Całkowicie cyfrowy nadajnik PWM bez aliasingu z mniejszymi wymaganiami filtracji

Dlaczego czystsze radia mają znaczenie

Za każdym razem, gdy oglądasz wideo lub bierzesz udział w rozmowie wideo, radio w telefonie musi przepchnąć coraz więcej informacji przez zatłoczone pasma radiowe. Aby robić to efektywnie, współczesne systemy bezprzewodowe, takie jak 4G i 5G, opierają się na złożonych sygnałach, które trudno przesłać bez generowania niepożądanego szumu i zakłóceń. Niniejszy artykuł przedstawia nowy rodzaj całkowicie cyfrowego nadajnika, który potrafi obsłużyć te wymagające sygnały, używając prostszego, bardziej wydajnego sprzętu i wymagając mniej filtracji analogowej po wygenerowaniu sygnału.

Problem hałaśliwych odbiorników cyfrowych

Tradycyjne radia programowalne przekształcają dane cyfrowe w fale radiowe przy użyciu wysokoprecyzyjnych przetworników cyfrowo‑analogowych i starannie zaprojektowanych wzmacniaczy. Inne podejście, popularne ze względu na efektywność, wykorzystuje impulsy, których szerokość koduje natężenie sygnału, oraz oddzielną ścieżkę do kodowania fazy. Nadajniki oparte na impulsach włączają lub wyłączają wzmacniacz mocy w całości, co jest bardzo energooszczędne. Jednak ponieważ ich impulsy zawierają wiele składowych harmonicznych, naturalnie tworzą dodatkowe „duchowe” kopie sygnału na innych częstotliwościach. W implementacjach cyfrowych prowadzi to także do aliasingu, gdzie niepożądane obrazy spektralne składają się z powrotem do pasma zainteresowania, pogarszając jakość sygnału i powodując większe zakłócenia sąsiednich kanałów.

Nowa droga: całkowicie cyfrowe impulsy bez aliasingu

Autorzy rozwijają wcześniejsze prace, które wykazały, jak specjalnie ukształtowane wzorce impulsów mogą uniknąć problemów z aliasingiem i obrazowaniem. Wcześniejsze schematy dawały jednak sygnały z wieloma poziomami amplitudy, co wymuszało użycie wysokorozdzielczych przetworników i bardzo liniowych wzmacniaczy mocy, osłabiając część korzyści wydajnościowych. Nowa konstrukcja, nazwana całkowicie cyfrowym nadajnikiem PWM bez aliasingu, zachowuje czyste właściwości spektralne tych zaawansowanych wzorców impulsów, ale przekształca je w prosty sygnał dwupoziomowy, który można wygenerować bezpośrednio za pomocą transceivera FPGA i następnie zasilić przełączany wzmacniacz mocy.

Jak elementy składowe współpracują

W nadajniku sygnały bazowe in‑phase i quadrature (I/Q) najpierw konwertowane są na bardziej intuicyjny opis amplitudy i fazy. Amplituda steruje wielofazowym, ograniczonym pasmem generatoriem impulsów, który wytwarza kilka zsynchronizowanych strumieni impulsów, których łączny efekt to gładkie, kontrolowane spektrum zawierające tylko skończoną liczbę harmonicznych. To wielofazowe rozwiązanie przesuwa niepożądane harmoniczne dalej od użytecznego sygnału i zmniejsza ich moc. Kolejny blok tłumaczy zmieniającą się amplitudę tego wielofazowego przebiegu na starannie ułożone dwupoziomowe impulsy radiowe, wykorzystując wiele możliwych kombinacji impulsów w czasie do reprezentowania różnych amplitud i faz bez uciekania się do pośrednich poziomów napięcia.

Od teorii do działającego sprzętu

Zespół zaimplementował cały schemat na komercyjnej płytce FPGA, która zawiera bardzo szybkie transceivery szeregowe. Zamiast obliczać każdy impuls na bieżąco w czasie rzeczywistym, wstępnie obliczyli niezbędne wzorce impulsów zarówno dla impulsów ograniczonych pasmem, jak i dla dwupoziomowych impulsów radiowych, przechowując je w pamięci na układzie. Prosta logika cyfrowa mapuje żądaną amplitudę i fazę w danym momencie na poprawny zapisany wzorzec, który jest następnie serializowany z prędkościami wielogigabitowymi, tworząc końcowe wyjście dwupoziomowe. W testach nadajnik napędzał kompaktowy układ wzmacniacza klasy D na 720 MHz i działał bezpośrednio na 1,75 GHz bez zewnętrznego wzmacniacza, używając realistycznych fal 5G New Radio i LTE na szerokościach pasma do 20 MHz.

Czystsze sygnały przy prostszej filtracji

Pomiary wykazują, że nowy nadajnik generuje znacząco czyściejsze spektra niż konwencjonalna polarna implementacja modulacji szerokości impulsu wykonana na tym samym FPGA. Zarówno dla sygnałów 5G, jak i LTE, emisje niepożądane w kanałach sąsiednich są znacznie niższe, a błąd między zamierzoną a odebraną konstelacją sygnału utrzymuje się wokół lub poniżej jednego procenta. Co ważne, najsilniejsza niepożądana harmoniczna pojawia się znacznie dalej od głównego sygnału niż w wcześniejszych projektach, co oznacza, że końcowy filtr analogowy może być prostszy i mniej wymagający. W porównaniu z innymi zaawansowanymi podejściami opartymi na impulsach, które polegają na niskorozdzielczych przetwornikach cyfrowo‑analogowych i wielu wzmacniaczach, ta architektura osiąga lepszą jakość sygnału przy użyciu pojedynczego wzmacniacza przełączającego i bez żadnego DAC-a.

Co to oznacza dla przyszłego sprzętu bezprzewodowego

Dla czytelnika niebędącego specjalistą główny wniosek jest taki, że autorzy pokazują, jak zbudować wysoce wydajny nadajnik radiowy, który działa niemal całkowicie w domenie cyfrowej, a jednocześnie wysyła bardzo czyste sygnały 4G i 5G. Poprzez eliminację aliasingu i obrazowania u źródła oraz wypchnięcie pozostałych zniekształceń daleko od pasma zainteresowania, projekt zmniejsza obciążenie filtracji analogowej i wzmacniaczy mocy. Może to sprawić, że przyszłe stacje bazowe, a być może nawet urządzenia użytkowników, będą bardziej elastyczne, łatwiejsze do rekonfiguracji programowo i bardziej energooszczędne, jednocześnie lepiej współistniejąc z sąsiednimi kanałami w coraz bardziej zatłoczonym spektrum radiowym.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: radio programowalne programowo, cyfrowy nadajnik, 5G New Radio, modulacja szerokości impulsu, wzmacniacz mocy