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特開2020-195057デュアルモード高速無線受信機およびデュアルモード高速無線通信システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-195057(P2020-195057A)
(43)【公開日】2020年12月3日
(54)【発明の名称】デュアルモード高速無線受信機およびデュアルモード高速無線通信システム
(51)【国際特許分類】
H04B 1/26 20060101AFI20201106BHJP
H04B 1/401 20150101ALI20201106BHJP
H03D 7/00 20060101ALI20201106BHJP
【ＦＩ】
H04B1/26 B
H04B1/26 D
H04B1/401
H03D7/00 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2019-99465(P2019-99465)
(22)【出願日】2019年5月28日
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３１年３月 ｈｔｔｐｓ：／／ｉｍｓ−ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ−ｐｒｏｇｒａｍ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ−ｓｅｓｓｉｏｎｓ＃２０１９−０６−０５ （ＩＭＳ２０１９ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｅｓｓｉｏｎｓ，Ｗｅ１Ｄ−４：Ａ ６−ｍＷ−ＤＣ−Ｐｏｗｅｒ ３００−ＧＨｚ ＣＭＯＳ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ アブストラクト）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、総務省、「テラヘルツ波デバイス基盤技術の研究開発−３００ＧＨｚ帯シリコン半導体ＣＭＯＳトランシーバ技術−」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504136568
【氏名又は名称】国立大学法人広島大学
(74)【代理人】
【識別番号】100163186
【弁理士】
【氏名又は名称】松永 裕吉
(72)【発明者】
【氏名】李 尚曄
(72)【発明者】
【氏名】董 鋭冰
(72)【発明者】
【氏名】藤島 実
【テーマコード（参考）】
5K011
5K020
【Ｆターム（参考）】
5K011DA03
5K011DA06
5K011KA03
5K011KA04
5K020DD05
5K020DD13
5K020FF09
5K020FF12
5K020FF16
5K020GG01
5K020KK07
(57)【要約】
【課題】ヘテロダインおよび自己ヘテロダインのいずれでも動作可能な受信機を提供する。【解決手段】デュアルモード高速無線受信機２０は、受信したシングルエンドのＲＦ信号を差動のＲＦ信号に変換するバラン２１１と、差動の受信ＬＯ信号を生成する受信ＬＯドライバ２２と、バラン２１１と受信ＬＯドライバ２２とに接続されたダブルバランスドミキサ２３と、受信ＬＯドライバ２２およびダブルバランスドミキサ２３がいずれも動作する第１受信モードと、受信ＬＯドライバ２２が停止し、ダブルバランスドミキサ２３が動作する第２受信モードとを切り替える受信モードスイッチ２５とを備えている。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
受信したシングルエンドのＲＦ信号を差動のＲＦ信号に変換するバランと、
差動の受信ＬＯ信号を生成する受信ＬＯドライバと、
前記バランと前記受信ＬＯドライバとに接続されたダブルバランスドミキサと、
前記受信ＬＯドライバおよび前記ダブルバランスドミキサがいずれも動作する第１受信モードと、前記受信ＬＯドライバが停止し、前記ダブルバランスドミキサが動作する第２受信モードとを切り替える受信モードスイッチとを備えたデュアルモード高速無線受信機。
差動の受信ＬＯ信号を生成する受信ＬＯドライバと、
前記バランと前記受信ＬＯドライバとに接続されたダブルバランスドミキサと、
前記受信ＬＯドライバおよび前記ダブルバランスドミキサがいずれも動作する第１受信モードと、前記受信ＬＯドライバが停止し、前記ダブルバランスドミキサが動作する第２受信モードとを切り替える受信モードスイッチとを備えたデュアルモード高速無線受信機。
【請求項2】
終端回路と、
前記受信モードスイッチと連動して動作するスイッチであって、前記ダブルバランスドミキサに前記受信ＬＯドライバおよび前記終端回路のいずれか一方を選択的に接続するＬＯ信号スイッチと備え、
前記ＬＯ信号スイッチが、前記受信モードスイッチが前記第１受信モードを選択するときには前記ダブルバランスドミキサと前記受信ＬＯドライバとを接続し、前記受信モードスイッチが前記第２受信モードを選択するときには前記ダブルバランスドミキサと前記終端回路とを接続するように構成されている、請求項１に記載のデュアルモード高速無線受信機。
前記受信モードスイッチと連動して動作するスイッチであって、前記ダブルバランスドミキサに前記受信ＬＯドライバおよび前記終端回路のいずれか一方を選択的に接続するＬＯ信号スイッチと備え、
前記ＬＯ信号スイッチが、前記受信モードスイッチが前記第１受信モードを選択するときには前記ダブルバランスドミキサと前記受信ＬＯドライバとを接続し、前記受信モードスイッチが前記第２受信モードを選択するときには前記ダブルバランスドミキサと前記終端回路とを接続するように構成されている、請求項１に記載のデュアルモード高速無線受信機。
【請求項3】
前記受信モードスイッチが、前記受信ＬＯドライバへの電源供給の有無を切り替えるスイッチである、請求項１または請求項２に記載のデュアルモード高速無線受信機。
【請求項4】
送信ＬＯ信号でアップコンバートした送信ＲＦ信号を送信する送信機であって、前記送信ＲＦ信号に含まれる送信ＬＯ高調波成分を抑制して前記送信ＲＦ信号を送信する第１送信モードと、前記送信ＬＯ高調波成分を抑制せずに前記送信ＲＦ信号を送信する第２送信モードとの切り替えが可能なデュアルモード高速無線送信機と、
前記デュアルモード高速無線送信機から送信される前記送信ＲＦ信号を受信する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のデュアルモード高速無線受信機とを備え、
前記デュアルモード高速無線受信機が、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第１送信モードで動作するときには前記第１受信モードで動作し、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第２送信モードで動作するときには前記第２受信モードで動作するように構成されている、デュアルモード高速無線通信システム。
前記デュアルモード高速無線送信機から送信される前記送信ＲＦ信号を受信する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のデュアルモード高速無線受信機とを備え、
前記デュアルモード高速無線受信機が、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第１送信モードで動作するときには前記第１受信モードで動作し、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第２送信モードで動作するときには前記第２受信モードで動作するように構成されている、デュアルモード高速無線通信システム。
【請求項5】
前記デュアルモード高速無線送信機が、前記送信ＬＯ信号を生成するＰＬＬを有しており、
前記ＰＬＬが、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第１送信モードで動作するときには位相ロック動作をし、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第２送信モードで動作するときには自走動作をするように構成されている、請求項４に記載のデュアルモード高速無線通信システム。
前記ＰＬＬが、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第１送信モードで動作するときには位相ロック動作をし、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第２送信モードで動作するときには自走動作をするように構成されている、請求項４に記載のデュアルモード高速無線通信システム。
【請求項6】
前記デュアルモード高速無線送信機と前記デュアルモード高速無線受信機との距離を測る測距部を備え、
前記距離が所定値よりも大きいとき、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第１送信モードで動作するとともに前記デュアルモード高速無線受信機が前記第１受信モードで動作し、前記距離が前記所定値よりも小さいとき、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第２送信モードで動作するとともに前記デュアルモード高速無線受信機が前記第２受信モードで動作する、請求項４または請求項５に記載のデュアルモード高速無線通信システム。
前記距離が所定値よりも大きいとき、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第１送信モードで動作するとともに前記デュアルモード高速無線受信機が前記第１受信モードで動作し、前記距離が前記所定値よりも小さいとき、前記デュアルモード高速無線送信機が前記第２送信モードで動作するとともに前記デュアルモード高速無線受信機が前記第２受信モードで動作する、請求項４または請求項５に記載のデュアルモード高速無線通信システム。
【請求項7】
前記デュアルモード高速無線送信機が、前記測距部として、前記デュアルモード高速無線受信機から送信されるパルスのパワーを検知するパルスパワー検知器と、検知されたパルスパワーに応じて送受信機間距離を算出するプロセッサとを備えている、請求項４ないし請求項６のいずれかに記載のデュアルモード高速無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高周波無線通信に関し、特に、ミリ波帯以上の高周波無線信号を使用する高速無線通信に好適な受信機および無線通信システムに関する。
【背景技術】
【0002】
最近５Ｇ通信の実用化が始まったところであるが、早くも次世代のＢｅｙｏｎｄ５Ｇ時代に向けて１００Ｇｂ／ｓを超える超高速無線データ通信の研究・開発が始まっている。例えばＩＥＥＥ８０２．１５．３ｄ規格では３００ＧＨｚ帯（２５２−３２２ＧＨｚ）を使用する超高速無線通信のための無線物理層が定義されている。
【0003】
次世代の無線通信で使用する３００ＧＨｚ帯はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のようなシリコンベースのトランジスタや一部の化合物半導体トランジスタでは増幅動作不可能な高周波数帯である。したがって、このような高周波数帯の無線信号を送受信するシステムとして、ＩＦ（Intermediate Frequency）信号の周波数を逓倍して高周波ＲＦ（Radio Frequency）信号を生成する周波数逓倍回路あるいはミキサ回路が最終段に配置された送信機と、受信した高周波ＲＦ信号を周波数逓倍したＬＯ（Local Oscillator）信号で基本波ミキシングあるいはサブ高調波ミキシングを行うミキサ回路が初段に配置された受信機とからなるヘテロダイン無線通信システムが提案されている。
【0004】
ヘテロダイン無線通信システムでは非常に高い周波数のＬＯ信号を生成するため消費電力が大きくなりがちであり、使用用途が限定されかねない。そこで、高速無線通信システムの消費電力、特に受信機の消費電力を低減する技術として、送信機から送信ＲＦ信号に含まれるＬＯ高調波成分を抑制せずにＲＦ信号を送信し、受信機はそのＲＦ信号を受信して、内部でＬＯ信号を生成することなく、受信ＲＦ信号に含まれるＬＯ高調波成分を用いてダウンコンバートを行うといった自己ヘテロダインが提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Y. Shoji et al., “Millimeter-Wave Remote Self-Heterodyne System for Extremely Stable and Low-Cost Broad-Band Signal Transmission,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 50, no. 6, pp. 1458-1468, June 2002.
【非特許文献2】Y. Shoji and H. Ogawa, “70-GHz-Band MMIC Transceiver With Integrated Antenna Diversity System: Application of Receiver-Module-Arrayed Self-Heterodyne Technique,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 52, no. 11, pp. 2541-2549, Nov. 2004.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
自己ヘテロダインによると、受信機側でＬＯ信号を生成しなくてよくなるため受信機の消費電力を低減することができる以外に、送信機側でアップコンバートに使用したＬＯ信号を用いて受信ＲＦ信号のダウンコンバートを行うため、受信機側で生成したＬＯ信号を使用する場合に比べてＳ／Ｎ比がよくなる。一方で、自己ヘテロダインは、送受信機間距離が大きくなると受信ＲＦ信号に含まれるＬＯ高調波成分のパワーが弱くなってＳ／Ｎ比が悪化するという問題がある。
【0007】
図７は、送受信機間距離とヘテロダインおよび自己ヘテロダインのＳ／Ｎ比との関係を表すグラフである。送受信機間距離が比較的大きい場合には自己ヘテロダインよりもヘテロダインの方がＳ／Ｎ比が高いが、送受信機間距離が非常に近くなるとヘテロダインのＳ／Ｎ比は頭打ちとなり位相ノイズに支配されるようになる。一方、自己ヘテロダインは受信機側でＬＯ信号を生成しないため、ヘテロダインに比べて位相ノイズの影響を受けにくく、送受信機間距離が近くなればなるほどヘテロダインよりもＳ／Ｎ比がよくなる。このように、ヘテロダインおよび自己ヘテロダインにはそれぞれ一長一短がある。
【0008】
そこで、本発明は、ヘテロダインおよび自己ヘテロダインのいずれでも動作可能な受信機およびそのような受信機を備えた通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一局面に従ったデュアルモード高速無線受信機は、受信したシングルエンドのＲＦ信号を差動のＲＦ信号に変換するバラン、差動の受信ＬＯ信号を生成する受信ＬＯドライバと、バランと受信ＬＯドライバとに接続されたダブルバランスドミキサと、受信ＬＯドライバおよびダブルバランスドミキサがいずれも動作する第１受信モードと、受信ＬＯドライバが停止し、ダブルバランスドミキサが動作する第２受信モードとを切り替える受信モードスイッチとを備えたものである。
【0010】
また、本発明の別局面に従ったデュアルモード高速無線通信システムは、送信ＬＯ信号でアップコンバートした送信ＲＦ信号を送信する送信機であって、送信ＲＦ信号に含まれる送信ＬＯ高調波成分を抑制して送信ＲＦ信号を送信する第１送信モードと、送信ＬＯ高調波成分を抑制せずに送信ＲＦ信号を送信する第２送信モードとの切り替えが可能なデュアルモード高速無線送信機と、デュアルモード高速無線送信機から送信される送信ＲＦ信号を受信する上記のデュアルモード高速無線受信機とを備え、デュアルモード高速無線受信機が、デュアルモード高速無線送信機が第１送信モードで動作するときには第１受信モードで動作し、デュアルモード高速無線送信機が第２送信モードで動作するときには第２受信モードで動作するように構成されているものである。
【発明の効果】
【0011】
本発明によると、受信機を、送受信機が離れている場合にはヘテロダイン受信機として、送受信機が近接している場合には自己ヘテロダイン受信機として動作させることができる。これにより、送受信機が離れていても近くても良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。さらに、送受信機が近接している場合には受信機の受信ＬＯドライバの動作を停止させることで、受信機の消費電力を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1A】本発明の一実施形態に係るデュアルモード高速無線通信システムの主要部のブロック図
【図1B】本発明の一実施形態に係るデュアルモード高速無線通信システムの主要部のブロック図
【図2A】本発明の一実施形態に係るデュアルモード高速無線受信機の主要部の回路図
【図2B】本発明の一実施形態に係るデュアルモード高速無線受信機の主要部の回路図
【図3A】通常受信モードでのダウンコンバージョンミキサの変換利得のグラフ
【図3B】近距離受信モードでのダウンコンバージョンミキサの変換利得のグラフ
【図4A】通常受信モードにおける１６ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図
【図4B】近距離受信モードにおける１６ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図
【図4C】近距離受信モードにおける３２ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図
【図4D】近距離通信モードにおける６４ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図
【図5】自動モード切り替えのフローチャート
【図6】自動モード切り替えにおけるデュアルモード高速無線通信システムの一動作状態を示す図
【図7】送受信機間距離とヘテロダインおよび自己ヘテロダインのＳ／Ｎ比との関係を表すグラフ
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【0014】
≪実施形態≫図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の一実施形態に係るデュアルモード高速無線通信システムの主要部のブロック図である。本実施形態に係るデュアルモード高速無線通信システム１００は、デュアルモード高速無線送信機１０と、デュアルモード高速無線受信機２０とから構成され、これら送受信機間で３００ＧＨｚ帯のＲＦ信号による高速無線通信を行う。さらに、本実施形態に係るデュアルモード高速無線通信システム１００は、送受信機が比較的離れている場合には図１Ａに示した通常通信モードで動作し、送受信機が近接している場合には図１Ｂに示した近距離通信モードで動作する。これら２つのモードは手動あるいは自動で相互に切り替え可能である。図１Ａにおいて、デュアルモード高速無線送信機１０から送信されるＲＦ信号およびデュアルモード高速無線受信機２０が受信するＲＦ信号のスペクトラムにおけるグレー表示はＲＦ信号に含まれるＬＯ高調波成分（ＬＯ２）が十分に抑制されていることを表している。また、図１Ｂにおいて、グレー表示された回路要素は動作していない、すなわち、電源が遮断されて停止していることを表している。なお、以下では便宜のため、デュアルモード高速無線通信システム、デュアルモード高速無線送信機およびデュアルモード高速無線受信機を、それぞれ、単に通信システム、送信機および受信機と称することがある。
【0015】
送信機１０は、送信アンテナ１１と、送信ＬＯドライバ１２と、アップコンバージョンミキサ１３と、アンプ１４と、スクエアミキサ１５とを備えている。送信ＬＯドライバ１２は、入力される図略の基準クロック信号の周波数を逓倍して送信ＬＯ信号（ＬＯＴＸ）を生成する回路要素である。より詳細には、送信ＬＯドライバ１２は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１２１と、分周器１２２と、ＰＦＤ／ＣＰ（Phase/Frequency Detector/Charge Pump）１２３と、ＬＦ（Loop Filter）１２４とを備えたＰＬＬ（Phase Locked Loop）で構成されている。ＰＬＬの位相ロック動作によりＶＣＯ１２１から所望周波数のＬＯＴＸが出力される。
【0016】
アップコンバージョンミキサ１３は、送信ベースバンド信号（ＩＦＩＮ）と送信ＬＯドライバ１２から出力されるＬＯＴＸを受け、それらをミキシング（基本波ミキシング）してアップコンバートしたＩＦ信号を出力する回路要素である。一般に、アップコンバージョンミキサ１３から出力されるＩＦ信号においてＬＯ信号成分は十分に抑制されることが好ましいが、高周波数帯ではＬＯ信号成分を十分に抑制することが難しくなる。そのため、アップコンバージョンミキサ１３から出力されるＩＦ信号にはある程度の強度のＬＯ信号成分が含まれる。このようなアップコンバージョンミキサ１３から出力される，ＬＯ信号成分を含むＩＦ信号を便宜上ＩＦ＋ＬＯと呼ぶことにする。
【0017】
さらにアップコンバージョンミキサ１３は、出力するＩＦ信号に含まれるＬＯ信号成分を抑制することも、逆に送信ＬＯ信号を積極的にリークさせて、出力する信号にＬＯ信号成分を含ませることもできるように構成されている。そのようなＬＯ信号を積極的にリークさせる技術は、例えば、特開２０１７−１３０８０４号公報や特開２０１８−１２５７１２号公報などに開示されている。
【0018】
アンプ１４は、アップコンバージョンミキサ１３から出力されるＩＦ＋ＬＯを所定ＩＦパワーにまで増幅する回路要素である。スクエアミキサ１５は、アンプ１４によって増幅されたＩＦ＋ＬＯを二乗して送信ＲＦ信号（ＲＦＯＵＴ）を出力する回路要素である。すなわち、スクエアミキサ１５によって搬送波周波数が送信ＬＯ信号周波数の倍（ＬＯ２）に高められる。スクエアミキサ１５から出力されたＲＦＯＵＴは送信アンテナ１１を通じて空間に放出される。このようなスクエアミキサ１５を送信機１０の最終段に配置することにより、ＭＯＳＦＥＴで構成された回路で３００ＧＨｚ帯のＲＦＯＵＴを生成することができる。
【0019】
受信機２０は、受信アンテナ２１と、受信ＬＯドライバ２２と、ダウンコンバージョンミキサ２３と、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）２４とを備えている。受信ＬＯドライバ２２は、入力される図略の基準クロック信号の周波数を逓倍して受信ＬＯ信号（ＬＯＲＸ）を生成する回路要素である。より詳細には、受信ＬＯドライバ２２は、ＶＣＯ２２１と、分周器１２２と、ＰＦＤ／ＣＰ２２３と、ＬＦ２２４とを備えたＰＬＬで構成されている。ＰＬＬの位相ロック動作によりＶＣＯ２２１から所望周波数のＬＯＲＸが出力される。ダウンコンバージョンミキサ２３は、受信アンテナ２１が受信した受信ＲＦ信号（ＲＦＩＮ）と受信ＬＯドライバ２２から出力されるＬＯＲＸを受け、それらをミキシング（基本波ミキシング）してダウンコンバートしたＩＦ信号（ＩＦ）を出力する回路要素である。ＬＮＡ２４は、ダウンコンバージョンミキサ２３から出力されるＩＦを、後段に接続された図略の信号処理回路で処理できるＩＦパワーにまで増幅する回路要素である。ＬＮＡ２４から出力されるＩＦ信号（ＩＦＯＵＴ）は図略の信号処理回路に入力されて各種信号処理が行われる。
【0020】
上記構成の通信システム１００の動作は概ね次の通りである。図１Ａに示した通常通信モードでは、送信機１０の全要素が動作し、送信機１０はＲＦＯＵＴに含まれる送信ＬＯ高調波成分を十分に抑制してＲＦＯＵＴを送信する通常送信モードで動作する。また、受信機２０の全要素が動作し、受信機２０は受信ＬＯドライバ２２で生成されるＬＯＲＸでＲＦＩＮをダウンコンバートする通常受信モードで動作する。すなわち、通常受信モードでは受信機２０はヘテロダイン受信機として動作する。一方、図１Ｂに示した近距離通信モードでは、送信機１０において送信ＬＯドライバ１２における分周器１２２、ＰＦＤ／ＣＰ１２３およびＬＦ１２４が動作を停止してＶＣＯ１２３が自走動作をしてＬＯＴＸを生成し、アップコンバージョンミキサ１３がＬＯＴＸをリークさせるように動作し、送信機１０は送信ＬＯ高調波成分が含まれるＲＦＯＵＴを送信する近距離送信モードで動作する。受信機２０において受信ＬＯドライバ２２が動作を停止し、受信機２０は、受信したＲＦＩＮに含まれる送信ＬＯ高調波成分を使用してＲＦＩＮをダウンコンバートする近距離受信モードで動作する。すなわち、近距離受信モードでは受信機２０は自己ヘテロダイン受信機として動作する。
【0021】
≪受信機の詳細構成≫次に受信機２０の詳細な構成例について説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、受信機２０の主要部の回路図である。図２Ａは通常受信モード時の回路状態を、図２Ｂは近距離受信モード時の回路状態をそれぞれ示す。また、各回路状態の右側に示した回路図はダウンコンバージョンミキサ２３の拡大回路図であり、ダウンコンバージョンミキサ２３の入出力信号を示す。
【0022】
受信機２０は、バラン２１１と、受信ＬＯドライバ２２と、ダウンコンバージョンミキサ２３と、ＲＦマッチング回路２３１と、ＬＯマッチング回路２３２と、ＬＯ電源スイッチ２５と、終端回路２６と、ＬＯ信号スイッチ２７と、バイアスティー２８とを備えている。これら構成要素のうち、バラン２１１、受信ＬＯドライバ２２、ダウンコンバージョンミキサ２３、ＲＦマッチング回路２３１、ＬＯマッチング回路２３２、ＬＯ電源スイッチ２５、終端回路２６およびＬＯ信号スイッチ２７からなる部分は半導体チップ上に配置することができる。
【0023】
バラン２１１は、受信アンテナ２１が受信したシングルエンドのＲＦ信号を差動のＲＦ信号に変換する回路要素である。受信ＬＯドライバ２２は、入力される図略の基準クロック信号の周波数を逓倍して差動の受信ＬＯ信号を生成する回路要素である。受信ＬＯドライバ２２の構成については上述した通りである。ダウンコンバージョンミキサ２３は、差動信号が入力されて差動信号を出力する回路要素である。ダウンコンバージョンミキサ２３にはバラン２１１と受信ＬＯドライバ２２とが接続されている。ＲＦマッチング回路２３１は、バラン２１１とダウンコンバージョンミキサ２３とのインピーダンスマッチングを行う回路要素である。ＬＯマッチング回路２３２は、受信ＬＯドライバ２２とダウンコンバージョンミキサ２３とのインピーダンスマッチングを行う回路要素である。
【0024】
より詳細には、ダウンコンバージョンミキサ２３は、４個のトランジスタＭ１ないしＭ４をクロス接続したダブルバランスドミキサで構成されている。トランジスタＭ１のソースとトランジスタＭ４のソースとが互いに接続され、トランジスタＭ２のソースとトランジスタＭ３のソースとが互いに接続され、それらにバラン２１１の差動出力が接続されている。トランジスタＭ１のゲートとトランジスタＭ３のゲートとが互いに接続され、トランジスタＭ２のゲートとトランジスタＭ４のゲートとが互いに接続され、それらにＬＯ信号スイッチ２７を介して受信ＬＯドライバ２２の差動出力および終端回路２６が接続されている。トランジスタＭ１のドレインとトランジスタＭ２のドレインとが互いに接続され、トランジスタＭ３のドレインとトランジスタＭ４のドレインとが互いに接続され、それらから差動のＩＦ信号が出力される。
【0025】
ＬＯ電源スイッチ２５は、受信ＬＯドライバ２２への電源供給の有無を切り替える回路要素である。すなわち、ＬＯ電源スイッチ２５は、実質的に受信機２０の受信モードを切り替える受信モードスイッチである。終端回路２６は、ダウンコンバージョンミキサ２３の接続先として受信ＬＯドライバ２２の代替となる回路要素である。具体的には、終端回路２６は、キャパシタやオンチップ伝送ラインなどで構成することができる。なお、終端回路２６のインピーダンスはダウンコンバージョンミキサ２３の利得が最大になるような値に設定することが好ましい。ＬＯ信号スイッチ２７は、ダウンコンバージョンミキサ２３に受信ＬＯドライバ２２および終端回路２６のいずれか一方を選択的に接続する回路要素である。バイアスティー２８は、ダウンコンバージョンミキサ２３から出力される差動のＩＦ信号にＤＣバイアスを印加する回路要素である。バイアスティー２８から差動のＩＦ信号（ＩＦＯＵＴ／ＩＦＯＵＴＢ）が出力される。
【0026】
ＬＯ電源スイッチ２５およびＬＯ信号スイッチ２７は連動動作する。具体的には、図２Ａに示した通常受信モードでは、ＬＯ電源スイッチ２５は受信ＬＯドライバ２２を電源ＶＤＤに接続し、ＬＯ信号スイッチ２７はダウンコンバージョンミキサ２３と受信ＬＯドライバ２２とを接続する。一方、図２Ｂに示した近距離受信モードでは、ＬＯ電源スイッチ２５は受信ＬＯドライバ２２を電源ＶＤＤから切り離し、ＬＯ信号スイッチ２７はダウンコンバージョンミキサ２３と終端回路２６とを接続する。近距離受信モードでは、受信機２０は送信ＬＯ信号成分が含まれるＲＦ信号（ＲＦ＋ＬＯ２）を受信しており、バラン２１１からはその差動信号が出力される。ダウンコンバージョンミキサ２３を構成する４つのトランジスタＭ１ないしＭ４のゲートが終端回路２６によって終端処理されることで、ダウンコンバージョンミキサ２３は自己ヘテロダイン作用によりソースに入力されたＲＦ＋ＬＯ２の差動信号をダウンコンバートしたＩＦ信号を出力するソースポンプ回路として動作する。
【0027】
≪検証実験結果≫次に、図２Ａおよび図２Ｂに示した回路のポストレイアウトシミュレーション結果について説明する。なお、図２Ａおよび図２Ｂ中の電圧Ｖｇ＝０.４Ｖ、Ｖｄ＝０.９Ｖとした。図３Ａは、通常受信モードでのダウンコンバージョンミキサ２３の変換利得のグラフである。図３Ｂは、近距離受信モードでのダウンコンバージョンミキサ２３の変換利得のグラフである。縦軸は受信変換利得を表し、横軸はＲＦ周波数を表し、受信ＬＯ信号の周波数ｆＬＯ，ＲＸ＝３００．５ＧＨｚ、受信ＲＦ信号のパワーＰＲＦ＝−２０ｄＢｍである。近距離受信モードでは３００ＧＨｚ付近で変換利得がピークとなっているのに対して近距離受信モードでは広い周波数帯域で良好な変換利得を維持できている。３００ＧＨｚ付近に着目すると、入力ＬＯパワー（ＰＬＯ，ＲＸ）が同じ、すなわち、通常受信モードにおいて受信機２０内部で生成される受信ＬＯ信号のパワーと近距離受信モードにおいて受信ＲＦ信号に含まれる送信ＬＯ高調波成分のパワーとが同じであればどちらの受信モードでもほぼ同じ変換利得が得られることがわかる。なお、参考までに、Ｖｄ＝０Ｖにしたとき、すなわち、ダウンコンバージョンミキサ２３がパッシブ動作するときの変換利得を図３Ｂにおいて破線で示す。
【0028】
次に、送信機１０および受信機２０の試作品を作成し、それを用いたＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）通信の実験結果について説明する。図４Ａは、通常受信モードにおける１６ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図である。Ｖｇ＝０.４Ｖ、Ｖｄ＝０.９Ｖとし、送受信機間距離は４０ｃｍである。最大データレートは７.５６Ｇｂ／ｓ、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude）は１１．７％、受信機２０のＣＭＯＳ回路の消費電力は６４５ｍＷである。図４Ｂは、近距離受信モードにおける１６ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図である。Ｖｇ＝０.４Ｖ、Ｖｄ＝０.９Ｖとし、送受信機間距離は１ｃｍである。最大データレートは２５.９２Ｇｂ／ｓ、ＥＶＭは１３.４％である。図４Ｃは、近距離受信モードにおける３２ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図である。最大データレートは２４.３Ｇｂ／ｓ、ＥＶＭは８.６４％である。図４Ｄは、近距離受信モードにおける６４ＱＡＭ受信信号のコンスタレーション図である。最大データレートは１７.６４Ｇｂ／ｓ、ＥＶＭは６.２４％である。なお、近距離受信モードで動作する受信機２０のＣＭＯＳ回路の消費電力は通常受信モード時の１００分の１のわずか６ｍＷである。
【0029】
≪自動モード切り替え≫本実施形態に係るデュアルモード高速無線通信システム１００で正しく通信を行うには、送信機１０および受信機２０が互いに対応するモードで動作する必要がある。すなわち、送信機１０が通常送信モードで動作する場合には受信機２０は通常受信モードで動作する必要があり、送信機２０が近距離送信モードで動作する場合には受信機２０は近距離受信モードで動作する必要がある。送信機１０および／または受信機２０のモード切り替えはユーザーが手動で行うことができるが、それでは煩わしいため次のようにして自動でモード切り替えを行うこともできる。
【0030】
図５は、自動モード切り替えのフローチャートである。図６は、自動モード切り替えにおけるデュアルモード高速無線通信システム１００の一動作状態を示す図である。なお、自動モード切り替えに対応するために、送信機１０は、図１Ａおよび図１Ｂに示した構成に加えて、送信アンテナ１１に接続可能にされ、受信機２０から送信されるパルスのパワーを検知するパルスパワー検知器１６と、検知されたパルスパワーに応じて送受信機間距離を算出するプロセッサ１７とを備えている。また、受信機２０は、受信ＬＯドライバ２２が受信アンテナ２１に接続可能に構成されている。
【0031】
通信開始前において、受信機１０においてはパルスパワー検知器１６が送信アンテナ１１に接続され、パルスパワー検知器１６およびプロセッサ１７が動作可能状態にされる。受信機２０においては受信ＬＯドライバ２２が受信アンテナ２１に接続され、ＶＣＯ２２１が動作可能状態にされる。受信機２０においてＶＣＯ２１１から発生するパルス２００が受信アンテナ２２から送出される（Ｓ２１）。送信機１０において送信アンテナ１１がパルス２００を受信してパルスパワー検知器１６がパルスパワーを検出する（Ｓ１１）。送信機１０においてプロセッサ１７が検知されたパルスパワーから送受信機間距離を算出する（Ｓ１２）。例えば、この距離算出は、パルスパワーと送受信機間距離とを紐付けたルックアップテーブルを参照して行うことができる。
【0032】
送受信機間距離が算出されると、送信機１０が、受信機２０にその距離に応じた受信モードを要求し（Ｓ１３）、自身はその距離に応じた送信モードに遷移し（Ｓ１４）、遷移した送信モードで送信動作を開始する（Ｓ１５）。一方、受信機２０は、送信機１０から要求を受信すると、その要求された受信モードに遷移し（Ｓ２２）、遷移した受信モードで受信動作を開始する（Ｓ２３）。例えば、送受信機間距離が１０ｃｍよりも大きければ、送信機１０は受信機２０に対して通常受信モードで動作するように要求するとともに自身は通常送信モードでの動作を開始し、受信機２０は送信機１０から要求を受けて通常受信モードでの動作を開始する。これにより、送信機１０および受信機２０が互いに対応するモードで動作して送受信機間で正しく通信を行うことができる。
【0033】
通信中に（Ｓ１６でＮＯ、Ｓ２４でＮＯ）、受信機２０は、受信したＲＦ信号のパワーを測定し（Ｓ２５）、そのパワーから送受信機間距離を算出する（Ｓ２６）。例えば、この距離算出は、受信ＲＦ信号パワーと送受信機間距離とを紐付けたルックアップテーブルを参照して行うことができる。そして、受信機２０は、送受信機間距離と現在動作中の受信モードとの対応が取れているか否かを確認し、対応が取れていない場合には（Ｓ２７でＹＥＳ）、送信機１０に送信モードの切り替えを要求し（Ｓ２８）、自身は受信モードを切り替え（Ｓ２９）、受信動作を継続する（Ｓ２３）。送信機１０は、受信機２０から送信モード切り替えの要求を受けると（Ｓ１７でＹＥＳ）、その要求された送信モードに切り替え（Ｓ１８）、送信動作を継続する（Ｓ１５）。例えば、送信機１０および受信機２０が初めは通常送信モードおよび通常受信モードで動作していたが、受信機２０を持ったユーザーが送信機１０に近づくなどして送受信機間距離が縮まった場合には、受信機２０は送信機１０に対して近距離送信モードで動作するように要求するとともに自身は近距離受信モードでの動作を開始し、送信機１０は受信機２０から要求を受けて近距離送信モードでの動作を開始する。これにより、送信機１０および受信機２０が対応するモードで動作して送受信機間で正しく通信を行うことができる。
【0034】
≪効果≫本実施形態によると、受信機２０を、送受信機が離れている場合にはヘテロダイン受信機として、送受信機が近接している場合には自己ヘテロダイン受信機として動作させることができる。これにより、図７のグラフからわかるように、送受信機が離れていても近くても良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。さらに、送受信機が近接している場合には受信機２０の受信ＬＯドライバ２２の動作を停止させることで、受信機２０の消費電力を大幅に削減することができる。このような特徴を有する受信機２０は、近接する送信機１０から高精細画像データなどの大容量データを受信する用途、例えば、携帯情報端末や無線ストレージデバイスなどに有用である。
【0035】
≪変形例≫受信機２０の終端回路２６およびＬＯ信号スイッチ２７を省略して、近距離受信モードにおいて単に受信ＬＯドライバ２２をオフにするだけでもよい。
【0036】
受信機２０のダウンコンバージョンミキサ２３において、４個のトランジスタＭ１ないしＭ４のゲートにバラン２１１の差動出力を接続し、ソースにＬＯ信号スイッチ２７を介して受信ＬＯドライバ２２の差動出力および終端回路２６を接続してもよい。この場合、受信機２０は、近距離受信モードにおいてゲートポンプミキサとして動作する。
【0037】
送信機１０および／または受信機２０に、ＧＰＳ（Global Positioning System）やＩＰＳ（Indoor Positioning System）を組み込んで自機の位置が把握できるようにして送受信機間距離を検出するようにしてもよい。
【0038】
以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【符号の説明】
【0039】
１００…デュアルモード高速無線通信システム、１０…デュアルモード高速無線送信機、１２…送信ＬＯドライバ（ＰＬＬ）、１６…パルスパワー検知器（測距部の一部）、１７…プロセッサ（測距部の一部）、２０…デュアルモード高速無線受信機、２１１…バラン、２２…受信ＬＯドライバ、２３…ダブルバランスドミキサ、２５…ＬＯ電源スイッチ（受信モードスイッチ）、２６…終端回路、２７…ＬＯ信号スイッチ