図面 (/)

技術 無線受信回路

出願人 国立研究開発法人産業技術総合研究所
発明者 更田裕司松川貴大内真一
出願日 2016年8月8日 (4年4ヶ月経過) 出願番号 2016-155258
公開日 2018年2月15日 (2年10ヶ月経過) 公開番号 2018-026609
状態 拒絶査定
技術分野 超再生復調、位相比較、周波数比較
主要キーワード 最小信号強度 超低電圧 高受信感度 RC発振器 コルピッツ発振器 LC発振器 信号検知回路 信号感度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年2月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (11)

課題

超再生検波方式を用いた、比較的簡単な構成で、高感度及び低消費電力化が可能な無線受信回路を提供する。

解決手段

本発明の無線受信回路100は、クロック信号を生成するパルス生成回路2と、デジタル変調された無線信号VINを受信し、パルス生成回路2からのクロック信号CLKに応じて断続した発振信号VOを出力する超再生回路3と、超再生回路3からの発振信号VOを受けて、発振信号VOの包絡線検波して包絡線信号VEを生成するためのフィルタ回路4と、フィルタ回路4からの包絡線信号VEを所定の閾値VREFと比較して、クロック信号CLKに同期して復調したデジタル信号UTを生成する比較回路5と、を備える。

概要

背景

無線信号デジタル変調方式には、搬送波振幅の違いで“1”と“0”を表す振幅変調、搬送波の周波数の違いで“1”と“0”を表す周波数変調、搬送波の位相の違いで“1”と“0”を表す位相変調などがある。デジタル変調された無線信号は、その変調の形態に応じて、ETCキーレスエントリーRFIDタグ無線LANなどの近距離通信から携帯電話等の移動体通信衛星デジタル放送などの遠距離通信まで幅広く利用されている。このうち、振幅変調を用いた無線信号は、ETC、キーレスエントリー、RFIDタグ、無線LANなどの近距離通信に利用されている。

デジタル変調された無線信号からそのデジタル情報(信号)を検出するためには、デジタル変調された無線信号を受信し、復調したデジタル信号を出力する無線受信回路が必要となる。振幅偏移変調を用いた無線信号を受信し復調する無線受信回路として、超再生検波方式を用いた無線受信回路がある。非特許文献1は、CMOS集積回路を用いた超再生検波方式の無線受信回路を開示する。また、特許文献1は、コルピッツ発振器を用いた超再生検波方式の無線受信回路を開示する。

一方、各種電気デバイス低消費電力化、今後予想される太陽電池熱発電素子等の環境発電素子を備えるIoT向けの低消費電力デバイスの普及において、室内等で利用されるこれらのデバイスの近距離での無線通信のために低消費電力で高受信感度な無線受信回路が必要となっていく。非特許文献1や特許文献1に開示されるような従来の超再生検波方式の無線受信回路では、この低消費電力デバイス(IoTデバイス)向けの低消費電力で高受信感度な要求を満たすことができない恐れがある。

概要

超再生検波方式を用いた、比較的簡単な構成で、高感度及び低消費電力化が可能な無線受信回路を提供する。本発明の無線受信回路100は、クロック信号を生成するパルス生成回路2と、デジタル変調された無線信号VINを受信し、パルス生成回路2からのクロック信号CLKに応じて断続した発振信号VOを出力する超再生回路3と、超再生回路3からの発振信号VOを受けて、発振信号VOの包絡線検波して包絡線信号VEを生成するためのフィルタ回路4と、フィルタ回路4からの包絡線信号VEを所定の閾値VREFと比較して、クロック信号CLKに同期して復調したデジタル信号OUTを生成する比較回路5と、を備える。

目的

本発明の目的は、IoTデバイス等の低消費電力デバイスを対象とした比較的近距離でのデジタル変調方式を用いた無線通信のための無線受信回路を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

クロック信号を生成するパルス生成回路と、デジタル変調された無線信号を受信し、パルス生成回路からのクロック信号に応じて断続した発振信号を出力する超再生回路と、超再生回路からの発振信号を受けて、発振信号の包絡線検波して包絡線信号を生成するためのフィルタ回路と、フィルタ回路からの包絡線信号を所定の閾値と比較して、クロック信号に同期して復調したデジタル信号を生成する比較回路と、を備える無線受信回路

請求項2

前記超再生回路は、前記無線信号を受けて発振するコルピッツ発振器と、前記クロック信号に応じてコルピッツ発振器の発振を断続させるためのスイッチとを含む、請求項1に記載の無線受信回路。

請求項3

前記コルピッツ発振器は、前記クロック信号による前記スイッチの動作開始から前記クロック信号のパルス幅に対応した時間の経過時に発振する、請求項2に記載の無線受信回路。

請求項4

前記無線信号は振幅変調信号を含み、前記パルス生成回路は、前記クロック信号のパルス幅を前記振幅変調信号の振幅に応じて設定する、請求項3に記載の無線受信回路。

請求項5

前記パルス生成回路は、前記クロック信号の周期を前記無線信号の受信がない間長くする、あるいは前記クロック信号のパルス幅を前記無線信号の受信がある間短くする、のいずれか一方または双方をおこなう、請求項3または4に記載の無線受信回路。

技術分野

0001

本発明は、無線受信回路に関し、より具体的には、デジタル変調された無線信号を受信し、復調したデジタル信号を出力する無線受信回路に関する。

背景技術

0002

無線信号のデジタル変調方式には、搬送波振幅の違いで“1”と“0”を表す振幅変調、搬送波の周波数の違いで“1”と“0”を表す周波数変調、搬送波の位相の違いで“1”と“0”を表す位相変調などがある。デジタル変調された無線信号は、その変調の形態に応じて、ETCキーレスエントリーRFIDタグ無線LANなどの近距離通信から携帯電話等の移動体通信衛星デジタル放送などの遠距離通信まで幅広く利用されている。このうち、振幅変調を用いた無線信号は、ETC、キーレスエントリー、RFIDタグ、無線LANなどの近距離通信に利用されている。

0003

デジタル変調された無線信号からそのデジタル情報(信号)を検出するためには、デジタル変調された無線信号を受信し、復調したデジタル信号を出力する無線受信回路が必要となる。振幅偏移変調を用いた無線信号を受信し復調する無線受信回路として、超再生検波方式を用いた無線受信回路がある。非特許文献1は、CMOS集積回路を用いた超再生検波方式の無線受信回路を開示する。また、特許文献1は、コルピッツ発振器を用いた超再生検波方式の無線受信回路を開示する。

0004

一方、各種電気デバイス低消費電力化、今後予想される太陽電池熱発電素子等の環境発電素子を備えるIoT向けの低消費電力デバイスの普及において、室内等で利用されるこれらのデバイスの近距離での無線通信のために低消費電力で高受信感度な無線受信回路が必要となっていく。非特許文献1や特許文献1に開示されるような従来の超再生検波方式の無線受信回路では、この低消費電力デバイス(IoTデバイス)向けの低消費電力で高受信感度な要求を満たすことができない恐れがある。

0005

特開2008−211603号公報

先行技術

0006

J. Bohorquez, et al., “A 350 mW CMOS MSKTransmitter and 400 mW OOK Super-Regenerative Receiver for Medical Implant Communications,”IEEE J. Solid-StateCircuits, vol. 44, no. 4, pp. 1248-1259, Apr. 2009

発明が解決しようとする課題

0007

本発明の目的は、IoTデバイス等の低消費電力デバイスを対象とした比較的近距離でのデジタル変調方式を用いた無線通信のための無線受信回路を提供することである。

課題を解決するための手段

0008

本発明の無線受信回路は、クロック信号を生成するパルス生成回路と、デジタル変調された無線信号を受信し、パルス生成回路からのクロック信号に応じて断続した発振信号を出力する超再生回路と、超再生回路からの発振信号を受けて、発振信号の包絡線検波して包絡線信号を生成するためのフィルタ回路と、フィルタ回路からの包絡線信号を所定の閾値と比較して、クロック信号に同期して復調したデジタル信号を生成する比較回路と、を備える。

図面の簡単な説明

0009

本発明の一実施形態の無線受信回路の構成を示す図である。
本発明の一実施形態の超再生回路の構成を示す図である。
本発明の一実施形態の超再生回路の構成を示す図である。
本発明の一実施形態のパルス生成回路の構成を示す図である。
本発明の一実施形態のフィルタ回路の構成を示す図である。
本発明の一実施形態の比較回路の構成を示す図である。
本発明の一実施形態の超再生回路の動作を説明するための図である。
本発明の一実施形態の無線受信回路の動作のタイミングチャートを示す図である。
本発明の一実施形態の無線受信回路の構成及び動作を示す図である。
本発明の一実施形態の無線受信回路の構成及び動作を示す図である。

0010

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態の無線受信回路の構成を示す図である。図1の無線受信回路100は、クロック発振器1と、パルス生成回路2と、超再生回路3と、フィルタ回路4と、比較回路(同期式比較器)5を含む。図1の無線受信回路100では、アンテナを介して受信したデジタル変調された入力信号VIN(図1では振幅変調の一つであるOn-Off-Keying(OOK)変調された無線信号)を超再生回路3が検波し、パルス生成回路2からのクロック信号CLKに応じて断続した発振信号VOとして出力する。フィルタ回路4は、その断続した発振信号出力VOの包絡線を検波して包絡線信号VEとして出力する。同期式比較器5は、クロック信号CLKに同期してその包絡線信号VEを所定のしきい値電圧VREFと比較して、復調したデジタル信号OUTを出力する。図1の無線受信回路100の動作についてはさらに後述する。

0011

図2は、本発明の一実施形態の超再生回路3の構成を示す図である。超再生回路3は、コルピッツ発振器をCMOS回路(の一部)として構成している。具体的には、超再生回路3は、図2に示されるように、キャパシタC1、C2、インダクタL1、NMOSトランジスタM1、M2、及びPMOSトランジスタM3とから構成される。NMOSトランジスタM1のゲートにデジタル変調された入力信号VINが入力される。パルス生成回路2は、クロック用発振器1からの周期TCLKのクロック信号からパルス幅THのクロック信号CLKを生成して、NMOSトランジスタM2のゲートとPMOSトランジスタM3のゲートへ出力する。

0012

クロック信号CLKのパルス幅THは以下に示すように受信可能な最小信号強度(振幅)を決定する。図7は、本発明の一実施形態の超再生回路の動作を説明するための図である。図7(a)において、超再生回路3の出力信号(発振信号)VOは、クロック信号CLKの立ち上がり時刻から所定期間TSTART後から発振を開始する。この所定期間TSTARTは、(b)に示すように、入力信号VINの強度(振幅)に依存して変化する。言い換えれば、入力信号VINの強度(振幅)に対して一義的な(一対一の)関係を有する。したがって、クロック信号CLKのパルス幅THを選択することにより、受信可能な最小信号強度(振幅)を設定することができる。すなわち、パルス幅THに対応した最小信号強度(振幅)以上の強度(振幅)を持つ無線信号が入力した場合に、その無線信号を検波し復調することができる。

0013

図2の本発明の一実施形態の超再生回路3はまとめると以下の特徴を有する。
(i)従来のコルピッツ発振器は常時発振するだけであるのに対して、本発明の超再生回路3は受信機として使用する為、発振を断続する必要がある。そのためクロック用発振器1及びパルス生成回路2を利用する。
(ii)NMOSトランジスタM2をスイッチとして利用して発振の断続を可能にする。
(iii)PMOSトランジスタM3を追加して発振を急速に停止可能にする(通信高速化)。
(iv)増幅器なしで入力信号(無線信号)を受信するアンテナと発振器を分離するので不要な輻射が無い。
(v)入力信号がシングルエンド入力の簡素な発振器で非常に簡素な構造であり、低コスト低電力化を実現することが可能である。
(vi)クロック信号CLKのパルス幅THを選択することにより、受信可能な最小信号強度(振幅)を設定することができる。

0014

図3は、本発明の他の一実施形態の超再生回路の構成を示す図である。(a)は、適切なバイアス電圧VBを入力信号VINに与える回路32を追加した例である。回路32は、入力信号VINを受けるキャパシタC3とバイアス電圧VBに接続する抵抗Rを含む。入力信号VINのDCオフセット電圧をバイアス電圧VBに設定することができる。(b)は、クロック信号CLKを逆相反転)させた例である。入力信号VINを受けるトランジスタをPMOSトランジスタM1とし、さらにインバータ34、36を追加して、NMOSトランジスタM3のゲートとPMOSトランジスタM2のゲートに入力するクロック信号CLKを反転させている。

0015

図4は、本発明の一実施形態のパルス生成回路2の構成を示す図である。パルス生成回路2は、クロック用発振器1からのクロック信号を受けてパルス幅THの分だけ遅延させた遅延クロック信号を作る遅延回路22と、その出力を反転させて出力するインバータ24と、インバータ24からの反転した遅延クロック信号とクロック用発振器1からのクロック信号を受けてパルス幅THのクロック信号CLKを出力するANDゲート26を含む。なお、図示はしていないが、クロック用発振器1としては、従来からある水晶発振器RC発振器LC発振器、あるいはリング発振器などを用いることができる。

0016

図5は、本発明の一実施形態のフィルタ回路4の構成を示す図である。フィルタ回路4は、いわゆる包絡線検波回路として構成することができ、MOSダイオード42とキャパシタ44を含む。上述したように、フィルタ回路4は入力される超再生回路3の出力信号(発振信号)VOの包絡線を検波して包絡線信号VEを出力する。

0017

図6は、本発明の一実施形態の比較回路5の構成を示す図である。比較回路5は、いわゆる差動増幅器コンパレータ)として構成することができ、クロック信号CLKに同期して包絡線信号VEを所定のしきい値電圧VREFと比較して、VE>VREFの場合にデジタル信号OUT(High)を出力する。デジタル信号OUTは、無線受信回路に入力されたデジタル変調された無線信号VINを復調したデジタル情報に相当する。

0018

図8は、本発明の一実施形態の無線受信回路の動作のタイミングチャートを示す図である。デジタル変調された無線信号VINに対して、クロック信号CLKのパルス幅TH後に超再生回路3の出力信号(発振信号)VOが発信し、その発振信号VOの包絡線信号VEが検波され、包絡線信号VEが所定のしきい値電圧VREFよりも大きくなった時に、デジタル信号DATA(High)を出力する。デジタル信号DATAは、検波された包絡線信号VEに含まれるデジタル情報を復調している。

0019

本発明の一実施形態の無線受信回路100の消費電力PRXは、クロック信号CLKの周期TCLKとパルス幅THを用いて、

PRX ∝(TH−TSW)/TCLK

で与えられる関係がある。ただし、TSWは図2の超再生回路3のトランジスタM2とM3がスイッチングするのに要する時間に、フィルタ回路4での信号遅延時間を加えた時間である。したがって、無線信号を受信していない時にクロック信号CLKの周期TCLKを大きくし、また、可能な限りパルス幅THを小さくする(THを小さくすると信号感度が低下する)ことにより、消費電力の削減が可能となる。ただし、これを実現するには、これから無線信号を送るという情報(合図、プリアンブル)を無線受信回路100に知らせる必要がある。

0020

図9は、これから無線信号を送るというプリアンブルを検知して、無線信号を受信していない時はクロック信号CLKの周期TCLKを長くするための構成を追加した無線受信回路100の実施形態を示す。(a)において、信号検知回路60と、N分周器62、マルチプレクサ63が新たに追加されている。クロック用発振器61とパルス生成回路64は、図1のクロック用発振器1とパルス生成回路2と同じである。なお、図9(a)では、説明のために便宜上、クロック用発振器61とパルス生成回路64が無線受信回路100の外部にあるように示されているが、実際には、図1に例示されるように、無線受信回路100の一部として構成することができる。

0021

信号検知回路60は、(b)のタイミングチャートに示すように、無線受信回路100の出力であるデジタル信号からプリアンブルの有無を検知して、MODE信号(有り:1、無し:0)を出力する。N分周器62は、クロック用発振器61からのクロック信号の周期TCLKをN倍にした周期NTCLKをもつクロック信号を生成してマルチプレクサ63に入力する。マルチプレクサ63は、信号検知回路60からのMODE信号に応じて、N分周器62からの周期NTCLKのクロック信号またはクロック用発振器61からの周期TCLKのいずれかをパルス生成回路64へ出力する。パルス生成回路64は、(b)のタイミングチャートに示すように、MODE信号が0の場合は周期NTCLKでパルス幅THのクロック信号CLKを出力し、MODE信号が1の場合は周期TCLKでパルス幅THのクロック信号CLKを出力する。

0022

図10は、これから無線信号を送るというプリアンブルを検知して、無線信号を受信している間クロック信号CLKのパルス幅THを短くする(必要最小限にする)ための構成を追加した無線受信回路100の実施形態を示す。(a)において、信号検知回路60は、無線受信回路100の出力であるデジタル信号からプリアンブルの有無を検知して、クロック信号CLKのパルス幅THを長くするUP信号、または短くするDN信号のいずれかをパルス生成回路65へ出力する。パルス生成回路65は、図4に例示した遅延回路22を用いて、図10(b)のタイミングチャートに示すように、UP信号またはDN信号に応じて、クロック信号CLKのパルス幅THを長くまたは短くする。

0023

図2の本発明の一実施形態の超再生回路3を含む無線受信回路100を250nmのCMOSプロセスを用いてSiチップ上に試作した。試作した無線受信回路100のサイズは80×80μm2である。超音波(41kHz)発振をファンクションジェネレータを用いてデジタル変調(OOK変調)させて無線信号とし、通信距離6.3mでその無線信号の受信確認を行った。その結果、電源電圧0.3Vの超低電圧動作で無線信号の受信及び復調を行うことができた。これは、従来の同種の無線受信回路に比べて消費電力を約80%削減することができることを意味する。

実施例

0024

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

0025

本発明の無線受信回路は、IoT向けの低消費電力デバイス等において、デジタル変調方式の無線信号の受信回路として利用することができる。

0026

1、61:クロック用発振器
2、64、65:パルス生成回路
3:超再生回路
4:フィルタ回路
5:比較回路(同期式比較器)
22:遅延回路
24、34、36:インバータ
26:ANDゲート
32:バイアス電圧VBを入力信号VINに与える回路
42:MOSダイオード
44:キャパシタ
60:信号検知回路
62:N分周器
63:マルチプレクサ
100:無線受信回路

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ