Hel‑digital alias‑fri PWM‑sändare med minskade filtreringskrav

Varför renare radiosignaler är viktiga

Varje gång du strömmar en video eller deltar i ett videosamtal måste din telefons radio klämma igenom allt mer information genom redan trånga frekvensband. För att göra detta effektivt förlitar sig moderna trådlösa system som 4G och 5G på komplexa signaler som är svåra att sända utan att skapa oönskat brus och störningar. Denna artikel introducerar en ny typ av helt digital sändare som kan hantera dessa krävande signaler samtidigt som den använder enklare, mer effektiva hårdvarulösningar och kräver mindre analog filtrering efter att signalen har genererats.

Utmaningen med brusiga digitala radioapparater

Traditionella programvarudefinierade radioapparater omvandlar digital data till radiovågor med högprecisions digital‑till‑analog‑omvandlare och noggrant konstruerade förstärkare. En annan metod, populär för sin effektivitet, använder pulser vars bredd kodar signalens amplitud, och en separat bana för att koda dess fas. Dessa pulsburna sändare växlar slutsteget helt på eller av, vilket är mycket energieffektivt. Eftersom deras pulser innehåller många harmoniska komponenter skapar de dock naturligt extra ”spökkopior” av signalen på andra frekvenser. I digitala implementationer leder detta också till aliasing, där oönskade spektralbilder viks tillbaka in i intressetbandet, vilket försämrar signalens kvalitet och orsakar mer störning mot intilliggande kanaler.

En ny väg: helt digitala, alias‑fria pulser

Författarna bygger vidare på tidigare arbete som visade hur särskilt formade pulsmönster kan undvika dessa alias‑ och bildningsproblem. Dessa tidigare scheman producerade dock signaler med många amplitudnivåer, vilket tvingade fram användning av högupplösta omvandlare och mycket linjära slutsteg, och därigenom undergrävde vissa av effektivitetsfördelarna. Den nya konstruktionen, kallad en hel‑digital alias‑fri PWM‑sändare, bibehåller det rena spektralbeteendet hos dessa avancerade pulsmönster men omformar dem till en enkel tvånivåsignal som kan genereras direkt av en fältprogrammerbar grindmatris (FPGA) med transceiver och sedan matas till ett switchat slutsteg.

Hur byggstenarna samverkar

Inne i sändaren omvandlas de vanliga in‑fase och kvadratur (I/Q) basbandssignalerna först till en mer intuitiv amplitud‑ och fasbeskrivning. Amplituden styr en flerfasig, bandbegränsad pulsgenerator som producerar flera synkroniserade pulströmmar vars samlade effekt blir ett mjukt, kontrollerat spektrum med endast ett ändligt antal harmoniska. Denna flerfasarrangemang skjuter oönskade harmoniska längre bort från den användbara signalen och minskar deras styrka. Ett andra block översätter sedan den varierande amplituden hos denna flerfasvågform till noggrant arrangerade tvånivå radiofrekvenspulser, genom att använda många möjliga pulskombinationer i tiden för att representera olika amplituder och faser utan att använda mellanliggande spänningsnivåer.

Från teori till fungerande hårdvara

Teamet implementerade hela schemat på ett kommersiellt FPGA‑kort som inkluderar mycket snabba serietransceivers. Istället för att beräkna varje puls från grunden i realtid förberäknade de nödvändiga pulsmönstren för både de bandbegränsade pulserna och de tvånivå radiofrekvenspulserna och lagrade dem i minne på chipet. Enkel digital logik mappade den önskade amplituden och fasen vid varje ögonblick till rätt lagrade mönster, som sedan serialiserades i flera gigabit per sekund för att bilda den slutliga tvånivåutgången. I tester drev sändaren ett kompakt klass‑D slutstegschip vid 720 MHz och fungerade även direkt vid 1,75 GHz utan extern förstärkare, med realistiska 5G New Radio‑ och LTE‑våformsignaler över bandbredder upp till 20 MHz.

Renare signaler med enklare filtrering

Mätningar visar att den nya sändaren producerar avsevärt renare spektra än en konventionell polar pulslängdsmodulationsdesign implementerad på samma FPGA. För både 5G och LTE‑signaler är de oönskade utsläppen i angränsande kanaler mycket lägre, och felet mellan den avsedda och mottagna signalkonstellationen ligger kvar runt eller under en procent. Viktigt är att den starkaste oönskade harmoniska framträder mycket längre bort från huvudsignalen än i tidigare konstruktioner, vilket innebär att det slutliga analoga filtret kan vara enklare och mindre krävande. Jämfört med andra avancerade pulsburna metoder som förlitar sig på lågupplösta digital‑till‑analog‑omvandlare och flera förstärkare uppnår denna arkitektur bättre signalkvalitet med ett enda switchande slutsteg och utan någon DAC alls.

Vad detta betyder för framtida trådlös utrustning

För en icke‑specialist är huvudpoängen att författarna visar hur man bygger en mycket effektiv radiosändare som lever nästan helt i den digitala domänen samtidigt som den fortfarande sänder mycket rena 4G‑ och 5G‑signaler. Genom att eliminera aliasing och bildning vid källan och förflytta kvarvarande distorsion långt från intressetbandet, lättar konstruktionen bördan på analog filtrering och slutsteg. Detta kan göra framtida basstationer och möjligen även användarenheter mer flexibla, enklare att omkonfigurera med programvara och mer energieffektiva — samtidigt som de samexisterar mer friktionsfritt med intilliggande kanaler i ett alltmer trångt radiospektrum.

Citering: 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

Nyckelord: programvarudefinierad radio, digital sändare, 5G New Radio, pulslängdsmodulering, slutsteg