Volledig digitale aliasing‑vrije PWM‑zender met verminderde filtervereisten

Waarom schonere radio’s ertoe doen

Elke keer dat u een video streamt of deelneemt aan een videogesprek, moet de radio van uw telefoon steeds meer informatie door druk bezette ether persen. Om dit efficiënt te doen, vertrouwen moderne draadloze systemen zoals 4G en 5G op complexe signalen die moeilijk te zenden zijn zonder ongewenste ruis en interferentie te veroorzaken. Dit artikel introduceert een nieuw type volledig digitale zender die deze veeleisende signalen aankan, terwijl hij eenvoudiger en efficiënter hardware gebruikt en minder analoge filtering nodig heeft nadat het signaal is gegenereerd.

De uitdaging van luidruchtige digitale radio’s

Traditionele software‑defined radios zetten digitale data om in radiogolven met behulp van hoogprecisie digitale‑naar‑analoogomzetters en zorgvuldig ontworpen versterkers. Een andere benadering, populair vanwege de efficiëntie, gebruikt pulsen waarvan de breedte de signaalsterkte encodeert en een afzonderlijk pad om de fase te coderen. Deze pulsgebaseerde zenders schakelen de vermogensversterker volledig aan of uit, wat zeer energiezuinig is. Omdat hun pulsen echter veel harmonische componenten bevatten, creëren ze van nature extra “spook”kopieën van het signaal op andere frequenties. In digitale implementaties leidt dit ook tot aliasing, waarbij ongewenste spectrale beelden terugvouwen in het gewenste bandgebied, de signaalkwaliteit aantasten en meer interferentie veroorzaken met aangrenzende kanalen.

Een nieuw pad: volledig digitaal, aliasing‑vrije pulsen

De auteurs bouwen voort op eerder werk dat aantoonde hoe speciaal gevormde pulspatronen deze aliasing‑ en imagingproblemen kunnen vermijden. Die eerdere schema’s produceerden echter signalen met veel amplitude‑niveaus, wat het gebruik van hoogresolutieomzetters en zeer lineaire vermogensversterkers vereiste en daarmee sommige efficiëntievoordelen tenietdeed. Het nieuwe ontwerp, genaamd een volledig digitale aliasing‑vrije PWM‑zender, behoudt het schone spectrale gedrag van die geavanceerde pulspatronen maar herschikt ze tot een eenvoudig twee‑niveausignaal dat rechtstreeks door een field‑programmable gate array (FPGA) transceiver kan worden gegenereerd en vervolgens naar een geschakelde vermogensversterker kan worden gevoed.

Hoe de bouwstenen samenwerken

In de zender worden de gebruikelijke in‑fase en quadratuur (I/Q) basisbandsignalen eerst omgezet in een meer intuïtieve amplitude‑en‑fase beschrijving. De amplitude stuurt een meerfasige, bandbegrensde pulsgenerator aan, die meerdere gesynchroniseerde pulsstromen produceert waarvan het gecombineerde effect een glad, gecontroleerd spectrum met slechts een beperkt aantal harmonischen is. Deze meerfasige opzet verschuift ongewenste harmonischen verder weg van het bruikbare signaal en vermindert hun sterkte. Een tweede blok vertaalt vervolgens de variërende amplitude van deze meerfasige golfvorm naar zorgvuldig gerangschikte twee‑niveauradiofrequentiepulsen, waarbij veel mogelijke pulskombinaties in de tijd worden gebruikt om verschillende amplitudes en fasen te representeren zonder tussenliggende spanningsniveaus te gebruiken.

Van theorie naar werkende hardware

Het team implementeerde het hele schema op een commerciële FPGA‑kaart die zeer snelle seriële transceivers bevat. In plaats van elke puls in realtime vanaf nul te berekenen, precomputeerden ze de benodigde pulspatronen voor zowel de bandbegrensde pulsen als de twee‑niveauradiofrequentiepulsen en sloegen die op in on‑chip geheugen. Eenvoudige digitale logica koppelt de gewenste amplitude en fase op elk moment aan het juiste opgeslagen patroon, dat vervolgens geserialiseerd wordt met multi‑gigabit snelheden om de uiteindelijke twee‑niveauoutput te vormen. In tests dreef de zender een compacte class‑D vermogensversterkerchip aan op 720 MHz en opereerde ook direct op 1,75 GHz zonder externe versterker, met realistische 5G New Radio‑ en LTE‑golfvormen over bandbreedtes tot 20 MHz.

Schonere signalen met eenvoudigere filtering

Metingen tonen aan dat de nieuwe zender significant schonere spectra produceert dan een conventioneel polair pulsbreedtemodulatieontwerp dat op dezelfde FPGA is geïmplementeerd. Voor zowel 5G‑ als LTE‑signalen zijn de ongewenste uitzendingen in aangrenzende kanalen veel lager en blijft de fout tussen het bedoelde en ontvangen signaalconstellatie rond of onder één procent. Belangrijk is dat de sterkste ongewenste harmonische veel verder van het hoofdsignaal verschijnt dan bij eerdere ontwerpen, wat betekent dat het uiteindelijke analoge filter eenvoudiger en minder veeleisend kan zijn. Vergeleken met andere geavanceerde pulsgebaseerde benaderingen die vertrouwen op laagresolutie D/A‑omzetters en meerdere versterkers, bereikt deze architectuur betere signaalkwaliteit met een enkele schakelende versterker en helemaal geen DAC.

Wat dit betekent voor toekomstige draadloze apparatuur

Voor een niet‑specialist is de belangrijkste conclusie dat de auteurs laten zien hoe je een zeer efficiënte radiozender bouwt die grotendeels in het digitale domein leeft en toch zeer schone 4G‑ en 5G‑signalen verzendt. Door aliasing en imaging bij de bron te elimineren en de resterende vervorming ver van het interesseband te duwen, versoepelt het ontwerp de eisen aan analoge filtering en vermogensversterkers. Dit kan toekomstige basisstations en mogelijk zelfs gebruikersapparaten flexibeler maken, gemakkelijker herconfigureerbaar via software en energiezuiniger, terwijl ze tegelijkertijd vreedzamer naast aangrenzende kanalen in een steeds drukker wordend radiospectrum kunnen bestaan.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: software‑defined radio, digitale zender, 5G New Radio, pulsbreedtemodulatie, vermogensversterker