Transmissor PWM totalmente digital sem aliasing com requisitos reduzidos de filtragem

Por que rádios mais limpos importam

Cada vez que você transmite um vídeo ou participa de uma chamada por vídeo, o rádio do seu telefone precisa espremer cada vez mais informação por ondas de rádio já congestionadas. Para fazer isso de forma eficiente, sistemas sem fio modernos como 4G e 5G dependem de sinais complexos que são difíceis de transmitir sem gerar ruído e interferência indesejados. Este artigo apresenta um novo tipo de transmissor totalmente digital capaz de lidar com esses sinais exigentes, usando hardware mais simples e eficiente e exigindo menos filtragem analógica após a geração do sinal.

O desafio dos rádios digitais ruidosos

Rádios definidos por software tradicionais transformam dados digitais em ondas de rádio usando conversores digital-para-analógico de alta precisão e amplificadores cuidadosamente projetados. Outra abordagem, popular por sua eficiência, usa pulsos cuja largura codifica a amplitude do sinal, e um caminho separado para codificar a fase. Esses transmissores baseados em pulso comutam o amplificador de potência totalmente ligado ou desligado, o que é muito eficiente energeticamente. No entanto, como seus pulsos contêm muitos componentes harmônicos, eles naturalmente geram “cópias” extras do sinal em outras frequências. Em implementações digitais, isso também leva ao aliasing, onde imagens espectrais indesejadas se dobram de volta para a banda de interesse, degradando a qualidade do sinal e causando mais interferência a canais vizinhos.

Um novo caminho: pulsos totalmente digitais sem aliasing

Os autores partem de trabalhos anteriores que mostraram como padrões de pulso especialmente moldados podem evitar esses problemas de aliasing e formação de imagens. Esses esquemas anteriores, porém, produziam sinais com muitos níveis de amplitude, o que forçava o uso de conversores de alta resolução e amplificadores de potência muito lineares, comprometendo alguns benefícios de eficiência. O novo projeto, chamado transmissor PWM totalmente digital sem aliasing, mantém o comportamento espectral limpo desses padrões avançados de pulso, mas os remodela em um sinal simples de dois níveis que pode ser gerado diretamente por um transceptor FPGA (field-programmable gate array) e então alimentado a um amplificador de potência em modo comutado.

Como os blocos construtivos funcionam em conjunto

Dentro do transmissor, os sinais usuais de banda base em fase e quadratura (I/Q) são primeiro convertidos para uma descrição mais intuitiva de amplitude e fase. A amplitude aciona um gerador de pulso com múltiplas fases e limitado em banda, que produz várias correntes de pulso sincronizadas cujo efeito combinado é um espectro suave e controlado com apenas um número finito de harmônicos. Esse arranjo em múltiplas fases desloca harmônicos indesejados para mais longe do sinal útil e reduz sua intensidade. Um segundo bloco então traduz a amplitude variável dessa forma de onda multifásica em pulsos de radiofrequência cuidadosamente organizados de dois níveis, usando muitas combinações possíveis de pulso no tempo para representar diferentes amplitudes e fases sem recorrer a níveis de tensão intermediários.

Da teoria ao hardware funcional

A equipe implementou todo o esquema em uma placa FPGA comercial que inclui transceptores seriais muito rápidos. Em vez de calcular cada pulso do zero em tempo real, eles pré-calcularam os padrões de pulso necessários tanto para os pulsos limitados em banda quanto para os pulsos de radiofrequência de dois níveis, armazenando-os na memória on-chip. Lógica digital simples mapeia a amplitude e a fase desejadas em cada instante para o padrão armazenado correto, que é então serializado a taxas multi-gigabit para formar a saída final de dois níveis. Em testes, o transmissor alimentou um chip amplificador de potência compacto classe D a 720 MHz e também operou diretamente em 1,75 GHz sem amplificador externo, usando formas de onda realistas de 5G New Radio e LTE em larguras de banda de até 20 MHz.

Sinais mais limpos com filtragem mais simples

Medições mostram que o novo transmissor produz espectros significativamente mais limpos do que um projeto convencional de modulação polar por largura de pulso implementado no mesmo FPGA. Para sinais 5G e LTE, as emissões indesejadas em canais adjacentes são muito menores, e o erro entre a constelação pretendida e a recebida permanece em torno de ou abaixo de um por cento. Importante: o harmônico indesejado mais forte aparece muito mais afastado do sinal principal do que em designs anteriores, o que significa que o filtro analógico final pode ser mais simples e menos exigente. Em comparação com outras abordagens avançadas baseadas em pulso que dependem de conversores digital-para-analógico de baixa resolução e múltiplos amplificadores, esta arquitetura alcança melhor qualidade de sinal com um único amplificador chaveado e sem DAC algum.

O que isso significa para equipamentos sem fio futuros

Para o não-especialista, a conclusão principal é que os autores mostram como construir um transmissor de rádio altamente eficiente que vive quase inteiramente no domínio digital, enquanto ainda transmite sinais 4G e 5G muito limpos. Ao eliminar aliasing e formação de imagens na origem e empurrar as distorções remanescentes para longe da banda de interesse, o projeto alivia a carga sobre filtragem analógica e amplificadores de potência. Isso pode tornar futuras estações base e possivelmente até dispositivos de usuário mais flexíveis, mais fáceis de reconfigurar por software e mais eficientes em energia, tudo isso coexistindo de forma mais pacífica com canais vizinhos em um espectro de rádio cada vez mais congestionado.

Citação: 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

Palavras-chave: rádio definido por software, transmissor digital, 5G New Radio, modulação por largura de pulso, amplificador de potência