Полностью цифровой ШИМ-передатчик без алиасинга с уменьшенными требованиями к фильтрации

Почему важны «чистые» радиосистемы

Каждый раз, когда вы смотрите потоковое видео или участвуете в видеозвонке, радиомодуль телефона вынужден пропихивать всё больше данных через и без того загруженные эфирные каналы. Чтобы делать это эффективно, современные беспроводные системы, такие как 4G и 5G, используют сложные сигналы, которые трудно передать без создания лишнего шума и помех. В этой работе предложен новый тип полностью цифрового передатчика, способного работать с такими требовательными сигналами, при этом использующего более простое и экономичное оборудование и требующего меньшей аналоговой фильтрации после генерации сигнала.

Проблема шумных цифровых радиостанций

Традиционные программно‑определяемые радиостанции преобразуют цифровые данные в радиоволны с помощью высокоточных цифро‑аналоговых преобразователей и тщательно спроектированных усилителей. Другой подход, популярный благодаря своей энергоэффективности, использует импульсы, ширина которых кодирует амплитуду сигнала, и отдельный путь для кодирования фазы. Такие импульсные передатчики полностью переключают усилитель мощности в положение «включено» или «выключено», что очень экономично по энергии. Однако из‑за большого числа гармоник в этих импульсах они естественно порождают дополнительные «призрачные» копии сигнала на других частотах. В цифровых реализациях это также приводит к алиасингу, когда нежелательные спектральные изображения складываются обратно в полосу интереса, ухудшая качество сигнала и создавая больше помех соседним каналам.

Новый путь: полностью цифровые импульсы без алиасинга

Авторы опираются на ранние работы, показавшие, как специально сформированные паттерны импульсов могут избежать проблем алиасинга и появления изображений. Однако те ранние схемы генерировали сигналы с множеством уровней амплитуды, что требовало высокоточных преобразователей и очень линейных усилителей мощности, сводя на нет часть преимуществ в эффективности. Новая конструкция, названная полностью цифровым ШИМ‑передатчиком без алиасинга, сохраняет чистое спектральное поведение продвинутых импульсных паттернов, но преобразует их в простой двухуровневый сигнал, который можно генерировать прямо трансивером на ПЛИС (FPGA) и затем подавать на переключаемый усилитель мощности.

Как работают взаимосвязанные блоки

Внутри передатчика привычные синфазные и квадратурные (I/Q) базовые сигналы сначала переводятся в более интуитивное описание амплитуды и фазы. Амплитуда управляет многопазовым, полосно‑ограниченным генератором импульсов, который формирует несколько синхронизированных потоков импульсов: их совместное влияние даёт плавный, контролируемый спектр с конечным числом гармоник. Такая многопазовая схема сдвигает нежелательные гармоники дальше от полезного сигнала и ослабляет их. Второй блок затем переводит изменяющуюся амплитуду этого многопазового сигнала в тщательно организованные двухуровневые радиочастотные импульсы, используя множество возможных комбинаций импульсов во времени для представления разных амплитуд и фаз без обращения к промежуточным уровнeям напряжения.

От теории к рабочему оборудованию

Команда реализовала всю схему на коммерческой плате с ПЛИС, оснащённой очень быстрыми последовательными трансиверами. Вместо того чтобы рассчитывать каждый импульс «с нуля» в реальном времени, они заранее вычислили необходимые паттерны как для полосно‑ограниченных импульсов, так и для двухуровневых радиочастотных импульсов и сохранили их в встроенной памяти. Простая цифровая логика отображает требуемую амплитуду и фазу в каждый момент на правильный сохранённый паттерн, который затем сериализуется на многогигабитной скорости, образуя итоговый двухуровневый выход. В испытаниях передатчик приводил в действие компактную микросхему класcа D на частоте 720 МГц и также работал напрямую на 1,75 ГГц без внешнего усилителя, воспроизводя реалистичные волновые формы 5G New Radio и LTE на полосах до 20 МГц.

Чище спектр при более простой фильтрации

Измерения показывают, что новый передатчик даёт существенно более чистый спектр по сравнению с традиционной полярной широтно‑импульсной модуляцией, реализованной на той же ПЛИС. Для сигналов 5G и LTE нежелательные излучения в соседних каналах значительно ниже, а ошибка между предполагаемой и принятой созвездной диаграммой остаётся порядка одного процента или ниже. Важно, что самая сильная нежелательная гармоника находится гораздо дальше от основного сигнала, чем в предыдущих реализациях, а это означает, что итоговый аналоговый фильтр может быть проще и менее требователен. По сравнению с другими продвинутыми импульсными подходами, опирающимися на низкоразрешающие цифро‑аналоговые преобразователи и несколько усилителей, эта архитектура достигает лучшего качества сигнала с одним переключающим усилителем и без DAC вообще.

Что это означает для будущего беспроводного оборудования

Для неспециалиста главный вывод таков: авторы показывают, как построить очень энергоэффективный радиопередатчик, который почти полностью живёт в цифровой области, при этом передавая очень чистые 4G и 5G сигналы. Устраняя алиасинг и появление изображений у источника и толкая оставшиеся искажения далеко от полосы интереса, разработка ослабляет требования к аналоговой фильтрации и усилителям мощности. Это может сделать будущие базовые станции и, возможно, даже пользовательские устройства более гибкими, проще перенастраиваемыми программно и более энергоэффективными, при этом обеспечивая более мирное сосуществование с соседними каналами в всё более загруженном радиочастотном спектре.

Цитирование: 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

Ключевые слова: радио с определяемым программно радиочастотным интерфейсом, цифровой передатчик, 5G New Radio, широтно-импульсная модуляция, усилитель мощности