(57)【要約】無線通信装置は、無線回路が受信信号から回生し容量などに蓄積した電力量とそこに含まれる距離情報を損なわない状態でアンプとフィルタのゲイン・ノイズ特性制御信号を発生させることができる。データ変調された入力信号に対して、該信号の有する交流成分を直流成分に変換する整流回路と、整流回路から電力を受け必要な電力を供給する回路電源と、前記整流回路の出力を所定の時間間隔でサンプリングを行うサンプリング回路と、前記サンプリング回路の出力を離散処理し保有周波数成分を選択的に除去する離散フィルタと、前記離散フィルタから出力された直流成分を基に無線送信器、無線受信器に必要なバイアスを制御する電力制御手段とを含む無線通信装置。
2011108616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ変調された電気信号が入力される無線通信装置であって、
入力された信号に対して、該信号の有する交流成分を直流成分に変換する整流回路と、
前記整流回路から電力を受け必要な電力を供給する回路電源と、
前記整流回路の出力を所定の時間間隔でサンプリングを行うサンプリング回路と、
前記サンプリング回路の出力を離散処理し保有周波数成分を選択的に除去することが可能な離散フィルタと、
前記離散フィルタから出力された直流成分を基に無線送信器及び／又は無線受信器に必要なバイアスを制御する電力制御手段と、
を含む無線通信装置。
【請求項２】
前記回路電源と、前記離散フィルタとは前記整流回路の出力に電気的に接続されたデカップリングコンデンサを経由して整流回路からの電力を受けることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記サンプリング回路に供給するサンプリングクロックのデューティ比を選択的に制御することが可能なデューティ補正回路を含む請求項１又は２記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記離散フィルタは、前記サンプリング回路の出力に対して、低域通過特性を有する離散フィルタを含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１に記載の無線通信装置。
【請求項５】
前記デューティ補正回路は、前記回路電源への入力に対してサンプリング回路への入力が高インピーダンスとなるように制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の無線通信装置。
【請求項６】
自律的ネットワーク再構成機能を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の無線通信装置。
【請求項７】
データ変調された電気信号が入力される無線通信装置であって、
入力された信号に対して、該信号の有する交流成分を直流成分に変換する整流回路と、
前記整流回路から供給される電力を受け必要な電力を少なくとも無線受信器に供給する回路電源と、
前記整流回路の出力レベルに応じて無線送信器及び／又は前記無線受信器に必要なバイアスを制御する電力制御手段と、
を含む無線通信装置。
【請求項８】
前記回路電源と、前記離散フィルタとは前記整流回路の出力に電気的に接続されたデカップリングコンデンサを経由して整流回路からの電力を受けることを特徴とする請求項６記載の無線通信装置。
【請求項９】
前記整流回路の出力を所定の時間間隔でサンプリングを行うサンプリング回路と、
前記サンプリング回路の出力を離散処理し保有周波数成分を選択的に除去することが可能な離散フィルタと、を含み
前記電力制御手段は前記離散フィルタから出力された直流成分を基に無線送信器及び／又は前記無線受信器に必要なバイアスを制御することを特徴とする請求項７又は８記載の無線通信装置。
【請求項１０】
無線通信装置の制御方法であって、
データ変調された電気信号を受信し、
該電気信号の有する交流成分を直流成分に整流し、
整流された電力を受け必要な電力を少なくとも無線受信器に供給し、
整流された電力に応じて無線送信器及び／又は前記無線受信器のバイアスを制御することを特徴とする無線通信装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近距離無線ネットワークの低電力化に関し、特に、無線通信装置における電力の有効利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
個人エリア無線網（ＷＰＡＮ，Ｗｉｒｅｌｅｓｓ−Ｐｅｒｓｏｎａｌ−Ａｒｅａ−Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，想定通信距離  １ｍ〜１０ｍ程度）の普及、あるいは人体周辺無線網（ＷＢＡＮ，Ｗｉｒｅｌｅｓｓ−Ｂｏｄｙ−Ａｒｅａ−Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，想定通信距離  数ｃｍ〜３ｍ程度）の提唱・標準化作業進行に見られるように、数ｃｍ〜数ｍの近距離無線ネットワークのアプリケーション提案、およびそれらに応える技術開発が進められている。この近距離無線技術に固有の低電力（例：数年のバッテリ寿命）・低コスト化（例：チップ価格１ドル以下）の要望を満たす手段として、従来はディジタルＣＭＯＳ化を進めたＲＦ回路、あるいは制御・信号処理のディジタル化を進めたアーキテクチュアを採用することで、無線ＬＳＩのＣＭＯＳ微細化を行い、チップ面積削減・電源電圧低減が図られてきた。
一方で、問題意識としては上記要望を満たすという面で同じであるものの、ＣＭＯＳ微細化に頼らない方法で問題解決を図るアプローチも近年提案されてきている。例えば、加速度センサや太陽電池を用いて、チップに与えられた振動・光を電源への供給電力に変換し、センサネットワークなどの近距離無線端末をバッテリレスとするエネルギーハーベストと呼ばれる技術が提案されている。この方式によれば、微細化によって消費電力を削減せずとも、バッテリから供給すべき回路電力を低減、あるいは無とすることができる。微細化によって低電力化を図る方式では電源電圧を下げる必要があるが、電力比で１００ｄＢ以上ものダイナミックレンジを取る必要がある無線回路には低電源電圧は適さない。このため、エネルギーハーベスト技術は無線回路の性能を落とすことなくユーザのバッテリ交換の手間を無くすことが可能、という意味で微細化によって低電力化を図る方式よりも有利である。ただ、このエネルギーハーベスト技術においても上記のようにチップ外の加速度センサや太陽電池を必要とし、コスト低減にはなっていない。
微細化で低電力・低コスト化を図るアプローチでのＲＦ回路性能劣化、およびエネルギーハーベストでバッテリレスを図るアプローチでのコスト高騰、という問題を踏まえ、発明者は、本願出願後に公開される予定の特願２００８−２３２２８０（特許文献１）において、周波数多重信号から電力を回収するＬＳＩ技術を提案している。これによれば、通信相手となる送信器から必ず得ることができる通信エネルギをデータとして取り込むため、微細化によらずバッテリからの供給電力を削減することができる。さらに全て標準ＣＭＯＳでＬＳＩ上に作りこむことが可能であるので、エネルギーハーベストのようなコスト高騰の要因が無い。ただし、この電力回収ＬＳＩ技術も他の従来技術と同様、端末の電力のみを削減する技術であり、時々刻々と変化する無線ネットワーク全体の最適化を図って低電力化を図ることのできる技術ではない点が限界である。
非特許文献１は、無線受信回路における中間周波数制限増幅器（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）と受信信号強度出力検知器の低電力ＣＭＯＳ回路を提案している。回路はＣＭＯＳ回路で低電力化を図るとともに、受信回路の制御信号を発生させるために、受信器内でダウンコンバートされた中間周波数の信号強度が相手端末との距離情報を含む点に着目して、信号強度に応じた直流電圧成分を出力し、可変利得アンプなど受信ダイナミックレンジの制御信号としている。
図１は非特許文献に開示された内容の１部を示すもので、中間周波数入力１０１から入力された信号は７段の直列に繋げられた中間周波数増幅器１０２に送られ、それぞれの段で増幅される。各増幅段から分岐された出力は全波整流器１０４に送られ、平滑化フィルタ１０５で電圧レベルを電流レベルに変換された後、平滑化されて中間周波数入力１０１での信号振幅に応じた直流電圧が受信信号強度検知出力１０６に出力される。この信号は受信側初段の増幅器の利得制御などのために使用される。
特許文献２には、センシング機能とワイアレス無線通信機能を有する機能素子のエネルギー源として、搬送波の高周波エネルギを整流回路で直流にした後、コンデンサーに蓄え、機能部分の処理回路に使用することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２００８−２３２２８０
【特許文献２】特開２００４−１３４９８１
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｐｏ−Ｃｈｉｕｎ  Ｈｕａｎｇ，ｅｔ  ａｌ，”Ａ  ２−Ｖ  １０．７−ＭＨｚ  ＣＭＯＳ  Ｌｉｍｉｔｉｎｇ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ／ＲＳＳＩ”ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ  ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．３５，ＮＯ．１０，ＯＣＴＯＢＥＲ  ２０００  １４７４−１４８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１の技術は、受信信号強度を検知し、増幅器を制御するものの、電力回収機能を有するものではない。
非特許文献１は、また、全てアナログ信号の状態で扱うために、平滑化フィルタ１０５で必要な受動素子は非常に大きなものになる。この例では抵（８．３ｋΩ）・容量（１ｎＦ）はＬＳＩの外に置かれるほど大きなものになっている。
本発明の目的は、無線回路が受信信号から回生し容量などに蓄積した電力を通信装置内部で使用に供することができるとともに、アンプとフィルタのゲイン・ノイズ特性制御信号を電力量とそこに含まれる距離情報を損なわない状態で発生することのできる無線通信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、データ変調された電気信号が入力される無線通信装置であって、入力された信号に対して、該信号の有する交流成分を直流成分に変換する整流回路と、前記整流回路から電力を受け必要な電力を供給する回路電源と、前記整流回路の出力を所定の時間間隔でサンプリングを行うサンプリング回路と、前記サンプリング回路の出力を離散処理し保有周波数成分を選択的に除去する離散フィルタと、前記離散フィルタから出力された直流成分を基に無線送信器及び／又は無線受信器に必要なバイアスを制御する電力制御手段とを含む無線通信装置が得られる。
本発明のさらに別の視点によれば、無線通信装置の制御方法であって、データ変調された電気信号を受信し、該電気信号の有する交流成分を直流成分に整流し、整流された電力を受け必要な電力を少なくとも無線受信器に供給し、整流された電力に応じて無線送信器及び／又は前記無線受信器のバイアスを制御することを特徴とする無線通信装置の制御方法が得られる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施態様によれば、従来構成の無線受信器ではできなかった電力回収ができるとともに、アンプ等の制御信号を、回収電力とそこに含まれる距離情報を損なわない状態で発生することができる。このため、電力として取り出した受信信号成分から距離情報を読み取ることにより、アナログ制御を経てネットワークの再構成を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、従来の無線受信器における中間周波増幅器と受信信号強度検知の構成を示す図である。
図２は、発明の第一の実施の形態を示すブロック図である。
図３は、発明の第一の実施の形態の主要部分の詳細を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
図２は本発明の第１の実施形態によるネットワークの自律的再構成が可能な無線送受信器（無線通信装置）の構成を示すブロック図である。無線通信装置２００は、無線受信器２０４、無線送信器２０５、整流回路２０１、デカップリング容量２０２、回路電源２０３、測距回路２０６を含む。測距回路は、受信電気信号のレベルから距離情報を取得する機能を有する。測距回路２０６は、サンプリング回路２０８、離散フィルタ２０９、電力制御部２１０、デューティ補正回路２０７を含む。ここでは、空間を飛来する電磁波としての無線信号を、アンテナなどにおいて電気信号に変換した後の信号を扱うものとする。受信信号は、周波数多重信号の受信、シングルキャリア信号の受信のいずれでもよい。図において、無線通信において受信した信号は、並列に置かれた整流回路２０１と無線受信器２０４へ同時、あるいは時分割で入力される。無線受信器２０４に入力された信号は復調データ２１１としてディジタル信号が出力される。一方で整流回路２０１に入力された信号はデカップリング容量２０２へ送られ、電力として蓄えられる。ここで蓄えられる電力は回路電源２０３へ低インピーダンスで送られるのと同時に、並列に出力されサンプリング回路２０８において高い入力インピーダンスでサンプリングされる。回路電源２０３は電力を必要とする各ブロックへと送る。これ以降の構成は特許文献１と重なるのでここでは述べない。一方で、デカップリング容量２０２に蓄えられた電力はサンプリング回路２０８においてサンプリングされるが、このサンプリングクロックの有するデューティ比は、サンプリング回路２０８へのクロック入力に先立って置かれたデューティ補正回路２０７において補正される。また、サンプリング回路２０８はその出力が離散フィルタに供給される。サンプリング回路２０８から出力される信号は、周波数成分を持たないサンプルされたデカップリング容量２０２内の電力値とノイズ成分の両方を含むが、離散フィルタ２０９においてノイズ成分が除去され、デカップリング容量２０２内の電力値のみを持つことになる。このノイズ成分を除去された離散フィルタ２０９の出力信号は電力制御部２１０に送られ、アナログ値のまま無線送信器２０５や無線受信器２０４へ送られ、利得とノイズ制御の直流バイアス値に用いられる。測距回路２０６は、受信した受信電気信号の電力レベルから距離情報を取得して制御信号としている。本実施形態では、回収した電力量から無線送信器２０５、無線受信器２０４の制御信号を発生ために受動素子を用いるのではなく、サンプリング回路と離散フィルタを用いて処理している。
次に、図２のブロック図に加え、図３も参照しつつ、本実施形態の無線送受信回路の動作について詳細に説明する。送受信端末間のデータ通信を開始するに当たって、送信側はある一定強度で出力するとの規約の下に、各送信器の出力が同じになるように制御されているものとする。これにより、受信側で回収する電力量は送受信端末間の距離減衰に応じた値を持つことになる。この規約の下、上記のアンテナなどにおいて電気信号に変換された信号は、図３に示す整流回路２０１の中の整流子において全波整流、あるいは半波整流を受ける（この例では全波整流を示している）。整流された受信信号はデカップリング容量を充電する。デカップリング容量に現れる電位差は、後述の回路駆動電力として一定に消費される分を差し引いた電荷と容量値に応じた極板間電位差として表される。この電位差は送受信端末間の距離に応じて異なるため、距離情報を持っている。このため、デカップリング容量の保持する電力を回路電源と測距回路の双方へ供給して、回路駆動と距離測定へ分配して利用する。但し、容量に蓄積された電力は損失なしに回路駆動電力として供給すべきであり、かつ測距回路への入力信号は直流につき低インピーダンスでデカップリング容量から出力する必要がないため、前者は低インピーダンス出力、後者は高インピーダンス出力として扱うことが電力利用効率上、好適である。しかし、本回路のために高インピーダンスの信号処理系を受動素子で形成すると、抵抗などで過大なレイアウト面積を占有することになり、チップ価格の上昇を招く。このため、本実施形態では、信号処理により、必要とされる高インピーダンス処理系を形成する。まず、デカップリング容量に接続されたサンプリング回路２０８はサンプリングスイッチとサンプリング容量から成り、所定のサンプリング周波数に従ってデカップリング容量が保持している電位レベルをサンプリングし、サンプリング容量において蓄積される。ここでサンプリングクロックの周波数は、被サンプリング信号が直流および後述のノイズであるため、アンチエイリアスフィルタが高次とならず、含まれるノイズが離散フィルタで除去可能なナイキスト周波数を超えていれば良い。一方で、クロックのデューティ比を落とせば入力インピーダンスを絞った、すなわち、大きくすることになり、時間軸上の処理により直流付近の高インピーダンスを実現するため大面積パッシブ素子を用いた場合と等しい効果が得られる。
ただし、本方式のように時間軸上で入力インピーダンスを変える場合はデューティばらつきを補正する回路を追加する必要がある。図３のサンプリングクロック入力に先立つデューティ補正回路２０７がそれに相当する。また高インピーダンスで信号を入力する際は、低インピーダンスの場合に比べてノイズによる所望信号成分の撹乱をより大きく受ける。例えば、サンプリングスイッチのトランジスタサイズを小さくするあるいはサンプリングクロックのデューティ比を下げるなどにより測距回路への入力インピーダンスを高くした場合、サンプリング容量が受けられる電荷は小さくなり、容量値を小さくする必要があるが、これは瞬間的に流入するノイズによりサンプリング容量で保持される距離情報を含んだ値も、より大きく撹乱されることになる。この問題を解決するため、本構成による測距回路へ入力される所望信号は直流であり、この直流成分以外はノイズと見なし得る、かつこの部位で処理すべき信号はサンプリングされた信号であるという特徴を生かし、移動平均などサンプリング信号間の演算による低域通過フィルタを直列に接続して直流以外のノイズ成分を除去する。この構成により、非特許文献１に示すように従来はＬＳＩ外に設置することが求められる程度の大きな容量で形成される低域通過フィルタにてノイズを除去していた処理が、高インピーダンスの離散処理により等価な構成に置き換えられ、回生電力から省面積回路で距離情報となる直流成分を抽出することが可能となる。
上記により得られた直流成分は、電力制御部２１０内のミラー回路（図示せず）により無線受信器２０４に内蔵されている受信側アンプとフィルタ（図示せず）の利得とノイズ制御バイアス、無線受信器２０５に内蔵されている送信側アンプ（図示せず）の利得制御バイアスへと配分される。
次に、本実施の形態の効果について説明する。本実施の形態によれば、大面積の受動素子を用いず回生電力から距離情報を読み取り、送受信回路の電力が最も小さくなるように無線受信器内のアンプとフィルタ回路（図示せず）の入力制御バイアスを設定できる。このため、距離測定専用のディジタルベースバンドが不要のうえ、距離情報を読みつつ回生電力を回路駆動電力へと供給することが可能となる。
本実施形態で説明した無線通信装置は、整流回路と容量による直流電力の回収が可能な自律的ネットワーク再構成機能を供することができる。直流電力から、サンプリングクロックのデューティ比を制御することにより高インピーダンスで直流電圧レベルを読み取る。離散フィルタは、サンプリング回路で取得された信号を離散時間処理により平滑化し高インピーダンスで生じたノイズを除去する。離散フィルタで得られた直流信号から、ミラー回路などにより通信状態に応じて適応的に送信アンプおよび受信アンプとフィルタのバイアスへと配分し電力制御を行う。
本実施形態によれば、従来構成の無線受信器ではできなかった電力回収と距離測定を同時に実現できる。このため、電力として取り出した受信信号成分から距離情報を読み取ることにより、アナログ制御を経てネットワークの再構成を行うことが可能になる。また、回収電力から距離情報を入手する処理に、大面積受動素子を用いず、サンプリング回路と離散フィルタを使用しているのでコスト高騰を回避することができる。
この出願は、２０１０年３月３日に出願された日本出願特願第２０１０−０４６４７４号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【図１】
2011108616.tif 000003
【図２】
2011108616.tif 000004
【図３】
2011108616.tif 000005
【国際調査報告】
2011108616.tif 000006
2011108616.tif 000007