JP2022061835A - 無線通信システムおよび受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な装置構成で複数種類の信号を伝送する。【解決手段】第１の装置に具備される送信カプラと第２の装置に具備される受信カプラとを近接配置することで生じる電界結合を用いて信号を伝送する無線通信システムにおいて、該第２の装置は、該受信カプラに接続される受信回路を有し、該受信回路は、該送信カプラと該受信カプラ間の結合容量をＣ、該信号の基本角周波数をωとした場合、１０／ωＣよりも大きい終端抵抗を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数種類の信号の伝送技術に関する。

複数のモジュールまたは複数の電子機器における通信インターフェース間の接続手段として、通常、ハーネスやケーブルが用いられる。ハーネスやケーブルが用いられている箇所を無線化することで、製品の組立性の向上や、製造工程の自動化が容易になるという利点がある。

特許文献１には、電界結合を用いて“１”および“０”のデジタル信号を非接触で伝送する無線通信システムが開示されている。特許文献1では、送信機／受信機各々に設けられる結合器（以後、カプラ）を対向させて近接配置することで生じる電界結合を用いて、無線通信を実現している。電界結合は、低域では結合度が弱く、広域では結合度が高いＨＰＦ（ハイパスフィルタ）に似た特性を有する。その為、特許文献１のように受信機側のカプラ直後にある回路の終端抵抗を５０Ωに設定した場合、受信機側のカプラに生じる波形は、特許文献１に記載されるような不完全微分波形となる。特許文献１では、この不完全微分波形をヒステリシス回路（閾値をもつコンパレータ回路）により“１”および“０”のデジタル信号に整形し、無線通信を行っている。

一方、通信規格の１つであるＵＳＢ（Universal Serial Bus）インターフェースは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を中心に広く普及しており、ＵＢＳインターフェースを搭載した様々なＵＳＢ対応機器が市販されている。通信速度の上昇に伴う電力消費を抑えるため、ＵＳＢ３．０の規格以降の規格では、通常のデータ信号とＬＦＰＳ（Low Frequency Periodic Signaling）信号とを用いて通信することが規定されている。通常のデータ信号は、５Ｇｂｐｓ以上の２値のデジタル信号であり、ＬＦＰＳ信号は、１０～５５ＭＨｚの“１”と“０”を周期的に繰り返す信号と電気的ｉｄｌｅ状態の３値信号となっている。特許文献１で開示された方法は、２値のデジタル信号伝送を想定しているため、３値であるＬＦＰＳ信号に該方法をそのまま適用して通信することは難しい。

このような問題に対処する技術として、通常のデータ信号とＬＦＰＳ信号の２種類の信号を無線にて伝送する伝送装置の技術が、特許文献２に記載されている。

特開２０１６－２９７８５号公報 特開２０１６－７２７９０号公報

特許文献２に開示されている伝送装置は、通常のデータ信号とＬＦＰＳ信号のそれぞれを検出するための２つの検出部と、当該２つの検出部による検出結果に基づいて出力信号の出力を制御する出力制御部を備える構成となっている。このように、特許文献２では、通常のデータ信号とＬＦＰＳ信号の２種類の信号を伝送するために、２つの検出部と出力制御部が必要であり、複雑な構成となっている。そのため、当該２種類の信号を伝送するために、回路規模が増大してしまうという課題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な装置構成で複数種類の信号を伝送することを目的とする

上記目的を達成するための一手段として、本発明の無線通信システムは以下の構成を有する。すなわち、第１の装置に具備される送信カプラと第２の装置に具備される受信カプラとを近接配置することで生じる電界結合を用いて信号を伝送する無線通信システムであって、前記第２の装置は、前記受信カプラに接続される受信回路を有し、前記受信回路は、前記送信カプラと前記受信カプラの間の結合容量をＣ、前記信号の基本角周波数をωとした場合、１０／ωＣよりも大きい終端抵抗を有する。

本発明によれば、簡易な装置構成で複数種類の信号を伝送することが可能となる。

無線通信システムの構成例を示す。 第１の受信回路（Ｈｉｇｈ－Ｚ差動増幅回路）の構成例を示す。 シミュレーション結果（１０ＭＨｚのＬＦＰＳ信号伝送時）を示す。 シミュレーション結果（５Ｇｂｐｓのデータ信号伝送時）を示す。 低域側の電圧振幅に対する補正機能を説明する図である。 無線通信システムの別の構成例を示す。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

［第１の実施形態］
（無線通信システムの構成）
図１（ａ）～（ｃ）に、本実施形態における無線通信システム１００の構成例を示す。無線通信システム１００は、第１の通信モジュール１１０と第２の通信モジュール１２０から構成される。

図１（ａ）に示す無線通信システム１００における第１の通信モジュール１１０は、送信カプラ１１１ａと１１１ｂ、送信回路１１２を有し、第２の通信モジュール１２０は、受信カプラ１２１ａと１２１ｂ、第１の受信回路（Ｈｉｇｈ－Ｚ差動受信回路）１２５、増幅回路（ＡＭＰ）１２６、第２の受信回路１２４を有する。なお、以下の説明において、送信カプラ１１１ａと１１１ｂを送信カプラ１１１と総称し、受信カプラ１２１ａと１２１ｂを受信カプラ１２１と総称する場合がある。

本実施形態では、差動信号を伝送する観点から、それぞれの通信モジュールは、２つの分離された導体により構成された２つのカプラを有する。カプラパターンは、例えば、リジット基板やフレキ基板等のパターンや、板金、ＭＩＤ（Molded Interconnect Device、 成形回路部品）工法等により形成する。第１の通信モジュール１１０の送信カプラ１１１と、第２の通信モジュール１２０の受信カプラ１２１は、近接して対向配置されることで、電磁界結合にて結合される。無線通信システム１００は、この電磁界結合を用いて、第１の通信モジュール１１０と第２の通信モジュール１２０の間での無線通信（信号の伝送）を実現する。

送信回路１１２は、トランシーバＩＣ（Integrated Circuit）１１４内に具備され、ＰＣ（Personal Computer）などのデバイスからＵＳＢケーブル等の伝送媒体を介して入力された信号をＵＳＢ３．０の規格を満足するように波形整形して出力する機能を有する。なお、トランシーバＩＣ １１４は、リドライバなどと呼ばれることもあり、ＵＳＢ３．０以降の規格で定められた範囲の波形の信号の送受信が可能であれば良く、特定の構成に限定されない。また、第２の受信回路１２４は、トランシーバＩＣ１２７内に具備され、無線にて伝送されたアナログ信号を受信し、カメラなどのデバイスへ基板やＵＳＢケーブル等の伝送媒体を介してＵＳＢ３．０の規格を満足するように波形整形してデジタル信号として出力する機能を有する。なお、トランシーバＩＣ １２７も、リドライバなどと呼ばれることもあり、トランシーバＩＣ １１４同様にＵＳＢ３．０以降の規格で定められた波形の信号の送受信が可能であれば良く、特定の構成に限定されない。

図１（ｂ）と図１（ｃ）は、図１（ａ）に示す無線通信システム１００の変形例を示す。図１（ｂ）は、増幅回路が第２の通信モジュール１２０ではなく、第１の通信モジュール１１０側に、増幅回路１１３として設けられた構成を示す。図１（ｃ）は、増幅回路が、第１の通信モジュール１１０と第２の通信モジュール１２０の双方に、増幅回路１１３と増幅回路１２６として設けられた構成を示す。増幅回路を設ける理由は、後述するように、低周波のＬＦＰＳ信号の電圧振幅を所定値以上に（規格で定められた電圧範囲に入るように）するためである。

（ＬＦＰＳ信号伝送の原理）
次に、図１に示す無線通信モジュールが３値のＬＦＰＳ（Low Frequency Periodic Signaling）信号が伝送可能な原理について、図１（ａ）に示す無線通信システム１００を想定して説明する。まず、ＬＦＰＳ信号について簡単に説明する。送信回路１１２で生成される信号は“１”および“０”に加え、（電気的ｉｄｌｅ状態を示す）“ｉｄｌｅ”の３値となる。ＵＳＢ３．０の規格では、Polling.LFPSおよびPing.LPSは、バースト状のクロック信号を出力している期間と、何も出力しない“ｉｄｌｅ”の期間（状態）を周期的に繰り返すことが定められている。

図２（ａ）に、図１（ａ）に示す無線通信システム１００における第１の受信回路１２５の構成を示す。ＬＦＰＳ信号の信号伝送の流れは以下の通りである。送信回路１１２で“１”と“０” のいずれかの信号が生成され、送信カプラ１１１まで伝送される。カプラ間の結合により受信カプラ１２１に伝送され、その後、第１の受信回路１２５に入力される。

この時、第１の受信回路１２５のインピーダンスが５０Ω系の場合、送信カプラ１１１と受信カプラ１２１との間の結合によって生じる容量成分のインピーダンスは、第１の受信回路１２５の入力インピーダンス１００Ω（５０Ω×２）と比べて、低域では小さくなり、高域では大きくなる。そのため、受信カプラ１２１の出力波形は高周波のみが通過した微分波形となってしまう。つまり、“０”または“１”は、“０＋ｉｄｌｅ”または“１＋ｉｄｌｅ”となってしまうため、正確な伝送が困難となる。

３値の信号を正確に伝送するために、特許文献２に記載された構成も考えられるが、前述したように、当該構成は回路規模が大きい。そこで、本実施形態では、ＬＦＰＳ信号と５Ｇｂｐｓのデータ信号を同一の回路で受信するために、第１の受信回路１２５の入力端子間に接続される終端抵抗Ｒｒｘを制御する。具体的には、送信カプラ１１１と受信カプラ１２１間の結合容量をＣとした場合に、Ｒｒｘを１０／ωＣ以上になるように設定する。ただし、ωは信号（伝送するベースバンド信号）の基本角周波数であり、２．５ＧＨｚで算出する。このように受信回路の入力インピーダンスを選定することで、回路規模の小型化、簡易化が実現可能となる。

（差動受信回路の構成）
図２に、本実施形態における第１の受信回路１２５の一例を示す。図２に示す第１の受信回路１２５は、差動増幅回路である。第１の受信回路１２５の２つの入力端子は、受信カプラ１２１ａと１２１ｂにそれぞれ接続され、その端子間に抵抗Ｒｒｘが接続されている。なお、第１の受信回路１２５の２つの入力端子には、不図示のバイアス回路よりＤＣ電位が供給される。さらに、第１の受信回路１２５の入力端子と受信カプラ１２１ａや１２１ｂの間に抵抗素子などが挿入されていても良い。差動増幅回路は、差動入力端子間の電位差に応じてコレクタ側に接続された負荷抵抗に電流が流れ出力電圧が生じる。そのため、第１の受信回路１２５は反転増幅回路となるため、反転端子と非反転端子の出力を入れ替える必要があるが、ｉｄｌｅ時は差動ペア間の電位差が無いため、３値の伝送が可能となる。

図３に、本実施形態におけるシミュレーション結果を示す。具体的には、図３は、カプラ間の結合容量が０．２２ｐＦで、送信カプラ１１１ａと１１１ｂ間の結合容量が０．３５ｐＦ、受信カプラ１２１ａと１２１ｂ間の結合容量も０．３５ｐＦの時の、１０ＭＨｚのＬＦＰＳ信号伝送時の各測定点の波形を示す。図３（ａ）は、送信カプラ１１１に入力される電圧信号Ｖｉを、図３（ｂ）は、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１００ｋΩの時の出力電圧信号Ｖｏを示す。また、図３（ｃ）は、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１ＭΩの時の出力電圧信号Ｖｏの波形を示す。図３（ｂ）と図３（ｃ）の電圧信号の波形を比較することにより、１０ＭＨｚのＬＦＰＳ信号に対して、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが十分高ければ、３値の伝送が可能であることが分かる。

なお、第１の受信回路１２５の例として図２に示すような差動増幅回路を示したが、特に差動増幅回路に限定されるものではなく、例えば、エミッタフォロワ回路と呼ばれるコレクタ接地回路などを使用することもできる。

また、５Ｇｂｐｓのデータ信号の伝送の流れは、ＬＦＰＳ信号と同様である。図４に、５Ｇｂｐｓデータ信号伝送時のアイパターンのシミュレーション結果を示す。図４（ａ）は、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１０ｋΩの時のアイパターンを示し、図４（ｂ）は、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１ＭΩの時のアイパターンを示す。図４より、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１０ｋΩの時は、１ＭΩの時に比べて波形の劣化はあるものの、１０ｋΩ程度でも十分なアイ開口が得られることが分かる。

このように、図３と図４のシミュレーション結果から、本実施形態の構成を用いることにより、５Ｇｂｐｓのデジタル信号と１０～５０ＭＨｚの３値のＬＦＰＳ信号の２種類の信号を無線にて伝送可能なことが分かる。

なお、図３の例では、カプラ間の結合容量を０．２２ｐＦとしたが、カプラの実装面積やカプラ間距離をあける必要がある場合は、信号振幅が小さくなってしまう。ＵＳＢ３．０の規格では、ＬＦＰＳ信号の電圧振幅は３００ｍＶｐｐ以上にする必要があるため、出力信号を増幅する必要がある。そこで、図１（ａ）～（ｃ）の無線通信システム１００に示したように、受信（図１（ａ））、送信（図１（ｂ））、または送受とも（図１（ｃ））に増幅回路を設けることにより、当該規格を満足するレベルまで電圧振幅を増幅することができる。

第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが、１０～５０ＭＨｚの周波数でカプラ間の結合容量によるインピーダンスに対して十分高くできない場合は、出力されるＬＦＰＳ信号の電圧振幅は、図３（ｂ）に示したような波形となる。１０～５０ＭＨｚに対して３００ｍＶｐｐ以上を維持するためには、図１（ａ）に示す無線通信システム１００を例にすると、前述のように、増幅回路１２６で信号振幅を増幅することも好適である。しかしながら、第１の受信回路１２５の後に接続される増幅回路１２６やトランシーバＩＣ １２７の入力端子の電圧トレランスが低い場合には、第１の受信回路１２５の出力に保護ダイオード（保護回路）を設けてもよい。図２（ｂ）に、第１の受信回路１２５の出力に保護ダイオードを設けた例を示す。このように、保護ダイオードを設けたり、図２（ａ）の電流源の設定電流を出力が３００ｍＶｐｐの２０％以上出力できないように設定したりすること等により、スパイク量（スパイク電圧）を緩和することができる。

［第１の変形例］
前述のように、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１００ｋΩと１ＭΩの時で、出力電圧の波形が異なることが分かった。また、図４により、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１０ｋΩ（図４（ａ））の時と１ＭΩ（図４（ｂ））の時とを比べ、波形の劣化はあるものの、１０ｋΩ程度でも十分なアイ開口が得られることが分かった。

このように、ＬＦＰＳ信号伝送時と５Ｇｂｐｓデータ信号伝送時では、第１の受信回路１２５に要求される入力インピーダンスに乖離がある。つまり、第１の受信回路１２５は、１０～５０ＭＨｚのＬＦＰＳ信号に対しては、１ＭΩ程度のインピーダンスで受信し、５Ｇｂｐｓデータ信号の伝送に必要な２００～５ＧＨｚの帯域では１０ｋΩ程度のインピーダンスで受信できれば良い。理由は、カプラ間の容量結合は、ハイパスフィルタのような振る舞いをするため、低周波成分は通過しにくいため、より高いインピーダンスで受信しなければならないが、高周波成分は通過しやすいため比較的低いインピーダンスでも良いためである。

このことを考慮して、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスに周波数特性を持たせるように構成してもよい。一般的に、ＦＲ４基板上で５ＧＨｚまでの周波数に対して、一様に１ＭΩ程度のインピーダンスを確保するのは困難である。しかしながら、１０～５０ＭＨｚ程度の低い周波数に対して１ＭΩ程度のインピーダンスを実現することは可能である。このように、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスを、受信カプラ１２１により受信された信号の周波数に応じて変化させることは、１０～５０ＭＨｚのＬＦＰＳ信号と５Ｇｂｐｓのデータ信号を同一のカプラと回路で実現する手段には好適であり、構造を簡易化することができる。

［第２の変形例］
第１の変形例のように第１の受信回路１２５の入力インピーダンスを周波数に応じて変化させる代わりに、低域側の電圧振幅を上げる補正を行うことにより、同様の効果を得ることができる。当該補正は、送信側の増幅回路１１３、受信側の増幅回路１２６など各回路手段によって実現できる。

補正機能について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、カプラ間の結合容量が０．２２ｐＦ、送信カプラ１１１ａと１１１ｂ間の結合容量および受信カプラ１２１ａと１２１ｂ間の結合容量が０．３５ｐＦ、第１の受信回路１２５の入力インピーダンスが１０ｋΩの時の、送信回路１１２から第１の受信回路１２５までの伝達特性の周波数特性を示している。図５（ａ）において、１００ＭＨｚ以上の周波数帯域は、ほぼフラットで伝達可能であることが分かる。しかしながら、１００ＭＨｚ未満の周波数では、ほぼ線形に利得が低下している。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す利得低域に対する補正の周波数特性を示し、約２ＭＨｚ～１００ＭＨｚの周波数帯域の信号を増幅するような特性になっている。このような特性を有する補正回路（増幅回路１２６等）を受信側に設けることによって、受信された信号のうち１０～５０ＭＨｚの低周波側のＬＦＰＳ信号が精度よく識別される。すなわち、１０～５０ＭＨｚの低周波なＬＦＰＳ信号を、ＦＲ４基板で実現可能な範囲の第１の受信回路１２５のインピーダンス設定時にも、確実に伝送することが可能になる。

なお、このような低域補正機能は、送信側に設けられていても良く（すなわち、増幅回路１１３等による、伝送する信号のうち低周波側の信号に対する補正）、その場合、ノイズ耐性性が向上するといったメリットがある。

［第３の変形例］
図６に、第３の変形例における無線通信システム６００の構成例を示す。無線通信システム６００では、簡易な構成でＵＳＢ３．０の無線化を実現することができる。デバイス側がバッテリーなどを搭載しておらず電源の供給を必要とする場合、ホスト側からＶＢＵＳ等の電源を非接触にて給電することもできる。その場合には、非接触電力伝送からの電磁干渉を受ける可能性があるため、非接触電力伝送の搬送波周波数に対するフィルタ、例えばハイパスフィルタ（ＨＰＦ）やバンドストップフィルタ（ＢＳＦ）などにより干渉を回避することでより信頼性の高い無線通信システムをすることもできる。また、ＵＳＢ２．０用の無線モジュールと供に使用することで下位互換性を確保することもできる。

［その他の実施形態］
上記の実施形態における無線通信システムでは、差動のベースバンド信号を伝送する無線通信システムとして記載したが、これに限定されるものではなく、シングル信号を伝送する無線通信システムであっても構わない。

また、上記の実施形態における無線通信システムは、ＵＳＢ３．０以降の規格への適応を想定したシステムであるが、ＵＳＢのみならず、３値の信号を用いるシステムに上記の無線通信システムを適用可能である。例えば、Ｓｅｒｉａｌ ＡＴＡ（ＳＡＴＡ）信号を用いるシステムに、上記の無線通信システムを適用することができる。

また、上記の無線通信システムは、パソコンと電子機器を接続するＵＳＢケーブルを無線化することができ、例えばパソコンとカメラ間やパソコンとプリンタ間のＵＳＢ通信に適用することができる。

このように、上記の実施形態によれば、簡易な構成で小型な製品や小規模な生産設備にも実装可能なサイズで、複数種類の信号を伝送可能な無線通信システムを提供することが可能となる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００ 無線通信システム、１１０ 第１の通信モジュール、１２０ 第２の通信モジュール、１１１ 送信カプラ、１２１ 受信カプラ、１１２ 送信回路、１２４ 第２の受信回路、１２５第１の受信回路（Ｈｉｇｈ－Ｚ差動受信回路）

Claims (11)

1. 第１の装置に具備される送信カプラと第２の装置に具備される受信カプラとを近接配置することで生じる電界結合を用いて信号を伝送する無線通信システムであって、
   前記第２の装置は、前記受信カプラに接続される受信回路を有し、
   前記受信回路は、前記送信カプラと前記受信カプラの間の結合容量をＣ、前記信号の基本角周波数をωとした場合、１０／ωＣよりも大きい終端抵抗を有する
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記第２の装置は、前記受信回路に接続されるリドライバを有し、
   前記リドライバは、前記受信回路から出力される信号を波形整形して前記第２の装置から出力することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記第２の装置は、前記受信回路に接続される増幅回路と、前記増幅回路に接続されるリドライバを有し、
   前記増幅回路は、前記受信回路から出力される信号の電圧振幅を増幅し、前記リドライバは、前記電圧振幅が増幅された信号を波形整形して前記第２の装置から出力することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 前記増幅回路は、前記受信回路から出力された信号の周波数のうち低周波側の信号の電圧振幅を増幅することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
5. 前記受信回路は、出力する信号のスパイク電圧を緩和するように更に構成されることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の無線通信システム。
6. 前記受信回路は、前記受信回路の入力インピーダンスが、前記受信カプラにより受信された信号の周波数に応じて変化するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
7. 前記第１の装置は、前記送信カプラに接続される送信側の増幅回路を有し、前記送信側の増幅回路は、伝送する信号の周波数のうち低周波側の信号の電圧振幅を増幅することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
8. 前記受信回路は差動増幅回路であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の無線通信システム。
9. 前記第１の装置および前記第２の装置は、ＵＳＢ３．０以降の規格で規定された信号を送受信することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の無線通信システム。
10. 前記第１の装置および前記第２の装置は、Ｓｅｒｉａｌ ＡＴＡの規格で規定された信号を送受信することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の無線通信システム。
11. 受信装置であって、
    送信装置に具備される送信カプラと近接配置することで生じる電界結合を用いて信号を受信する受信カプラと、
    前記受信カプラに接続される受信回路を有し、
    前記受信回路は、前記送信カプラと前記受信カプラの間の結合容量をＣ、前記信号の基本角周波数をωとした場合、１０／ωＣよりも大きい終端抵抗を有する
    ことを特徴とする受信装置。

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