フィルタ要件を低減した全デジタル・エイリアシングフリーPWM送信機

なぜ雑音の少ない無線機が重要か

ビデオをストリーミングしたりビデオ通話に参加したりするたびに、携帯電話の無線回線は混雑した電波帯域により多くの情報を詰め込まなければなりません。これを効率的に行うために、4Gや5Gのような現代の無線システムは、送信時に不要な雑音や干渉を生みやすい複雑な信号を用いています。本稿は、こうした高負荷の信号を扱いつつ、より単純で効率的なハードウェアを使い、信号生成後のアナログフィルタを減らせる新しい完全デジタル送信機を紹介します。

デジタル無線機の雑音問題

従来のソフトウェア定義無線は、高精度なデジタル–アナログ変換器と慎重に設計されたアンプを使ってデジタルデータを電波に変換します。効率性の面で人気のある別の手法は、信号の強さをパルスの幅で符号化し、位相を別経路で符号化するものです。これらのパルスベースの送信機はパワーアンプを完全にオン・オフするため非常に電力効率が良い一方、パルスには多くの高調波成分が含まれるため、自然に別の周波数帯に“ゴースト”コピーを生じます。デジタル実装では、これがエイリアシング（スペクトル画像の折り返し）となって関心帯域に不要な成分が入り込み、信号品質を劣化させ隣接チャネルへの干渉を増やしてしまいます。

新しい道：全デジタルのエイリアシングフリー・パルス

著者らは、特別に成形されたパルスパターンがこれらのエイリアシングや画像化の問題を回避できることを示した先行研究を踏まえています。しかし先行手法は多くの振幅レベルを持つ信号を生成しており、高解像度の変換器や非常に線形なパワーアンプを必要とするため、効率面での利点が損なわれていました。新しい設計、すなわち全デジタル・エイリアシングフリーPWM送信機は、これらの先進的なパルスパターンのクリーンなスペクトル特性を維持しつつ、それらを単純な二値（2レベル）信号へと再成形します。こうした信号はFPGAトランシーバで直接生成でき、その後スイッチング型パワーアンプに供給できます。

構成要素の連携動作

送信機内部では、通常の直交（I/Q）ベースバンド信号がまずより直感的な振幅・位相表現に変換されます。振幅は多相の帯域制限パルスジェネレータを駆動し、複数の同期したパルスストリームを生成します。これらを組み合わせることで有限個の高調波のみを持つ滑らかで制御されたスペクトルが得られます。この多相構成は不要な高調波を有用信号から遠ざけ、その強度を低減します。続くブロックは、この多相波形の変化する振幅を、時間にわたって多数のパルス組合せを用いて厳密に配置された二値の無線周波数パルスに変換します。こうして中間的な電圧レベルに頼らずに異なる振幅と位相を表現できます。

理論から動作するハードウェアへ

チームは高速シリアルトランシーバを備えた市販のFPGAボード上に全方式を実装しました。すべてのパルスをリアルタイムで逐一計算する代わりに、帯域制限パルスと二値の無線周波数パルスの必要なパターンを事前に計算してオンチップメモリに格納しました。単純なデジタルロジックが各瞬時の望ましい振幅と位相を対応する格納パターンへマップし、それをマルチギガビットの速度で直列化して最終的な二値出力を形成します。実験では送信機は720 MHzでコンパクトなクラスDパワーアンプチップを駆動し、外部アンプなしで1.75 GHzでも直接動作しました。5G New RadioやLTEの実際的な波形で最大20 MHzの帯域幅を扱えています。

簡素なフィルタでよりクリーンな信号

測定結果は、新しい送信機が同じFPGA上に実装した従来のポーラーパルス幅変調設計よりも遥かにクリーンなスペクトルを生成することを示しています。5GおよびLTEの両信号で、隣接チャネルへの不要な放射は大幅に低く抑えられ、意図した信号と受信信号のコンスタレーション誤差は概ね1パーセント前後またはそれ以下に保たれています。重要なのは、最も強い不要高調波が従来設計よりも本信号からずっと離れた位置に現れるため、最終的なアナログフィルタをより単純で要求の少ないものにできる点です。低分解能D/Aや複数アンプに依存する他の先進的なパルスベース手法と比べ、このアーキテクチャは単一のスイッチングアンプかつDAC不要でより良好な信号品質を達成します。

将来の無線機器にとっての意味

専門外の読者にとっての主な結論は、著者らがほぼ完全にデジタル領域で動作しながらも非常にクリーンな4G/5G信号を送れる高効率な無線送信機の構築法を示したことです。エイリアシングや画像化を発生源で排除し、残留歪みを関心帯域から遠方へ押しやることで、アナログフィルタやパワーアンプの負担を軽減します。これにより将来の基地局、さらにはユーザ機器もより柔軟に、ソフトウェアで再構成しやすく、電力効率が高くなり、混雑する電波スペクトルで周辺チャネルとより共存しやすくなる可能性があります。

引用: 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

キーワード: ソフトウェア定義無線, デジタル送信機, 5G New Radio, パルス幅変調, パワーアンプ