Trasmettitore PWM completamente digitale senza aliasing con requisiti di filtraggio ridotti

Perché sono importanti radio più pulite

Ogni volta che guardi un video in streaming o partecipi a una videochiamata, il radiotrasmettitore del tuo telefono deve instradare sempre più informazioni in uno spettro affollato. Per farlo in modo efficiente, i sistemi wireless moderni come 4G e 5G usano segnali complessi che sono difficili da trasmettere senza generare rumore e interferenze indesiderate. Questo articolo presenta un nuovo tipo di trasmettitore completamente digitale in grado di gestire questi segnali esigenti usando hardware più semplice ed efficiente e richiedendo meno filtraggio analogico dopo la generazione del segnale.

La sfida delle radio digitali rumorose

I ricevitori radio definiti dal software tradizionali trasformano i dati digitali in onde radio usando convertitori digitale‑analogo ad alta precisione e amplificatori progettati con cura. Un altro approccio, apprezzato per la sua efficienza, utilizza impulsi la cui larghezza codifica l’ampiezza del segnale, insieme a un percorso separato per la fase. Questi trasmettitori a impulsi commutano l’amplificatore di potenza completamente acceso o spento, il che è molto efficiente dal punto di vista energetico. Tuttavia, poiché i loro impulsi contengono molte componenti armoniche, generano naturalmente copie «fantasma» del segnale a altre frequenze. Nelle implementazioni digitali ciò comporta anche aliasing, dove immagini spettrali indesiderate si ripiegano dentro la banda d’interesse, degradando la qualità del segnale e causando maggiore interferenza ai canali vicini.

Una nuova via: impulsi completamente digitali senza aliasing

Gli autori partono da lavori precedenti che dimostravano come schemi di impulsi appositamente sagomati possano evitare i problemi di aliasing e di imaging. Quegli schemi, però, producevano segnali con molti livelli di ampiezza, costringendo all’uso di convertitori ad alta risoluzione e amplificatori di potenza molto lineari, compromettendo alcuni dei benefici in termini di efficienza. Il nuovo progetto, chiamato trasmettitore PWM completamente digitale senza aliasing, mantiene il comportamento spettrale pulito di quei modelli avanzati di impulsi ma li rimodella in un semplice segnale a due livelli che può essere generato direttamente da un transceiver FPGA e poi alimentato a un amplificatore di potenza in commutazione.

Come funzionano insieme i blocchi costitutivi

All’interno del trasmettitore, i consueti segnali baseband in fase e quadratura (I/Q) vengono innanzitutto convertiti in una descrizione più intuitiva in ampiezza e fase. L’ampiezza alimenta un generatore di impulsi multi‑fase e a banda limitata, che produce diversi flussi di impulsi sincronizzati il cui effetto combinato è uno spettro controllato e uniforme con un numero finito di armoniche. Questa disposizione multi‑fase sposta le armoniche indesiderate più lontano dal segnale utile e ne riduce l’intensità. Un secondo blocco poi traduce la variazione di ampiezza di questa forma d’onda multi‑fase in impulsi a radiofrequenza a due livelli opportunamente organizzati, usando molte combinazioni temporali di impulsi per rappresentare diverse ampiezze e fasi senza ricorrere a livelli di tensione intermedi.

Dalla teoria all’hardware funzionante

Il team ha implementato l’intero schema su una scheda FPGA commerciale che include transceiver seriali molto veloci. Invece di calcolare ogni impulso da zero in tempo reale, hanno precomputato i pattern di impulsi necessari sia per gli impulsi a banda limitata sia per gli impulsi RF a due livelli, memorizzandoli nella memoria on‑chip. Una logica digitale semplice mappa l’ampiezza e la fase desiderate in ogni istante sul pattern memorizzato corretto, che viene poi serializzato a velocità multi‑gigabit per formare l’uscita finale a due livelli. Nei test, il trasmettitore ha pilotato un compatto chip amplificatore di classe D a 720 MHz e ha operato direttamente anche a 1,75 GHz senza amplificatore esterno, usando forme d’onda realistiche 5G New Radio e LTE su bande fino a 20 MHz.

Segnali più puliti con filtraggio più semplice

Le misure mostrano che il nuovo trasmettitore produce spettri significativamente più puliti rispetto a un design convenzionale a modulazione polar a larghezza d’impulso implementato sulla stessa FPGA. Per segnali sia 5G che LTE, le emissioni indesiderate nei canali adiacenti sono molto inferiori e l’errore tra la costellazione inviata e ricevuta rimane attorno o al di sotto dell’un per cento. Importante è che l’armonico indesiderato più forte appare molto più lontano dal segnale principale rispetto ai progetti precedenti, il che significa che il filtro analogico finale può essere più semplice e meno esigente. Rispetto ad altri approcci avanzati basati su impulsi che si affidano a convertitori digitale‑analogico a bassa risoluzione e a più amplificatori, questa architettura raggiunge una migliore qualità del segnale con un singolo amplificatore commutato e senza alcun DAC.

Cosa significa per le future apparecchiature wireless

Per un non‑specialista, la conclusione principale è che gli autori mostrano come costruire un trasmettitore radio altamente efficiente che risiede quasi interamente nel dominio digitale pur inviando segnali 4G e 5G molto puliti. Eliminando aliasing e imaging alla loro sorgente e spingendo le distorsioni residue lontano dalla banda d’interesse, il progetto allenta il carico sul filtraggio analogico e sugli amplificatori di potenza. Questo potrebbe rendere le future stazioni base e forse anche i dispositivi utente più flessibili, più facili da riconfigurare via software e più efficienti dal punto di vista energetico, il tutto coesistendo in modo più armonioso con i canali vicini in uno spettro radio sempre più affollato.

Citazione: 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

Parole chiave: radio definiti dal software, trasmettitore digitale, 5G New Radio, modulazione a larghezza di impulso, amplificatore di potenza