JP6164101B2 - 復調器、受信機およびインパルス無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、復調器、受信機およびインパルス無線通信システムに関する。

インターネット利用者の爆発的増大と高精細画像などコンテンツの大容量化・多様化にともない、無線通信においても伝送容量の増大が望まれている。大容量無線通信方式としては、商用無線局が少なく、広い周波数帯域を確保しやすいミリ波帯の利用が適している。ＡＳＫ(Amplitude Shift Keying)方式またはインパルス方式による無線通信は、ＲＦパルスを伝送媒体とする無線伝送であり、広帯域無線通信システムへの適用が期待されている。以下、ＡＳＫ方式の中でもパルスの有無によりデータを表すＯＯＫ(On-Off Keying)、または以下に示すインパルス方式を例として説明する。もちろん、一般的なＡＳＫ方式でも適用可能である。

インパルス方式による無線送信機は、低周波パルス信号から逓倍により高周波パルス信号を得るため、バンドパスフィルタの比帯域が従来方式と比較して大きくなる上、局部発振器やミキサが不要で、低周波バンドパスフィルタを使用できる。そのため、搬送波方式による狭帯域送信機と比較して、無線部の構成が簡素・低コストとなる。このことから、毎秒１０ギガビット（１０Ｇｂｐｓ）を超える大容量無線通信の実現手段として期待されている。

インパルス方式による無線通信では、データの１、０に対応してミリ波パルスを送信するＯＮ／ＯＦＦ変調、包絡線検波を行なう。毎秒伝送可能なデータ量（伝送速度）は、バンドパスフィルタの通過周波数帯域幅で決まる。法令により無線通信用途として数〜数十ギガヘルツ（ＧＨｚ）と広い周波数帯域幅がいくつか割り当てられているミリ波帯（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）を用いて、毎秒数十ギガビット（Ｇｂｐｓ）の大容量通信を簡易なシステムで実現するのに適している。

受信機の包絡線検波型復調器は、受信アンテナからの受信信号を増幅する低雑音アンプ、検波器、ポストアンプで構成されている。通常、検波器が信号対雑音比を確保するように動作するためには、低雑音アンプで受信信号を十分増幅しておく必要がある。そのため、低雑音アンプには、高利得の他、場合によっては高出力性能が求められる。しかしながら、１００ＧＨｚ位の高周波になると、高利得、高出力の低雑音アンプを実現するには、増幅器ブロックを何段も接続して使用することになり、消費電力、サイズなどの点が課題となっていた。さらに、検波器自体の課題としては、検波器ダイオードの寄生容量のために周波数が高いほど検波感度が下がるという課題がある。

特開２０１３−０５５６１３号公報 特開２００１−１１１３４０号公報 特開昭６３−１０７３１１号公報

"10-Gbit/s MMIC Wireless Link Exceeding 800 Meters" R. Yamaguchi, A. Hirata, T. Kosugi, H. Takahashi, N. Kukutsu, T. Nagatsuma, IEEE Radio and Wireless Symposium 2008 Digest, pp. 695-698 "W-band Transmitter and Receiver for 10-Gb/s Impulse Radio With an Optical-Fiber Interface" Yasuhiro Nakasha et al., IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 57, No. 12, December 2009 "An Analysis of Polyphase Envelope Detection" C.W.Lee et al., IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 21, pp. 967-969 1973

実施形態によれば、上記の課題を解決して、回路規模が小さく、低消費電力の復調器、およびそれを使用した受信機およびインパルス無線通信システムが実現される。

発明の第１の観点によれば、復調器は、増幅器と、前段検波器と、トリガ入力型発振器と、後段検波器と、識別器と、を有する。増幅器は、信号変調された無線周波数信号を受信する受信アンテナからの受信信号を増幅する。前段検波器は、増幅器の出力を検波する。トリガ入力型発振器は、前段検波器の出力信号に応じて発振動作がオン・オフする。後段検波器は、トリガ入力型発振器の出力を検波する。識別器は、後段検波器の出力を識別する。

発明の第２の観点によれば、復調器は、増幅器と、検波器と、トリガ入力型発振器と、レプリカトリガ入力型発振器と、ミキサと、識別器と、を有する。増幅器は、信号変調された無線周波数信号を受信する受信アンテナからの受信信号を増幅する。検波器は、増幅器の出力を検波する。トリガ入力型発振器は、検波器の出力信号に応じて発振動作がオン・オフする。レプリカトリガ入力型発振器は、トリガ入力型発振器を複製したものである。ミキサは、トリガ入力型発振器の出力と、レプリカトリガ入力型発振器の出力を混合する。識別器は、ミキサの出力を識別する。

実施形態によれば、低雑音アンプの増幅率が小さくても後段検波器またはミキサに入力する信号が比較的大きな振幅になるので、サイズの小さい低雑音アンプを使用でき、回路を小型化しても高い検波感度が維持される。

図１は、インパルス無線伝送システムの構成例およびそこで使用するバンドパスフィルタの通過周波数帯域を示す図であり、（Ａ）が構成例を、（Ｂ）が周波数帯域を示す。 図２は、検波器の特性例を示す図であり、横軸が検波器の入力電力を、縦軸が検波器の出力電圧を示す。 図３は、受信機の構成例を示す図である。 図４は、第１実施形態の受信機の構成を示す図である。 図５は、差動信号用の前段検波器およびトリガ入力型発振器の構成を示す図であり、（Ａ）が具体的な回路構成を、（Ｂ）が動作を示すタイムチャートである。 図６は、トリガ入力型発振器として、リング発振器を使用した復調器の構成例を示す図である。 図７は、第２実施形態の受信機の構成を示す図である。 図８は、第３実施形態の受信機の構成を示す図である。

実施形態を説明する前に、一般的なインパルス無線通信システム、そこで使用される受信機および復調器について説明する。
図１は、インパルス無線伝送システムの構成例およびそこで使用するバンドパスフィルタの通過周波数帯域を示す図であり、（Ａ）が構成例を、（Ｂ）が周波数帯域を示す。

インパルス無線伝送システムは、送信機と、受信機と、を有する。送信機は、ベースバンド信号生成器１０１と、短パルス発生部１０２と、バンドパスフィルタ１０３と、送信増幅器１０４と、送信アンテナ１０５と、を有する。受信機は、受信アンテナ１２１と、受信（低雑音）増幅器１２２と、検波器１２３と、リミットアンプ１２４と、ベースバンド信号再生器１２５と、を有する。低雑音増幅器１２２、検波器１２３、リミットアンプ１２４およびベースバンド信号再生器１２５の部分を復調器と称する。

まず、送信機について説明する。ベースバンド信号生成器１０１は、タイムスロット単位のデータ信号を生成し、短パルス発生部１０２に出力する。後述するように、データ信号は、「１」の値ではハイレベルになり、「０」の値ではローレベルになる。データ信号の通信速度は例えば１０ギガビット／秒（Ｇｂｐｓ）である。短パルス発生器部１０２は、データ信号がタイムスロットでハイレベルになると、短パルスを生成する。バンドパスフィルタ１０３は、短パルスに対して所定の通過周波数帯域のみを通過させるためのフィルタリングを行い、ミリ波パルスＡ７を出力する。

図１（Ｂ）は、バンドパスフィルタ１０３の通過周波数帯域１３２を示す。短パルス特性１３１は、短パルスの周波数特性を示す。バンドパスフィルタ１０３の出力するミリ波パルスは、短パルス特性１３１のうちの通過周波数帯域１３２の部分のみの周波数成分を有する。ＵＷＢ（超広帯域無線：Ultra Wide Band）等では、搬送波の使用可能な周波数帯域が制限されている。その周波数帯域の制限を満たすようにするために、バンドパスフィルタ１０３を用いる。通過周波数帯域１３２は、例えば、通過下限周波数ｆ１が８０ＧＨｚ、通過上限周波数ｆ２が９０ＧＨｚであり、通過周波数帯域幅がｆ２−ｆ１＝９０−８０＝１０ＧＨｚである。

送信増幅器１０４は、ミリ波パルスを増幅し、送信アンテナ１０５を介して、送信信号を無線送信する。送信信号は、ミリ波パルスの有無により、「１」又は「０」のデータを表す。

次に、受信機について説明する。低雑音増幅器１２２は、受信アンテナ１２１を介して無線受信した受信信号を増幅する。検波器１２３は、低雑音増幅器１２２により増幅された受信信号（ミリ波パルス）の包絡線を検波して出力する。リミットアンプ１２４は、検波器１２３により検波された信号を増幅する。ベースバンド信号再生器（識別器）１２５は、リミットアンプ１２４により増幅された信号のパルスの有無を識別し、例えば１０Ｇｂｐｓの受信データの再生を行う。

インパルス方式の無線伝送システムは、マイクロ波帯、準ミリ波帯、ＵＷＢをはじめとする超広帯域無線通信に利用可能である。インパルス方式は、狭帯域通信方式と比較して、発振器やミキサが不要でＲＦ部の構成が簡素・低コストとなる特徴を有し、広帯域を利用できるミリ波帯においては１０Ｇｂｐｓを超える広帯域無線通信の実現が期待される。

インパルス無線伝送システムに割り当てられた周波数帯域幅をＢｍａｘとすれば、バンドパスフィルタ１０３の通過周波数帯域幅ＢｂｐｆがＢｍａｘと等しいとき、最大通信速度Ｂｍａｘを得る。例えば、周波数帯域幅Ｂｍａｘが１０ＧＨｚの場合、図１（Ｂ）に示すように、バンドパスフィルタ１０３の通過周波数帯域幅Ｂｂｐｆはｆ２−ｆ１＝９０−８０＝１０ＧＨｚであり、データ信号の通信速度は１０Ｇｂｐｓである。

受信機において、信号対雑音比が確保できるよう検波器１２３が動作するためには、通常、低雑音アンプ１２２で受信信号を十分増幅しておく必要がある。
図２は、検波器１２３の特性例を示す図であり、横軸が検波器の入力電力を、縦軸が検波器の出力電圧を示す。

図示のように、１００ｍＶの検波出力を得るには、検波器１２３の入力電力は−３ｄＢｍ以上であることが求められる。例えば、受信アンテナ１２１の受信信号が−３１ｄＢｍである場合、低雑音アンプ１２２の利得（ゲイン）は２８ｄＢ以上という高利得が求められる。さらに、低雑音アンプ１２２には、高利得の他、場合によっては高出力性能が求められる。しかしながら、１００ＧＨｚ位の高周波になると、高利得、高出力の低雑音アンプ１２２を実現するには、増幅器ブロックを何段も接続して形成することになる。そのため、復調器の消費電力、サイズなどが大きくなるという問題があり、その点を改良することが課題となっていた。また、検波器１２３自体の課題としては、検波器に使用されるダイオードの寄生容量のために周波数が高いほど検波感度が下がるという点がある。

図３は、上記の課題を解決する受信機の構成を示す図である。図３では、ベースバンド信号再生器を除いて示しており、これは以下の説明でも同様である。
図３の受信機は、図１に示した受信機で、低雑音アンプ１２２と検波器１２３の間に、トリガ入力型発振器１３０を設けたものである。トリガ入力型発振器１３０は、外部からトリガをかけることで発振を開始し、トリガを取り去ると発振が停止する。したがって、トリガ入力型発振器１３０は、低雑音アンプ１２２からの出力にしたがって、発振動作がオン・オフする。

トリガ入力型発振器１３０が、無線信号の伝送速度に追随できる応答速度を持っていれば、受信信号に相似な発振信号が出力される。トリガ入力型発振器１３０の出力は内部利得で決まっているため、発振を開始し定常状態に達すれば、内部利得で決まる出力信号を取り出せる。このトリガ入力型発振器１３０の出力信号を検波器１２３で包絡線検波することで、低雑音アンプのカスコード接続よりも少ない電力で動作する復調器が実現される。

低雑音アンプ１２２の出力には、搬送波の成分が含まれている。トリガ入力型発振器１３０は、搬送波のような高周波に応答しないため、低雑音アンプ１２２の出力から搬送波の周波数域の成分を除去した信号、言い換えればパルスの有無を示す信号を生成して、トリガ入力型発振器１３０に供給することが求められる。そこで、ローパスフィルタを設けて、低雑音アンプ１２２の出力から搬送波の周波数域の成分を除去した信号をトリガ入力型発振器１３０に供給することが考えられる。

しかし、対象とする高周波域で高周波成分を急峻に低下させるローパスフィルタを小さなサイズで実現するのは難しいため、特性搬送波の周波数域の成分を除去する場合、伝送信号の周波数域の信号強度も低下する。そのため、低雑音アンプ１２２の利得を十分に小さくできず、サイズを小さくできないという課題があった。
以下に説明する実施形態では、上記の課題を解決する受信機（復調器）が開示される。

図４は、第１実施形態の受信機の構成を示す図である。第１実施形態の受信機は、図１の通信システムの受信機として使用される。
第１実施形態の受信機は、受信アンテナ１２１と、受信（低雑音）増幅器１２２と、前段検波器１４０と、トリガ入力型発振器１３０と、検波器１２３と、リミットアンプ１２４と、ベースバンド信号再生器（図示を省略）と、を有する。検波器１２３は、前段検波器１４０と区別するために後段検波器１２３と称する。前述のように、低雑音増幅器１２２、検波器１２３、リミットアンプ１２４およびベースバンド信号再生器１２５の部分を復調器と称する。

受信アンテナ１２１は、ミリ波信号（無線周波数（ＲＦ）信号）を受信し、受信信号を出力する。低雑音増幅器１２２は、受信アンテナ１２１が無線受信した受信信号を増幅するが、図１や図３に比べて小さい利得を有する。

前段検波器１４０は、低雑音増幅器１２２の出力する受信信号の包絡線を検波して出力する。トリガ入力型発振器１３０は、前段検波器１４０の出力する信号の強度が閾値以上となるとオンして発振信号を出力し、閾値より小さいとオフして発振信号を出力しない。前段検波器１４０およびトリガ入力型発振器１３０については後述する。

検波器１２３は、トリガ入力型発振器１３０の出力信号の包絡線を検波する。リミットアンプ１２４は、検波器１２３により検波された信号を増幅する。図示していないベースバンド信号再生器（識別器）は、リミットアンプ１２４により増幅された信号のパルスの有無を識別する。

図５は、差動信号用の前段検波器１４０およびトリガ入力型発振器１３０の構成を示す図であり、（Ａ）が具体的な回路構成を、（Ｂ）が動作を示すタイムチャートである。

前段検波器１４０は、２個のインダクタンス素子Ｌ１およびＬ２と、２個のダイオードＤ１およびＤ２と、２個の抵抗Ｒ１およびＲ２と、２個の容量素子Ｃ１およびＣ２と、を有する。Ｌ１およびＬ２は、入力側基準電位端子ＶＧと入力端子ＩＮおよび／ＩＮの間にそれぞれ接続される。Ｄ１およびＤ２は、ＩＮおよび／ＩＮと前段検波器１４０の２つの出力端子の間にそれぞれ順方向に接続される。Ｒ１およびＲ２は、前段検波器１４０の２つの出力端子と接地端子（ＧＮＤ）の間にそれぞれ接続される。Ｃ１は、前段検波器１４０の２つの出力端子の一方と、発振周波数調整回路１３２の２つの入力端子の他方（出力端子／ＯＵＴ）との間に接続される。Ｃ２は、前段検波器１４０の２つの出力端子の他方と、発振周波数調整回路１３２の２つの入力端子の一方（出力端子ＯＵＴ）との間に接続される。

トリガ入力型発振器１３０は、２個のＮチャネルＭＯＳトランジスタＴｒ１およびＴｒ２と、２個の容量素子Ｃ３およびＣ４と、２個のインダクタンス素子Ｌ３およびＬ４と、を有する。Ｔｒ１は、ソースが接地され、ドレインが２つの出力端子の一方ＯＵＴに接続され、ゲートが前段検波器１４０の２つの出力端子の一方に接続される。Ｔｒ２は、ソースが接地され、ドレインが発振周波数調整回路１３２の２つの出力端子の他方／ＯＵＴに接続され、ゲートが前段検波器１４０の２つの出力端子の他方に接続される。Ｃ３およびＣ４は、発振周波数調整回路１３２の２つの出力端子ＯＵＴおよび／ＯＵＴ間に直列に接続される。Ｌ３およびＬ４は、出力側基準電位端子ＶＤと出力端子ＯＵＴおよび／ＯＵＴの間にそれぞれ接続される。

図５の（Ｂ）に示すように、前段検波器１４０は、低雑音増幅器１２２の出力する受信信号を入力とし（ＩＮで示す）。その包絡線を検波して出力する（Ａで示す）。前段検波器１４０の出力は、後段のトリガ入力型発振器１３０を動作させることができればよいので、後段検波器１２３のように大信号を印加する必要はない。そのため、前段検波器１４０は、サイズを小さく、消費電力を小さくできる。

前段検波器１４０の出力Ａは、小振幅のパルス信号であり、Ｔｒ１およびＴｒ２と、Ｃ１およびＣ２を介してトリガ入力型発振器１３０に注入される。トリガ入力型発振器１３０は、出力Ａに対応する小振幅のパルスが注入されると発振し、パルスが注入されないと発振しないように調整されている。これにより、図５の（Ｂ）に示すように、前段検波器１４０の出力Ａが小振幅のパルスであっても、トリガ入力型発振器１３０は、オン・オフ(ON/OFF)し、大きな振幅の高周波数のパルス群を出力する。後段検波器１２３は、トリガ入力型発振器１３０の出力するパルス群の包絡線を検波して出力する。ここで、トリガ入力型発振器１３０の出力するパルス群は、大きな振幅なので、図５の（Ｂ）に示すように、大きな検波出力が得られる。

なお、トリガ入力型発振器１３０は、無線周波数（ＲＦ）と同じ周波数で発振する必要はなく、ＲＦ信号より低い周波数で発振させてもよい。その場合、周波数が低いので後段検波器１２３の検波感度が上がり、信号対雑音比が改善する。

以上説明したように、第１実施形態によれば、低雑音増幅器を使用するよりも少ない電力とサイズで包絡線検波型復調器を構成できる。注入同期型発振器を使用するので、ＲＦ信号より低い周波数の発振信号を検波用に利用できるので、検波出力が増加し信号対雑音比改善の効果がある。

第１実施形態では、図５の（Ａ）に示すような注入同期型発振器を使用したが、他の形式の注入同期型発振器を使用してもよい。
図６は、トリガ入力型発振器として、リング発振器を使用した復調器の構成例を示す図である。

図６に示すように、前段検波器１４０の後に、抵抗Ｒ１１およびＲ１２を有するバイアス回路と、リング発振器１５０を接続する。バイアス回路は、前段検波器１４０の出力する低振幅のパルス信号を、所定の閾値に対して上下に変化するようにバイアス調整する。リング発振器１５０は、ＮＡＮＤゲートと複数のインバータをリング状に接続したもので、ＮＡＮＤゲートに閾値を超える信号が入力すると発振し、閾値を超える信号が入力されないと発振を停止する。これにより、リング発振器１５０は、前段検波器１４０からパルスが出力すると発振し、パルスが入力しないと発振を停止する。

図６に示すリング発振器１５０を含む回路を使用しても、第１実施形態と同様の動作が行われ、同様の効果が得られる。

図７は、第２実施形態の受信機の構成を示す図である。第２実施形態の受信機は、図１の通信システムの受信機として使用される。

第２実施形態の受信機は、受信アンテナ１２１と、受信（低雑音）増幅器１２２と、前段検波器１４０と、トリガ入力型発振器１３０と、レプリカ発振器１６０と、ミキサ１７０と、リミットアンプ１２４と、ベースバンド信号再生器（図示を省略）と、を有する。受信アンテナ１２１、低雑音増幅器１２２、前段検波器１４０、トリガ入力型発振器１３０、リミットアンプ１２４およびベースバンド信号再生器は、第１実施形態と同じである。

レプリカ発振器１６０は、トリガ入力型発振器１３０を複製したもので、同じ特性を有し、図５の（Ａ）や図６に示す注入同期型発振器が使用できる。レプリカ発振器１６０は、常時発振するように設定されている。

ミキサ１７０は、トリガ入力型発振器１３０の出力と、レプリカ発振器１６０の出力を混合して検波を行う。これにより第１実施形態より３ｄＢ程度出力を大きくできる。

図８は、第３実施形態の受信機の構成を示す図である。第３実施形態の受信機は、図１の通信システムの受信機として使用される。

第３実施形態の受信機は、受信アンテナ１２１と、受信（低雑音）増幅器１２２と、前段検波器１４０と、トリガ入力型発振器１３０と、ミキサ１７０と、トリガ入力型レプリカ発振器１８０と、リミットアンプ１２４と、ベースバンド信号再生器（図示を省略）と、を有する。受信アンテナ１２１、低雑音増幅器１２２、前段検波器１４０、トリガ入力型発振器１３０、ミキサ１７０、リミットアンプ１２４およびベースバンド信号再生器は、第２実施形態と同じである。

トリガ入力型レプリカ発振器１８０は、第２実施形態のレプリカ発振器１６０と同様に、トリガ入力型発振器１３０を複製したもので、同じ特性を有するが、前段検波器１４０の出力を分岐した信号が入力され、前段検波器１４０からの信号でオン・オフする。これにより、トリガ入力型レプリカ増幅器１８０の消費電力を低減させることができる。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１２１ 受信アンテナ
１２２ 受信（低雑音）増幅器
１２３ （後段）検波器
１２４ リミットアンプ
１２５ ベースバンド信号再生器
１３０ トリガ入力型発振器
１４０ 前段検波器
１５０ リング発振器
１６０ レプリカ発振器
１７０ ミキサ
１８０ トリガ入力型レプリカ発振器

Claims (8)

1. 信号変調された無線周波数信号を受信する受信アンテナからの受信信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器の出力を検波する前段検波器と、
   前記前段検波器の出力信号に応じて発振動作がオン・オフするトリガ入力型発振器と、
   前記トリガ入力型発振器の出力を検波する後段検波器と、
   前記後段検波器の出力を識別する識別器と、を備えることを特徴とする復調器。
2. 前記トリガ入力型発振器は、前記無線周波数より低く、中間周波数より高い周波数で発振する請求項１に記載の復調器。
3. 信号変調された無線周波数信号を受信する受信アンテナからの受信信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器の出力を検波する検波器と、
   前記検波器の出力信号に応じて発振動作がオン・オフするトリガ入力型発振器と、
   前記トリガ入力型発振器を複製したレプリカトリガ入力型発振器と、
   前記トリガ入力型発振器の出力と、前記レプリカトリガ入力型発振器の出力を混合するミキサと、
   前記ミキサの出力を識別する識別器と、を備えることを特徴とする復調器。
4. 前記トリガ入力型発振器および前記レプリカトリガ入力型発振器は、前記無線周波数より低く、中間周波数より高い周波数で発振する請求項３に記載の復調器。
5. 前記レプリカトリガ入力型発振器は、常時発振動作を行う請求項３または４に記載の復調器。
6. 前記レプリカトリガ入力型発振器は、前記検波器の出力信号に応じて発振動作がオン・オフする請求項３または４に記載の復調器。
7. 受信アンテナと、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の復調器と、を備える受信機。
8. 搬送波を送信データに応じてパルス変調して送信するインパルス無線送信機と、
   請求項７に記載の受信機と、を備えるインパルス無線通信システム。

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