JP6546054B2 - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信装置及び無線通信方法に関し、受信感度を劣化させることなく消費電力の増大を抑制することが可能な無線通信装置及び無線通信方法に関する。
無線通信装置は、外部からアンテナを介して無線受信した高周波信号をベースバンド信号に復調して所定の処理を実行したり、ベースバンド信号を高周波信号に変調してアンテナを介して外部に無線送信したりする。
ここで、無線通信装置には、各機能ブロックに供給するための電圧を生成する電圧生成部が設けられている。電圧生成部を搭載した無線通信装置は、例えば特許文献1及び特許文献2に開示されている。
特開2010−207013号公報 特開2014−60921号公報
特許文献1に開示された構成では、電圧生成部としてLDO(Low Drop Out)レギュレータが用いられているが、LDOレギュレータでは、常に電流が流れてしまうため消費電力を十分に低減することができないという問題があった。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、無線通信装置は、基準クロックを分周して分周クロックを出力する可変分周器と、前記分周クロックの周波数の整数倍が、外部から無線受信した高周波信号の周波数帯に含まれないように、前記可変分周器の分周比を制御する制御部と、前記分周クロックに同期してスイッチング動作することで、入力電圧を降圧させた出力電圧を生成するDCDCコンバータと、を備える。
他の実施の形態によれば、無線通信方法は、外部からアンテナを介して高周波信号を無線受信し、基準クロックに基づいて可変分周器から出力される分周クロックの周波数の整数倍が、前記高周波信号の周波数帯に含まれないように、当該可変分周器の分周比を制御し、前記分周クロックに同期してスイッチング動作することで、入力電圧を降圧させた出力電圧をDCDCコンバータから出力する。
前記一実施の形態によれば、受信感度を劣化させることなく消費電力の増大を抑制することが可能な無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。
実施の形態1にかかる無線通信装置の構成例を示すブロック図である。 図1に示す無線通信装置に設けられたDCDCコンバータの具体的構成の一例を示す図である。 図1に示す無線通信装置に設けられた電圧生成部を示すブロック図である。 実施の形態2にかかる無線通信装置に設けられた電圧生成部を示すブロック図である。 実施の形態に至る前の構想に係る無線通信装置の構成例を示すブロック図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(動作ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等(個数、数値、量、範囲等を含む)についても同様である。
<発明者らによる事前検討>
実施の形態1に係る無線通信装置の詳細について説明する前に、本発明者らが事前検討した無線通信装置50について図5を用いて説明する。
図5は、実施の形態に至る前の構想に係る無線通信装置50の構成例を示すブロック図である。無線通信装置50は、例えばスマートメーター、携帯電話、又は、カーナビゲーションシステム等に適用される。
図5に示すように、無線通信装置50は、低雑音増幅器501と、ミキサ(周波数変換部)502と、信号処理部503と、PLL回路504と、基準クロック生成部506と、分周器507と、DCDCコンバータ508と、を少なくとも備える。なお、基準クロック生成部506、分周器507及びDCDCコンバータ508は、電圧生成部を構成する。また、低雑音増幅器501及びミキサ502は、無線受信部を構成する。
低雑音増幅器501は、外部からアンテナを介して無線受信した高周波信号を低雑音で増幅する。本例では、受信チャネルの周波数帯が923.8MHz〜924.2MHz(即ち、中心周波数が924MHz、帯域幅が400KHz)である場合について説明する。
PLL回路504は、基準クロック生成部506によって生成された基準クロックREFCLKに基づいて、搬送波信号PLOを生成する。本例では、PLL回路504は、受信チャネルの中心周波数に合わせて、48MHzの基準クロックREFCLKから搬送波信号PLOを生成している。
ミキサ502は、PLL回路504によって生成された搬送波信号PLOに基づいて、低雑音増幅器501によって増幅された高周波信号の周波数変換を行う。本例では、ミキサ502は、搬送波信号PLOと、増幅された高周波信号と、を掛け合わせることで、増幅された高周波信号をベースバンド信号に復調している。
信号処理部503は、例えばベースバンド処理部であって、ミキサ502から出力されたベースバンド信号に基づいて所定の処理を実行する。
分周器507は、基準クロックREFCLKを所定の分周比で分周して分周クロックDCLKを出力する。本例では、分周器507は、48MHzの基準クロックREFCLKを分周比12で分周することにより4MHzの分周クロックDCLKを出力している。
DCDCコンバータ508は、スイッチング方式の回路構成を有し、分周クロックDCLKに同期してスイッチング動作することで、電源(不図示)から供給される入力電圧Vinを降圧させた出力電圧Voutを生成する。出力電圧Voutは、無線通信装置50に設けられた各機能ブロック(低雑音増幅器501、ミキサ502、信号処理部503、PLL回路504、基準クロック生成部506、分周器507等)に供給される。
このように、無線通信装置50は、LDOレギュレータを用いずにDCDCコンバータ508を用いることにより、電源からDCDCコンバータ508に向けて間欠的に電流を流すことができるため、消費電力の増大を抑制することができる。
しかしながら、無線通信装置50の構成では、DCDCコンバータ508のスイッチング動作に起因して発生した高調波成分が、例えば共通の接地電圧端子GNDを介して無線受信部側に伝搬し、高周波信号の無線受信を妨害してしまうおそれがある。その結果、無線通信装置50の受信感度が劣化してしまう、という問題があった。特に受信感度の制約が厳しいスマートメーターに無線通信装置50が適用される場合には、この問題は顕著になる。
具体的には、DCDCコンバータ508のスイッチング動作に用いられる4MHzの分周クロックDCLKの231倍に当たる924MHzの高調波成分が、無線受信部側に伝搬して、周波数帯が923.8MHz〜924.2MHzの高周波信号の無線受信を妨害してしまうおそれがある。その結果、無線通信装置50の受信感度が劣化してしまう。
そこで、受信感度を劣化させることなく消費電力の増大を抑制することができるように、実施の形態1に係る無線通信装置1が見出された。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る無線通信装置1の構成例を示すブロック図である。無線通信装置1は、例えばスマートメーター、携帯電話、又は、カーナビゲーションシステム等に適用される。
図1に示すように、無線通信装置1は、低雑音増幅器11と、ミキサ12と、信号処理部13と、PLL回路14と、制御部15と、基準クロック生成部16と、可変分周器17と、DCDCコンバータ18と、を少なくとも備える。なお、制御部15、基準クロック生成部16、可変分周器17及びDCDCコンバータ18は、電圧生成部を構成する。また、低雑音増幅器11及びミキサ12は、無線受信部を構成する。
低雑音増幅器11は、外部からアンテナを介して無線受信した高周波信号を低雑音で増幅する。なお、低雑音増幅器11は、高周波信号を増幅する必要が無ければ設けられていなくてもよい。本実施の形態では、受信チャネルの周波数帯が923.8MHz〜924.2MHz(即ち、中心周波数が924MHz、帯域幅が400KHz)である場合を例に説明する。
PLL回路14は、基準クロック生成部16によって生成された基準クロックREFCLKに基づいて、搬送波信号PLOを生成する。本実施の形態では、PLL回路14は、受信チャネルの中心周波数に合わせて、48MHzの基準クロックREFCLKから搬送波信号PLOを生成する場合を例に説明する。
ミキサ12は、PLL回路14によって生成された搬送波信号PLOに基づいて、低雑音増幅器11によって増幅された高周波信号の周波数変換を行う。本実施の形態では、ミキサ12は、搬送波信号PLOと、増幅された高周波信号と、を掛け合わせることにより、増幅された高周波信号をベースバンド信号に復調する場合を例に説明する。
信号処理部13は、例えばベースバンド処理部であって、ミキサ12から出力されたベースバンド信号に基づいて所定の処理を実行する。
制御部15は、無線受信した高周波信号の周波数帯に応じた制御信号S1を出力する。また、制御部15は、例えば、PLL回路14の搬送波信号PLOの周波数から、無線受信した高周波信号の周波数帯(受信チャネルの周波数帯)の情報を取得する。
可変分周器17は、基準クロックREFCLKを制御信号S1に応じた分周比で分周して分周クロックDCLKを出力する。
DCDCコンバータ18は、スイッチング方式の回路構成を有し、分周クロックDCLKに同期してスイッチング動作することで、電源(不図示)から供給される入力電圧Vinを降圧させた出力電圧Voutを生成する。出力電圧Voutは、無線通信装置1に設けられた各機能ブロック(低雑音増幅器11、ミキサ12、信号処理部13、PLL回路14、制御部15、基準クロック生成部16、可変分周器17等)に供給される。
(DCDCコンバータ18の構成例)
図2は、DCDCコンバータ18の具体的構成の一例を示す図である。
図2に示すように、DCDCコンバータ18は、パルス信号生成部181と、PチャネルMOSトランジスタ(以下、単にトランジスタと称す)MP1と、NチャネルMOSトランジスタ(以下、単にトランジスタと称す)MN1と、インダクタL1と、コンデンサC1と、を備える。
パルス信号生成部181は、可変分周器17から出力された分周クロックDCLKの周波数、及び、入力電圧Vinに対する出力電圧Voutの割合、に応じた周期及びパルス幅のパルス信号P1,P2を出力する。なお、パルス信号P1,P2は同じ変化をする。
例えば、パルス信号P1,P2の周期は、分周クロックDCLKの周波数が大きくなるほど小さくなり、分周クロックDCLKの周波数が小さくなるほど大きくなる。また、パルス信号P1,P2のパルス幅は、入力電圧Vinに対する出力電圧Voutの割合が大きすぎると狭くなり(トランジスタMP1のオン期間が長くなり)、入力電圧Vinに対する出力電圧Voutの割合が小さすぎると広くなる(トランジスタMP1のオン期間が短くなる)。それにより、出力電圧Voutが所望のレベルに保たれる。
トランジスタMP1では、ソースが入力端子INに接続され、ドレインがインダクタL1の一端(ノードN1)に接続され、ゲートにパルス信号生成部181からのパルス信号P1が供給される。トランジスタMN1では、ソースが接地電圧端子GNDに接続され、ドレインがノードN1に接続され、ゲートにパルス信号生成部181からのパルス信号P2が供給される。なお、入力端子INには、電源(不図示)から入力電圧Vinが供給される。接地電圧端子GNDには、接地電圧GNDが供給されている。インダクタL1の他端(ノードN2)は、出力端子OUTに接続される。コンデンサC1は、出力端子OUTと接地電圧端子GNDとの間に設けられている。
続いて、DCDCコンバータ18の基本動作について説明する。
まず、トランジスタMP1がオンし、トランジスタMN1がオフすることにより、入力端子INからトランジスタMP1及びインダクタL1を介して出力端子OUTに向けて電流が流れる。このとき、インダクタL1には、電流エネルギーが蓄えられる。
その後、トランジスタMP1がオフし、トランジスタMN1がオンすることにより、入力端子INからトランジスタMP1を介してインダクタL1に向けて流れていた電流が遮断される。インダクタL1は、直前に流れていた電流の電流値を維持しようとして、蓄えた電流エネルギーを出力端子OUTに向けて放出する。それにより、接地電圧端子GNDからトランジスタMN1を介して出力端子OUTに向けて電流が流れる。
このような動作を繰り返すことで、DCDCコンバータ18は、入力電圧Vinをパルス信号P1,P2のデューティ比に応じた電圧分だけ降圧した出力電圧Voutを生成する。
このように、無線通信装置1は、LDOレギュレータを用いずにDCDCコンバータ18を用いることにより、電源からDCDCコンバータ18に向けて間欠的に電流を流すことができるため、消費電力の増大を抑制することができる。
図3は、無線通信装置1に設けられた電圧生成部を示すブロック図である。
図3に示すように、可変分周器17は、基準クロックREFCLKを制御信号S1に応じた分周比N(Nは任意の自然数)で分周して分周クロックDCLKを出力する。例えば、可変分周器17は、基準クロックREFCLKを分周比N=12やN=13等で分周して分周クロックDCLKを出力可能な構成となっている。
ここで、制御部15は、DCDCコンバータ18に入力される分周クロックDCLKの周波数の整数倍が、無線受信した高周波信号の周波数帯に含まれないように、可変分周器17の分周比Nを制御する。
例えば、分周比N=12の場合、可変分周器17は、48MHzの基準クロックREFCLKを分周して4MHzの分周クロックDCLKを出力する。この場合、分周クロックDCLKの周波数の整数倍924MHz(=4MHz×231)は、無線受信した高周波信号の周波数帯923.8MHz〜924.2MHzに含まれてしまう。そのため、DCDCコンバータ18に入力される分周クロックDCLKの924MHzの高周波成分が、無線受信部側に伝搬して、923.8MHz〜924.2MHzの周波数帯の高周波信号の無線受信を妨害してしまうおそれがある。その結果、無線通信装置1の受信感度が劣化してしまう。
他方、分周比N=13の場合、可変分周器17は、48MHzの基準クロックREFCLKを分周して約3.7MHzの分周クロックDCLKを出力する。この場合、分周クロックDCLKの周波数の整数倍(例えば、921.3MHz(=3.7MHz×249)や925MHz(=3.7MHz×250))は、無線受信した高周波信号の周波数帯923.8MHz〜924.2MHzに含まれない。そのため、DCDCコンバータ18に入力される分周クロックDCLKの高周波成分が、無線受信部側に伝搬して、高周波信号の無線受信を妨害することはない。つまり、無線通信装置1の受信感度は劣化しない。
そのため、制御部15は、可変分周器17の分周比をN=13に制御する。それにより、無線通信装置1は受信感度の劣化を抑制することができる。
このように、本実施の形態に係る無線通信装置1は、電圧生成部としてDCDCコンバータ18を備えることで消費電力の増大を抑制している。ここで、本実施の形態に係る無線通信装置1は、DCDCコンバータ18のスイッチング動作に用いられる分周クロックDCLKの周波数の整数倍(高周波成分)が、受信チャネルの周波数帯に含まれないように、可変分周器17の分周比Nを制御している。それにより、本実施の形態に係る無線通信装置1は、受信感度を劣化させることなく消費電力の増大を抑制することができる。
これは、受信感度の制約が厳しく、かつ、多種の受信チャネルが使用されているスマートメーター等に無線通信装置1が適用された場合には、特に有効である。
本実施の形態では、可変分周器17が2つの分周比N=12,13の何れかを選択的に設定可能である場合を例に説明したが、これに限られない。可変分周器17は、3つ以上の分周比N(例えば、N=11,12,13)の何れかを選択的に設定可能な構成に適宜変更可能である。それにより、分周比Nの選択肢が増えるため、より高精度に妨害波の発生を防ぐことができる。また、受信チャネルの周波数帯がさらに広くなった場合でも、妨害波の発生を抑制することができる。
なお、無線通信装置1には、無線通信に必要な他の機能ブロックがさらに設けられてもよい。例えば、外部からアンテナを介して無線受信した高周波信号のうち所望の周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタがさらに設けられてもよい。
(特許文献2と本実施の形態に係る無線通信装置との差異)
特許文献2に開示された構成は、DCDCコンバータのスイッチング動作に用いられるクロックの周波数を、RFチャネルの帯域幅の半分よりも大きくなるように制御しているにすぎない。つまり、特許文献2には、DCDCコンバータのスイッチング動作に用いられるクロックの周波数の整数倍が、RFチャネル(受信チャネル)の周波数帯に含まれないように、当該クロックの周波数を制御する構成は、開示も示唆もされていない。そのため、特許文献2に開示された構成では、当該クロックの高周波成分が高周波信号を妨害してしまい、その結果、受信感度が劣化してしまう。他方、本実施の形態に係る無線通信装置1は、そのような問題は生じない。
<実施の形態2>
図4は、実施の形態2に係る無線通信装置2に設けられた電圧生成部を示すブロック図である。無線通信装置2は、可変分周器17に代えて可変分周器27を備える。
図4に示すように、可変分周器27は、基準クロックREFCLKを制御信号S1に応じた分周比“N(Nは任意の自然数)+M(Mは任意の分数)”で分周して分周クロックDCLKを出力する。例えば、可変分周器27は、基準クロックREFCLKを分周比“N+M”=12+1/3≒12.33等で分周して分周クロックDCLKを出力可能な構成となっている。
ここで、制御部15は、DCDCコンバータ18に入力される分周クロックDCLKの周波数の整数倍が、無線受信した高周波信号の周波数帯に含まれないように、可変分周器27の分周比“N+M”を制御する。
例えば、受信チャネルの周波数帯が911.8MHz〜912.2MHz(即ち、中心周波数912MHz、帯域幅400KHz)である場合、つまり、基準クロックREFCLKの周波数の整数倍(912MHz(=48MHz×19))が受信チャネルの周波数帯に含まれる場合、当然ながら、分周クロックDCLKの周波数の整数倍も、当該分周クロックDCLKがどの整数の分周比Nで分周されたものであっても、受信チャネルの周波数帯に含まれてしまう。
しかしながら、無線通信装置2は、基準クロックREFCLKを分数の分周比“N+M”で分周して分周クロックDCLKを出力することができるため、分周クロックDCLKの周波数の整数倍が、無線受信した高周波信号の周波数帯に含まれないように、制御することができる。それにより、無線通信装置2は、受信感度を劣化させることなく消費電力の増大を抑制することができる。
無線通信装置2のその他の構成については、無線通信装置1の場合と同様であるため、その説明を省略する。
以上のように、上記実施の形態1,2に係る無線通信装置1,2は、電圧生成部としてDCDCコンバータ18を備えることで消費電力の増大を抑制している。ここで、上記実施の形態1,2に係る無線通信装置1,2は、DCDCコンバータ18のスイッチング動作に用いられる分周クロックDCLKの周波数の整数倍(高周波成分)が、受信チャネルの周波数帯に含まれないように、可変分周器17,27の分周比を制御している。それにより、上記実施の形態1,2に係る無線通信装置1,2は、受信感度を劣化させることなく消費電力の増大を抑制することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、上記の実施の形態に係る半導体装置では、半導体基板、半導体層、拡散層(拡散領域)などの導電型(p型もしくはn型)を反転させた構成としてもよい。そのため、n型、及びp型の一方の導電型を第1の導電型とし、他方の導電型を第2の導電型とした場合、第1の導電型をp型、第2の導電型をn型とすることもできるし、反対に第1の導電型をn型、第2の導電型をp型とすることもできる。
1 無線通信装置
2 無線通信装置
11 低雑音増幅器
12 ミキサ
13 信号処理部
14 PLL回路
15 制御部
16 基準クロック生成部
17 可変分周器
18 DCDCコンバータ
27 可変分周器
181 パルス信号生成部
C1 コンデンサ
IN 入力端子
L1 インダクタ
MN1 トランジスタ
MP1 トランジスタ
N1 ノード
N2 ノード
OUT 出力端子

Claims (7)

  1. 基準クロックに基づいて出力クロックを生成するPLL回路と、
    前記出力クロックに基づいて外部から無線受信した高周波信号の周波数変換を行うミキサと、
    前記基準クロックを分周して分周クロックを出力する可変分周器と、
    前記分周クロックの周波数の整数倍が、前記高周波信号の周波数帯に含まれないように、前記可変分周器の分周比を制御する制御部と、
    前記分周クロックに同期してスイッチング動作することで、入力電圧を降圧させた出力電圧を生成するDCDCコンバータと、
    を備え
    前記制御部は、前記出力クロックの周波数から、前記高周波信号の周波数帯の情報を取得する、
    無線通信装置。
  2. 前記制御部は、前記分周クロックの周波数の整数倍が、前記高周波信号の周波数帯に含まれないように、前記可変分周器の分周比をN(Nは任意の自然数)に制御する、
    請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 前記制御部は、前記分周クロックの周波数の整数倍が、前記高周波信号の周波数帯に含まれないように、前記可変分周器の分周比をN(Nは任意の自然数)+M(Mは任意の分数)に制御する、
    請求項1に記載の無線通信装置。
  4. 請求項1に記載の無線通信装置を備えたスマートメーター。
  5. 基準クロックに応じた出力クロックをPLL回路から出力し、
    外部からアンテナを介して高周波信号を無線受信し、
    前記出力クロックに基づいて前記高周波信号の周波数変換を行い、
    前記基準クロックに基づいて可変分周器から出力される分周クロックの周波数の整数倍が、前記高周波信号の周波数帯に含まれないように、当該可変分周器の分周比を制御し、
    前記分周クロックに同期してスイッチング動作することで、入力電圧を降圧させた出力電圧をDCDCコンバータから出力する、無線通信方法であって、
    前記可変分周器の分周比を制御するステップでは、前記出力クロックの周波数から前記高周波信号の周波数帯の情報が取得される、
    無線通信方法。
  6. 前記可変分周器の分周比を制御するステップでは、前記分周クロックの周波数の整数倍が、前記高周波信号の周波数帯に含まれないように、前記可変分周器の分周比をN(Nは任意の自然数)に制御する、
    請求項に記載の無線通信方法。
  7. 前記可変分周器の分周比を制御するステップでは、前記分周クロックの周波数の整数倍が、前記高周波信号の周波数帯に含まれないように、前記可変分周器の分周比をN(Nは任意の自然数)+M(Mは任意の分数)に制御する、
    請求項に記載の無線通信方法。
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