Tümüyle sayısal, yansımasız (aliasing-free) PWM vericisi ile azaltılmış filtreleme gereksinimleri

Daha temiz radyolar neden önemli

Her video akışı yaptığınızda veya bir video görüşmesine katıldığınızda, telefonunuzun radyo birimi kalabalık hava dalgalarından giderek daha fazla bilgi sıkıştırmak zorunda kalır. Bunu verimli şekilde yapmak için 4G ve 5G gibi modern kablosuz sistemler, iletilmesi istenmeyen gürültü ve girişime yol açması kolay, karmaşık sinyallere dayanır. Bu makale, talepleri yüksek bu sinyalleri daha basit, daha verimli donanım kullanarak ve sinyal üretildikten sonra daha az analog filtreleme gerektirerek iletebilen yeni bir tür tamamen sayısal vericiyi tanıtıyor.

Gürültülü sayısal radyoların zorluğu

Geleneksel yazılım tanımlı radyolar, dijital veriyi yüksek hassasiyetli dijitalden-analoga çeviriciler ve özenle tasarlanmış amplifikatörler kullanarak radyo dalgalarına dönüştürür. Verimliliği nedeniyle popüler olan başka bir yaklaşım, sinyal gücünü darbe genişliği ile kodlayan ve fazı ayrı bir yolla kodlayan darbe tabanlı ileticilerdir. Bu darbe tabanlı vericiler güç amplifikatörünü tamamen açıp kapatarak çok enerji verimli çalışır. Ancak darbeler birçok harmonik bileşen içerdiğinden, doğal olarak sinyalin diğer frekanslarda “hayalet” kopyalarını oluştururlar. Sayısal uygulamalarda bu durum aliasing’e (yansıma) de yol açar; istenmeyen spektral görüntüler ilgilenilen banda katlanarak sinyal kalitesini bozar ve komşu kanallara daha fazla müdahale yapar.

Yeni bir yol: tümüyle sayısal, yansımasız darbeler

Yazarlar, özel şekillendirilmiş darbe desenlerinin bu aliasing ve görüntüleme sorunlarından kaçınabileceğini gösteren önceki çalışmalara dayanıyor. Ancak önceki şemalar birçok genlik seviyesine sahip sinyaller üretiyordu; bu da yüksek çözünürlüklü çeviriciler ve çok lineer güç amplifikatörleri kullanılmasını zorunlu kılarak verimlilik avantajlarını azaltıyordu. Tümüyle sayısal yansımasız PWM vericisi adı verilen yeni tasarım, bu gelişmiş darbe desenlerinin temiz spektrel davranışını koruyor, ancak bunları alan-programlanabilir mantık (FPGA) transceiver tarafından doğrudan üretilebilen ve anahtarlamalı mod güç amplifikatörüne beslenebilen basit iki seviyeli bir sinyale yeniden şekillendiriyor.

Bileşenler nasıl birlikte çalışıyor

Vericinin içinde, alışılmış aynı faz ve kare faz (I/Q) bazband sinyalleri önce daha sezgisel bir genlik ve faz açıklamasına dönüştürülür. Genlik çokfazlı, bant sınırlı bir darbe üreteciyi sürer; bu üreteç eşzamanlı birkaç darbe akımı üretir ve bunların birleşik etkisi yalnızca sonlu sayıda harmonik içeren pürüzsüz, kontrol edilmiş bir spektrum oluşturur. Bu çokfazlı düzen, istenmeyen harmonikleri faydalı sinyalden daha uzağa kaydırır ve bunların gücünü azaltır. İkinci bir blok ise bu çokfazlı dalga formunun değişen genliğini dikkatle düzenlenmiş iki seviyeli radyo frekansı darbelerine çevirir; farklı genlik ve fazları ara gerilim seviyelerine başvurmadan zaman içinde birçok olası darbe kombinasyonu kullanarak temsil eder.

Teoriden çalışan donanıma

Ekip tüm şemayı çok hızlı seri transceiver içeren ticari bir FPGA kartı üzerinde uyguladı. Her darbeyi gerçek zamanlı olarak sıfırdan hesaplamak yerine, bant sınırlı darbeler ve iki seviyeli radyo frekansı darbeleri için gerekli darbe desenlerini önceden hesapladılar ve bunları çip üzeri bellekte sakladılar. Basit dijital mantık, her an istenen genlik ve fazı doğru saklanmış desene eşleyip, ardından nihai iki seviyeli çıkışı oluşturmak için deseni çok gigabit hızlarda seri hale getirir. Testlerde verici, 720 MHz’de kompakt bir sınıf‑D güç amplifikatör çipini sürmüş ve ayrıca 1,75 GHz’de harici bir amplifikatör olmadan doğrudan çalışmış; gerçekçi 5G New Radio ve LTE dalga formlarını 20 MHz’ye kadar bant genişliklerinde iletmiştir.

Daha basit filtreleme ile daha temiz sinyaller

Ölçümler, yeni vericinin aynı FPGA üzerinde uygulanmış geleneksel bir polar darbe genişlik modülasyonu tasarımına göre anlamlı derecede daha temiz spektrumlar ürettiğini gösteriyor. Hem 5G hem de LTE sinyalleri için komşu kanallardaki istenmeyen yayılımlar çok daha düşük ve hedeflenen ile alınan sinyal arasındaki hata yaklaşık veya altında yüzde bir civarında kalıyor. Önemli olarak, en güçlü istenmeyen harmonik önceki tasarımlara göre ana sinyalden çok daha uzakta ortaya çıkıyor; bu da son analog filtrenin daha basit ve daha az zorlu olabileceği anlamına geliyor. Düşük çözünürlüklü dijital‑analog çeviriciler ve çoklu amplifikatörlere dayanan diğer gelişmiş darbe tabanlı yaklaşımlarla karşılaştırıldığında, bu mimari tek bir anahtarlamalı amplifikatör ve hiçbir DAC olmadan daha iyi sinyal kalitesi sağlıyor.

Geleceğin kablosuz donanımı için anlamı

Uzman olmayan bir okuyucu için temel çıkarım şudur: yazarlar neredeyse tamamen sayısal alanda yaşayan, ancak çok temiz 4G ve 5G sinyalleri gönderebilen son derece verimli bir radyo vericisi inşa etmenin yolunu gösteriyor. Kaynağında aliasing ve görüntülemeyi ortadan kaldırıp kalan bozulmaları ilgi bandından uzaklaştırarak tasarım, analog filtreleme ve güç amplifikatörleri üzerindeki yükü hafifletiyor. Bu, gelecekteki baz istasyonlarının ve muhtemelen kullanıcı cihazlarının daha esnek, yazılımla daha kolay yeniden yapılandırılabilir ve daha enerji verimli hale gelmesini sağlayabilir; ayrıca giderek kalabalıklaşan radyo spektrumunda komşu kanallarla daha uyumlu bir şekilde birlikte var olmaya yardımcı olabilir.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: yazılım tanımlı radyo, dijital verici, 5G New Radio, darbe genişlik modülasyonu, güç amplifikatörü