיו הטלפון צריך לדחוס יותר ויותר מידע דרך ספקטרום צפוף. כדי לעשות זאת ביעילות, מערכות אלחוט מודרניות כמו 4G ו‑5G מסתמכות על אותות מורכבים שקשה לשדרם בלי ליצור רעש והפרעות לא רצויות. מאמר זה מציג סוג חדש של משדר דיגיטלי מלא שיכול לטפל באותות תובעניים אלה תוך שימוש בחומרה פשוטה ויעילה יותר ובצורך בסינון אנלוגי מופחת לאחר יצירת האות.

האתגר של רדיוים דיגיטליים רועשים

רדיוים מוגדרי תוכנה מסורתיים ממירים נתונים דיגיטליים לגלי רדיו באמצעות ממירים מדויקים דיגיטליים‑לא‑אנלוגיים ומגברים מתוכננים בקפידה. גישה נוספת, פופולרית בשל היעילות שלה, משתמשת בפולסים שרוחבם מקודד בעוצמת האות ובמסלול נפרד להגדרת פאזה. משדרים מבוססי פולסים אלו מפעילים או מכבים את מגבר הכוח לחלוטין, מה שמאד חוסך באנרגיה. עם זאת, מאחר שהפולסים מכילים רכיבי הרמוניות רבים, הם יוצרים באופן טבעי עותקי “רוח רפאים” של האות בתדרים אחרים. במימושים דיגיטליים הדבר גם מוביל להטלות (aliasing), שבהן תמונות ספקטרליות לא רצויות מתקפלות חזרה לתוך הפס המעניין, מה שמדרדר את איכות האות וגורם להפרעות לערוצים סמוכים.

כיוון חדש: פולסים דיגיטליים מלאים ללא הטלות

המחברים בונים על עבודה קודמת שהראתה כיצד דפוסי פולס בעליים מעוצבות יכולים להמנע מבעיות הטלה ותמונתיות אלה. הסכמות הקודמות, עם זאת, ייצרו אותות עם רמות אמפליטודה רבות, מה שאילץ שימוש בממירים ברזולוציה גבוהה ובמגברי כוח מאוד ליניאריים, ובכך פגע בחלק מהיתרונות היעילותיים. העיצוב החדש, הנקרא משדר PWM דיגיטלי מלא ללא הטלות, שומר על התנהגות ספקטרלית נקייה של דפוסי הפולס המתקדמים אך מעצב אותם לאות פשוט בעל שתי רמות שניתן לייצר ישירות על ידי משדר/מקבל מבוסס FPGA ואז להזין למגבר כוח ממית-switching.

כיצד הבלוקים הבסיסיים פועלים יחד

בפנים המשדר, אותות הבסיס I/Q המקובלים מותמרים תחילה לתיאור אינטואיטיבי יותר של אמפליטודה ופאזה. האמפליטודה מניעה גנרטור פולסים מרובה‑שלבים ומוגבל‑פס, שמפיק מספר זרמי פולסים מסונכרנים שמשילובם יוצרים ספקטרום חלק ומבוקר עם מספר סופי של הרמוניות. סידור מרובה‑השלבים הזה מזיז את ההרמוניות הלא רצויות הרחק יותר מאותו האות ומפחית את עוצמתן. בלוק שני מתרגם אז את השונות בעוצמת הגל הרב‑שלבי הזה לפולסים ברדיו‑תדר מסודרים בקפידה בשתי רמות, באמצעות קומבינציות פולסים שונות בזמן כדי לייצג אמפליטודות ופאזות שונות מבלי להיתלות ברמות מתח ביניים.

מהתיאוריה לחומרה עובדת

הצוות מימש את הסכימה כולה על לוח FPGA מסחרי הכולל טרנסיברים סראליים מהירים מאוד. במקום לחשב כל פולס מחדש בזמן אמת, הם חישבו מראש את דפוסי הפולס הנדרשים הן לפולסים המוגבלי‑הפס והן לפולסים ה‑RF דו‑רמתיים, ואחסנו אותם בזיכרון על‑השבב. לוגיקה דיגיטלית פשוטה ממפה את האמפליטודה והפאזה המבוקשות בכל רגע לדפוס המאוחסן הנכון, אשר מסודר בסדר סריאלי בקצבי רוחב פס רב‑גיגאביט כדי ליצור את הפלט הדו‑רמתי הסופי. במבחנים, המשדר הניע שבב מגבר כוח מסוג class‑D בתדר 720 מגה‑הרץ ופעל גם ישירות ב‑1.75 גיגה‑הרץ ללא מגבר חיצוני, תוך שימוש בגלי 5G New Radio ו‑LTE ריאליסטיים על פסי רוחב של עד 20 מגה‑הרץ.

אותות נקיים יותר עם סינון פשוט יותר

המדידות מראות שהמשדר החדש מפיק ספקטרות נקיות משמעותית לעומת עיצוב פולס‑רוחב קוטבי קונבנציונלי שמומש על אותו FPGA. עבור אותות 5G ו‑LTE, הפליטות הלא רצויות בערוצים סמוכים נמוכות בהרבה, והטעות בין קונסטלציית האות הרצויה לנתקבלת נשארת סביב או מתחת לאחוז אחד. באופן חשוב, ההרמוניקה הלא רצויה החזקה ביותר מופיעה הרבה יותר רחוק מהאות הראשי מאשר בעיצובים קודמים, מה שאומר שהמסנן האנלוגי הסופי יכול להיות פשוט ופחות תובעני. בהשוואה לשיטות מבוססות פולסים מתקדמות אחרות שנלוות לממירים דיגיטליים‑לא‑אנלוגיים ברזולוציה נמוכה ולמספר מגברים, הארכיטקטורה הזו משיגה איכות אות טובה יותר עם מגבר ממית־יחיד וללא DAC כלל.

מה זה אומר לציוד אלחוטי עתידי

ללא‑מומחה, המסקנה העיקרית היא שהמחברים מראים כיצד לבנות משדר רדיו יעיל מאוד שחי במידה רבה בתחום הדיגיטלי אך שולח עדיין אותות 4G ו‑5G מאוד נקיים. על‑ידי ביטול הטלות ותמונתיות במקור ודחיקת העיוותים הנותרים הרחק מהפס המעניין, העיצוב מרפה את העומס על סינון אנלוגי ומגברי כוח. זה עשוי להפוך תחנות בסיס בעתיד ואולי אף מכשירי משתמש לגמישים יותר, קלים יותר לשכתוב בתוכנה ויעילים יותר בחשמל, וכל זאת תוך סביבה ספקטרלית שלווה יותר עם ערוצים סמוכים בספקטרום רדיו הולך ומתמלא.

ציטוט: 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

מילות מפתח: רדיו מוגדר תוכנה, משדר דיגיטלי, 5G New Radio, מודולציית רוחב פולס, מגבר כוח