JP2023131869A - 並列受信モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】多数チャネルのデジタル信号並列受信モジュールを複数且つ1種類の少数チャネル受信半導体チップで構成しつつ、信号伝送路のチャネル受信レベルモニタを可能にする並列受信モジュールの提供。
【解決手段】並列受信モジュールは、第1方向に並列した複数の信号伝送路と、それぞれが前記信号伝送路からの信号を受信可能な受信回路を含み、前記第1方向に並列した複数の受信チャネルを有する受信半導体チップと、を備え、前記複数の受信チャネルのうち少なくとも1つの受信チャネルは、前記信号伝送路からの信号の受信レベルをモニタするモニタ回路をさらに含み、前記受信回路と前記モニタ回路とを切り替えて前記信号伝送路と接続可能である。
【選択図】図1
【解決手段】並列受信モジュールは、第1方向に並列した複数の信号伝送路と、それぞれが前記信号伝送路からの信号を受信可能な受信回路を含み、前記第1方向に並列した複数の受信チャネルを有する受信半導体チップと、を備え、前記複数の受信チャネルのうち少なくとも1つの受信チャネルは、前記信号伝送路からの信号の受信レベルをモニタするモニタ回路をさらに含み、前記受信回路と前記モニタ回路とを切り替えて前記信号伝送路と接続可能である。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、並列受信モジュールに関する。
並列受信モジュールは、複数の受信チャネルを有しており、伝送信号の強度に応じた適切な受信レベルを設定する必要がある。また、並列受信モジュールとして例えば並列光受信モジュールにおいては、光ファイバアレイと、光ファイバアレイからの光信号を受信する受光素子アレイとの間で光軸合わせが必要である。
本発明の実施形態は、多数チャネルのデジタル信号並列受信モジュールを複数且つ1種類の少数チャネル受信半導体チップで構成しつつ、信号伝送路のチャネル受信レベルモニタを可能にする並列受信モジュールの提供を目的とする。
本発明の実施形態によれば、並列受信モジュールは、第1方向に並列した複数の信号伝送路と、それぞれが前記信号伝送路からの信号を受信可能な受信回路を含み、前記第1方向に並列した複数の受信チャネルを有する受信半導体チップと、を備え、前記複数の受信チャネルのうち少なくとも1つの受信チャネルは、前記信号伝送路からの信号の受信レベルをモニタするモニタ回路をさらに含み、前記受信回路と前記モニタ回路とを切り替えて前記信号伝送路と接続可能である。
以下に、各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。
高速デジタル信号伝送の形態として、主に高速シリアル伝送と並列(パラレル)伝送がある。高速シリアル伝送は、非常に大きな伝送帯域、例えば、100Gbps以上などの伝送帯域になると、伝送線路の物理限界や伝送モジュールの内部配線性能により高速化が難しくなり、また、送信モジュールの送信回路や受信モジュールの受信回路を集積化した半導体チップの性能および消費電力が破綻を来すという問題がある。一方、並列伝送は、情報処理LSI(Large Scale Integration circuit)などの最小単位処理速度で並列化すると膨大な数の伝送チャネルが必要となり、物理的な伝送路本数が破綻を来してしまう問題がある。
このため、非常に大きな帯域を必要とする信号伝送は、送信回路や受信回路を集積した半導体チップに極度の負荷がかからない信号帯域のシリアル伝送チャネルを複数並列して大容量化するハイブリッド伝送が一般に行われている。
この場合、各伝送チャネルを独立に非同期伝送する方法と、各伝送チャネルを同期して伝送する方法がある。前者は伝送チャネルの伝送帯域が非常に高くチャネル間同期が担保できない場合に用いられ、受信側でCDR(Clock Data Recovery)回路などタイミング抽出回路を伝送チャネル毎に設ける必要がある。このため、受信モジュールの消費電力が大きく、構成が複雑且つ大がかりになるという問題がある。一方、後者は特定チャネルにCDR回路を設ける、または、クロック専用伝送チャネルを設けて、複数チャネルを同期受信させるため、複数伝送線路の同期性を担保できる速度にチャネル帯域を抑制する必要がある。
前者は長距離通信などに適しており、装置内や近接装置間の伝送は、構成がシンプルで消費電力も比較的小さな後者が適している。前者はシリアルアレイ伝送とも呼べる方法であり、並列伝送の概念とは少し趣が異なる。以下、並列伝送は後者を指すものとする。
図4は、実施形態の並列伝送の概念を示すタイミングチャートであり、クロック受信チャネルの受信波形(クロック)40、データ受信チャネルの受信波形41~48が示される。これらの受信信号は、クロック40に同期して各データ受信チャネルの信号を判別する。例えば図4の破線で示すクロック40の立下りのタイミングで各受信チャネルのデータを判別する。
このとき、データ判別のタイミングに各受信チャネルの信号遷移領域が被らないことが必須であり、データを判別する全てのチャネルのデータ位相がこの範囲にあることが伝送要件(伝送可能帯域または同期可能チャネル数)となる。このため、総伝送帯域を幾つの伝送チャネルに分割するか、同期クロックを幾つの伝送チャネル単位毎に設けるかなどの並列伝送パラメータは、伝送路分散特性、チャネル等長性、送信回路および受信回路での信号遅延分散などにより決定される伝送チャネルの位相余裕により決定することになる。1つの同期クロックに対する伝送チャネルの並列数は、例えば、2、4、8、16、32などの単位に割り当てることができる。
非常に大容量、例えば、500Gbpsや1Tbpsの信号伝送をおこなうため、単位伝送チャネルの帯域を例えば2.5Gbpsとすると、それぞれ200チャネル、400チャネルといった並列伝送チャネルが必要になる。このような多数チャネルの並列伝送を1つの伝送モジュールで構成することは容易ではなく、一般的に8、16、32といった並列数を有する単位モジュールを複数用いて構成することが多い。単位モジュールの並列伝送チャネル数として、例えば、同期クロック1チャネルあたりデータ8チャネルを割当てて9チャネルを単位伝送チャネルとし、例えば、2単位伝送チャネル((1クロック+8データ)×2=18チャネル)を単位モジュールの並列伝送チャネル数とする。
上記した伝送チャネルの位相余裕は、データ判別のためのしきい値が受信波形の“H”レベルと“L”レベルの中央にある時が最大になる。このため、固定しきい値の受信回路では伝送チャネル損失などによる信号レベル変動があると、伝送チャネル位相余裕が必要以上に小さくなることがある。従って、受信回路では信号の受信レベルを検出し、データ判別のしきい値を最適化することが望ましい。
但し、データ判別しきい値はリアルタイム制御である必要はなく、伝送チャネルの変化(例えば、伝送ケーブルの変更など)や動作温度変化に応じた比較的緩やかな変動に追従できれば良く、信号伝送開始時の受信レベル設定や定期的な受信レベルモニタができていればよい。また、並列伝送する全チャネルをレベル検出する必要はなく、例えば、1つの同期クロックで並列伝送する単位伝送チャネルあたり1つのチャネルをモニタすることでもよく、更に、1つの並列受信モジュールあたり1つまたは2つのチャネルをモニタすることでもよい。
また、並列受信モジュールが光並列受信モジュールの場合、複数の光ファイバを例えば250μmピッチで一列に並べたリボン光ファイバを光受信モジュールに光結合する必要がある。一般に、光ファイバと光受信モジュールの受光素子との光結合を行うには、光軸調整が必要であり、特に、光ファイバがシングルモードファイバの場合は光軸調整が殆ど避けられない。
この光軸調整は、光送信モジュールの場合は光送信出力の平均値や光バイアス値(直流成分)を光パワーメータなどでモニタして実施できるが、光受信モジュールでは受信ダイナミックレンジを確保するためのAGC(Automatic Gain Control)回路、フロントエンド回路の雑音を低減するためのAOC(Automatic Offset Canceler)回路などを通して信号出力されることが多く、また、情報機器の入力論理レベルに適合したバイアス電圧を出力する場合やLVDS(Low Voltage Differential Signal)インターフェースなどのように出力電流が一定化されている場合があり、アナログ的に光結合の変化をモニタすることが必ずしも容易ではない。
このため、光受信モジュールでは、受光素子出力をモニタして光ファイバと受光素子を光結合したROSA(Receiver Optical Sub Assembly)を作成し、その後、ROSAと光受信回路を一体化した光受信モジュールに組み立てる方法が用いられることがある。
しかしながら、前述したような多数チャネルの並列伝送に用いる並列光受信モジュールでは、単位モジュールを例えば10~20個並列実装する必要があり、高密度に並列受信モジュールを実装する必要性から、単位モジュールを極小化する必要がある。光並列受信モジュールを小型化するため、ROSAを用いずに光軸調整を行うには光受信チャネルに光受信レベルモニタを備えることが望ましい。光受信レベルモニタは、例えば図5に示すように、受光素子(光電変換素子)21の出力信号(光電流)を電圧変換するTIA(Trans Impedance Amplifier)の出力電圧を引き出すことで可能になる。
但し、リボン光ファイバと受光素子アレイとの光結合(光軸調整)には、アレイ素子の中の2つのチャネルの光受信レベルをモニタ出来ればよい。2つの光受信レベルモニタは例えばリボン光ファイバの両端チャネルで行う。これは、最も離れた位置の光軸をモニタすることで光軸調整の精度を最大にできることによる。また、リボン光ファイバは、2、4、8、12チャネルが実質標準(デファクトスタンダード)となっており、前述の単位並列受信モジュールのように18chといったチャネル数を有する場合は、例えば12芯リボン光ファイバを250μmピッチのV溝アレイ基板に2本(24芯)固定して、受光素子アレイに光結合を行うことでもよい。この場合、光ファイバ24芯のうちのいずれを18チャネルに割当てるか種々のケースが考えられるが、いずれの場合でも、最も外側の動作チャネル2つで光軸調整用の受光レベルモニタを行えばよい。
このように、並列受信モジュールにおいては、単位並列伝送チャネルの内の1つまたは2つのチャネルに受信レベルモニタを備えることにより、最適受信レベルの設定や光並列受信モジュールの場合は光ファイバ結合のための光軸調整モニタが可能となり、並列伝送性能の向上やモジュールサイズの極小化が可能になる。
受信レベルモニタは、常時モニタとすることも可能であるが、モニタ回路の付加による受信回路の不均等性が受信チャネル間の信号遅延分散を増大させる要因となり易いため、定期的な受信レベルモニタ時や光軸調整時のみモニタ回路を接続する、モニタ切換え回路52を有することが望ましい。また、伝送チャネルの数に余裕ある場合には、受信レベルモニタ専用チャネルを、例えば、単位並列受信チャネル毎や単位並列受信モジュール毎に設けることでもよい。
図1に示す並列受信モジュール1は、第1方向Xに並列した複数の信号伝送路11を備える。並列受信モジュール1は、例えば、光並列受信モジュールであり、リボン(多芯)光ファイバ10を備える。リボン光ファイバ10は、ホルダ15に保持されている。信号伝送路11は、リボン光ファイバ10の光伝送路である。信号伝送路11は、第1方向Xに直交する第2方向Yに延びている。
また、並列受信モジュール1は、受光素子アレイ20と、受信回路アレイの受信半導体チップ30とを備える。なお、信号伝送路11は、光伝送路に限らず、電気信号の伝送路であってもよい。この場合、受光素子アレイ20は不要である。
受光素子アレイ20は、第1方向Xに並列した複数の受光素子21を有する。受光素子21は、例えば、フォトダイオードである。
受信半導体チップ30は、IC(Integrated Circuit)チップである。受信半導体チップ30は、第1方向Xに並列した複数の受信チャネル31を有する。それぞれの受信チャネル31は、信号伝送路11からの信号を受信可能な受信回路を含む。また、複数の受信チャネル31のうち少なくとも1つの受信チャネル31aは、信号伝送路11からの信号の受信レベルをモニタするモニタ回路をさらに含む。すなわち、受信チャネル31aは、他の受信チャネル31と同じ受信回路に加えて、図5に示すように切換え可能な受信レベルモニタ回路52をさらに含む。図6は、図5の機能を実現するための回路構成の一例である。図1に示す例では、モニタ回路を含む受信チャネル31aは、複数の受信チャネル31のうち第1方向Xの両端に位置する。
図5、図6において、受光素子21、TIA51、受信レベルモニタ回路とその切換え回路52、データ識別回路53、リミッタアンプ54、LVDS、CML(Current Mode Logic)などの論理レベルに整合するための出力バッファ回路55が示される。また、図6の制御回路56はデータ識別しきい値の制御回路であり、前述した受信レベルモニタ情報やデータ識別回路53のデータ識別結果情報によりデータ識別のしきい値電圧を変化させる。図6の受信レベルモニタ52は、一方のスイッチがONとなる場合にもう一方のスイッチがOFFとなる交互接続スイッチからなり、そのスイッチ状態は受信半導体チップ30の外部から制御できるよう構成しておけばよい。受信レベルモニタ52の切替制御としては、外部ロジック信号入力による制御や、受信半導体チップ30のボンディングパッドの一部を制御端子とし、ボンディングワイヤの接続組合せにより状態制御する、所謂ボンディングオプションであっても構わない。受信チャネル31と受信チャネル31aの違いは、受信レベルモニタ52の有無であり、その他の構成は全く同等とする。
光伝送路である信号伝送路11からの信号は、例えば、高速デジタル光信号である。受光素子21は、信号伝送路11からの光信号を受光して光電変換し、受信半導体チップ30の受信チャネル31に光電流を出力する。受信半導体チップ30の受信チャネル31の受信回路は、受光素子21から入力される光電流をデジタル電気信号に変換し、並列受信モジュール1の外部に出力する。
受信回路とモニタ回路の両方を含む受信チャネル31aは、信号伝送路11からの信号を受信回路またはモニタ回路を切り替えて信号受信する。モニタ回路は、例えば積分回路を含み、信号伝送路11からの高速信号の平均値を出力する。図1の構成の場合、モニタ回路は、信号伝送路11からの高速光信号により受光素子21が発生する高速光電流の高速電圧変換信号を例えば平均電圧値で出力する。
受信チャネル31aにおける、受信回路とモニタ回路との切り替えは、例えば、受信半導体チップ30に内蔵されるレジスタに格納されたプログラムの書き換えにより実行することができる。また、受信半導体チップ30へのボンディングワイヤの接続切り替えにより切り替えることができる。更に、複数の受信半導体チップ30は、リボン光ファイバ10と接続されたことを例えば光信号入力の有無によって検出し、受信チャネル31aにおける受信回路とモニタ回路の切り替えを行うことができる。
受光素子アレイ20と受信半導体チップ30は、例えば、モジュールパッケージに実装される。信号伝送路(この場合、リボン光ファイバ10の光伝送路)11は、受光素子21に光結合される。このとき、受信半導体チップ30の受信チャネル31aにおいては、受光素子21の出力がモニタ回路に接続される状態に切り替えることができる。受信チャネル31aにおいて、受光素子21の出力がモニタ回路に接続された状態をモニタチャネルと言い、図1において網掛けで表す。また、受信チャネル31aにおいて、受光素子21の出力がデータ受信回路に接続された状態を伝送チャネルと言う。
受信チャネル31aがモニタチャネルとして用いられるときの出力を、伝送チャネルとして用いられる出力端子と別の端子、例えばテスタなどのモニタ機器に接続する端子から出力することができる。このモニタチャネルの出力(信号伝送路11からの信号の受信レベル)から、信号伝送路11と受光素子21との光軸が合っているか否かを確認することができ、光ファイバ11と受光素子21の光軸調整が可能になる。
受信チャネル31aをモニタチャネルとして用い、光ファイバ11と受光素子21との光軸調整が終了した後、受光素子21の出力の接続先をデータ受信回路に切り替えることで、受信チャネル31aを他の受信チャネル31と同様に伝送チャネルとして使うことができる。
複数の受信チャネル31は、少なくとも1つを、モニタ回路を含む受信チャネル31aとすればよい。特に、複数の受信チャネル31のうち、第1方向Xの両端の2つを受信チャネル31aにすることで、光軸調整モニタとして用いる場合の光軸調整の精度を最大化できる。
信号伝送路11の並列数の増大に伴い、受信半導体チップ30の受信チャネル31の並列数も増える。1つの受信半導体チップ30内において受信チャネル31の並列数を増やすことは歩留まりの低下などによるコストアップにつながる。そのため、1つの受信半導体チップ30内における受信チャネル31の並列数はある程度の数で抑えておくことが好ましい。
そこで、信号伝送路11の並列数の増大に対して、図2及び図3に示すように、受信半導体チップ30の数を増やすことで対応することができる。信号伝送路11の並列数の増大に伴い、受光素子アレイ20における受光素子21の並列数も増大する。2つのリボンファイバ10と受光素子アレイ20を一括で光軸調整するため、受光素子アレイ20は一体のチップで形成することが好ましい。第1方向Xにおいて隣り合うリボン光ファイバ10間には、例えば被覆樹脂に相当するギャップを設ける必要性がある。このため、リボン光ファイバ10間のギャップをリボンファイバの光ファイバピッチの整数倍とし、受光素子アレイ20は、リボン光ファイバ10間のギャップに対応する位置も受光素子をリボンファイバの光ファイバピッチで形成して置くことで、2つのリボンファイバ全てに光軸整合することができる。これにより、等ピッチで多数アレイの受光素子を形成しておき、製造不良にあたる受光素子を前述のギャップ位置に相当するように受光素子アレイ20を切出すことで、救済可能な受光素子を増加、即ち、受光素子アレイ20の歩留りを向上することができる。また、リボン光ファイバ10間のギャップに対応する位置に受光素子として機能しないダミー素子22を形成してもよい。この場合、リボンファイバ10間のギャップを任意のピッチにすることができる。
図2及び図3の構成において、1つの受信半導体チップ30で対応しようとすると、受信半導体チップ30における受光素子アレイ20のダミー素子22に対応する位置に、チャネルとして機能しない無駄な領域が形成されることになる。信号伝送路11の並列数の増大に対して、複数の受信半導体チップ30を第1方向Xに間隔をあけて並べて対応することで、受信半導体チップ30間の領域をダミー素子22に対応する位置とすることができ、受信半導体チップ30に無駄な領域を形成しなくてよい。即ち、単位面積当たりのコストが非常に大きい半導体IC(受信半導体チップ30)のコスト増大を抑制できる。
図2に示す並列受信モジュール2は、第1方向Xに並列した2つの受信半導体チップ30を有する。図3に示す並列受信モジュール3は、第1方向Xに並列した3つの受信半導体チップ30を有する。なお、信号伝送路11の並列数に応じて、4つ以上の受信半導体チップ30を第1方向Xに並列してもよい。
複数の受信半導体チップ30は、同じ受信半導体チップである。例えば、それぞれの受信半導体チップ30は、第1方向Xにおける両端に、モニタ回路を含む受信チャネル31aを有する。
図2の並列受信モジュール2においては、2つの受信半導体チップ30の全受信チャネル31のうちの第1方向Xの両端に位置する受信チャネル31aをモニタチャネル(網掛けで表す)に切り替える。即ち、複数の受信チャネル31aのうち、第1方向Xにおいて他の受信半導体チップ30と隣り合わない受信チャネル31aのみモニタチャネルに切り替える。また、複数の受信チャネル31aのうち、第1方向Xにおいて他の受信半導体チップ30と隣り合う受信チャネル31aは伝送チャネルとして用いる。図2において左側の受信半導体チップ30の左端の受信チャネル31aをモニタチャネルに切り替え、右端の受信チャネル31aは伝送チャネルとする。図2において右側の受信半導体チップ30の右端の受信チャネル31aをモニタチャネルに切り替え、左端の受信チャネル31aは伝送チャネルとする。
図3の並列受信モジュール3においても、3つの受信半導体チップ30の全受信チャネル31のうちの第1方向Xの両端に位置する受信チャネル31aをモニタチャネル(網掛けで表す)に切り替える。即ち、第1方向Xにおいて他の受信半導体チップ30と隣り合わない両端の受信チャネル31aのみモニタチャネルに切り替える。図3において左側の受信半導体チップ30の左端の受信チャネル31aをモニタチャネルに切り替え、右端の受信チャネル31aは伝送チャネルとする。図3において右側の受信半導体チップ30の右端の受信チャネル31aをモニタチャネルに切り替え、左端の受信チャネル31aは伝送チャネルとする。第1方向Xにおいて、両端に位置する受信半導体チップ30の間に位置する受信半導体チップ(図3の例では中央に位置する1つの受信半導体チップ)30の受信チャネル31aは全て伝送チャネルとする。
これにより、複数の受信半導体チップ30を備える並列受信モジュールにおいて、左端用の受信半導体チップ、右端用の受信半導体チップ、中間用の受信半導体チップといった3種類の受信半導体チップを用意する必要が無くなり、1種類の受信半導体チップで図1~図3の全ての並列受信モジュールを構成することができる。
これにより、複数の受信半導体チップ30を備える並列受信モジュールにおいて、左端用の受信半導体チップ、右端用の受信半導体チップ、中間用の受信半導体チップといった3種類の受信半導体チップを用意する必要が無くなり、1種類の受信半導体チップで図1~図3の全ての並列受信モジュールを構成することができる。
本実施形態によれば、受信半導体チップ30の第1方向Xにおける配置位置に応じて、その受信半導体チップ30が有する受信チャネル31aをモニタチャネルにするか伝送チャネルにするかを設定する。これにより、複数の受信半導体チップ30を並列する必要がある並列受信モジュールを、1種類の受信半導体チップ30で構成して低コスト化を図ることができる。また、同時に信号伝送路11と受信半導体チップ30の受信チャネル31との間の軸合わせを可能にするモニタチャネルの確保が可能となる。
受信チャネル31は、例えば図4に示すように1つのクロックチャネルと8つのデータチャネルを並列伝送単位として用い、並列伝送単位の中のデータチャネル全てを同じ同期クロックでデータ判別を行う。このため、図7に示すように並列伝送単位内のチャネルの配置として、中央にクロックチャネルを配置することでデータチャネル間のクロック分配タイミングが均等化し易くなる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1~3…並列受信モジュール、10…リボン光ファイバ、11…信号伝送路、20…受光素子アレイ、21…受光素子、22…ダミー素子、30…受信半導体チップ、31…受信チャネル、31a…モニタ回路を含む受信チャネル、40…クロック受信チャネル、42~48…データ受信チャネル、51…TIA、52…受信レベルモニタ回路および切換え回路、53…データ識別回路、54…リミッタアンプ、55…出力バッファ、56…データ識別しきい値制御回路
Claims (5)
- 第1方向に並列した複数の信号伝送路と、
それぞれが前記信号伝送路からの信号を受信可能な受信回路を含み、前記第1方向に並列した複数の受信チャネルを有する受信半導体チップと、
を備え、
前記複数の受信チャネルのうち少なくとも1つの受信チャネルは、前記信号伝送路からの信号の受信レベルをモニタするモニタ回路をさらに含み、前記受信回路と前記モニタ回路とを切り替えて前記信号伝送路と接続可能である並列受信モジュール。 - 前記信号伝送路は、光ファイバの光伝送路であり、
前記光伝送路からの光信号を受光して、前記受信半導体チップの前記受信チャネルに電気信号を出力する受光素子アレイをさらに備える請求項1に記載の並列受信モジュール。 - 前記モニタ回路を含む受信チャネルは、前記複数の受信チャネルのうち前記第1方向の両端に位置する請求項1または2に記載の並列受信モジュール。
- 複数の前記受信半導体チップが、前記第1方向に並列している請求項1~3のいずれか1つに記載の並列受信モジュール。
- 前記信号伝送路からの信号は、高速デジタル信号であり、
前記モニタ回路は、前記高速デジタル信号の直流成分もしくは平均値を出力する請求項1~4のいずれか1つに記載の並列受信モジュール。
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