JP2000078040A - 周波数変調信号受信方法及び装置 - Google Patents
周波数変調信号受信方法及び装置Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
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Abstract
ること。 【解決手段】列車検知信号として周波数変調信号を用
い、列車判定を車軸短絡による受信信号レベルの低下に
よる復調の有無で判断する方法において、列車判定のし
きい値を任意に設定する方法として、振幅依存性のある
復調処理を適用する際に、復調処理の前段に、信号の振
幅を増幅するゲイン処理と、ゲイン処理の出力信号の振
幅を一定値に制限するリミッタと、リミッタ処理による
高調波を除去するフィルタ処理を組み合わせることによ
り、復調可能な信号レベルの下限値をゲインによって任
意に設定することで、列車判定のしきい値を任意に設定
出来る処理を実現する。
Description
周波数変調信号の復調処理を用いた信号受信装置、特に
鉄道における軌道回路を用いた列車検知装置に関する。
方法として、線路の軌道を軌道回路と呼ばれる区間に電
気的に分割して、各軌道回路毎に列車の有無を検出する
方法がある。このような軌道回路では、一端から信号を
送信して他端で前記信号の受信を行い、列車が対象軌道
回路内に存在するときには列車の車輪が左右の軌道を短
絡して受信信号が低下することを利用して、受信信号の
レベル変化を観測し、受信レベルと列車ありと判定する
任意のしきい値とを比較することで列車の有無を判定す
るというものである。
囲の環境によって影響を受け、列車が存在しない状態の
レベルも異なり、列車の車輪による短絡の影響が前記受
信レベルに与える影響の状態も異なるため、任意のしき
い値は各軌道回路個別に設定可能にする必要がある。
タ特性で決まる周波数帯域の信号成分全ての影響を受け
るため、近傍の周波数帯域を使用する他の機器などが存
在する場合、これらの装置が用いる信号の雑音としての
影響を排除することが困難である。このような雑音の影
響が大きい場合、例えば列車が対象軌道回路内の範囲に
存在しているにも関わらず、受信信号レベルが雑音の影
響によって列車検知レベルより大きい値となった場合に
は、列車の有無の判断を誤ってしまう可能性がある。
て周波数変調信号を用いる方法として、特願平9−12526
1 号のものがあり、この出願によれば周波数変調信号を
用いると、受信した信号レベルの他にも受信信号に含ま
れる情報の正否を用いて列車有無の判断が出来るので、
雑音かどうかの判断をより正確に行うことができる。し
かし、受信信号に関して、列車の有無で変化する条件は
受信信号のレベル変化だけであるため、周波数変調信号
を用いる場合、受信部が復調処理を行うためには、振幅
の変化により、復調の可否を決定するような振幅依存性
を有する復調方法を使用する必要がある。このような条
件を満たす復調処理方法として、例えばPLL処理を用
いる方法が考えられる。PLL処理は設計時に入力信号
の振幅を予め設定し、入力振幅が小さくなると同期可能
な周波数範囲が小さくなり、この周波数範囲が周波数変
調信号の変調範囲を満足できなくなると同期条件が満足
できなくなることが定性的に示されている。これより同
期条件を満たせずに復調出来なくなるときの受信信号レ
ベルである復調下限レベルを計算で求めることができ、
列車検知レベルと復調下限レベルを一致するようにPL
L処理を設計するというものである。
なるため、復調下限レベルも軌道回路個別に設定する必
要がある。しかし全ての軌道回路個別に復調限界レベル
を設定したPLL処理を作成することは生産性の点から
現実には困難である。
の高い列車検出装置の生産性を向上することにある。
振幅依存性のある復調処理を行い、列車判定の信号レベ
ルのしきい値である列車検知レベルを任意に設定する方
法として、復調処理を適用する際に、復調処理の前段
に、信号の振幅を増幅するゲイン処理と、ゲイン処理の
出力信号の振幅を復調処理の設計入力振幅と等しい一定
値に制限するリミッタと、リミッタ処理によって発生す
る高調波を除去するフィルタ処理を行うことにより、復
調可能な信号レベルの下限値をゲインの値を変化させて
列車検知レベルと同じ値に設定することにより達成され
る。
ンプリング周波数が処理対象の周波数に対して、サンプ
リング周波数の奇数分の一の倍数となるように設定し、
かつフィルタの通過帯域を復調に必要な信号帯域より広
い値に設定し、かつ通過帯域を前記サンプリング周波数
の奇数分の一とすることにより、リミッタ処理で生じる
高調波のうち、奇数次の高調波の影響を最も効率的に除
去することができる。これにより、フィルタ処理の増加
による受信処理全体の処理量の増加を低減することが出
来る。
置の生産性を高めることができる。
る。ここでは、本発明を適用した装置として、鉄道にお
ける軌道回路を用いた列車検知装置の受信装置を考え、
かつ振幅依存性のある周波数変調信号復調処理としてP
LL処理を用いる場合を例に説明する。
列車が走行する軌道は一つ以上の軌道回路で構成され
る。各軌道回路は一端に周波数変調信号である列車検知
信号を送信する送信装置2と、他端に列車検知信号を受
信する受信装置3が接続してある。そして列車検知装置
1はこの送信装置と受信装置にネットワーク等の伝送路
を介して接続してある。
する前に本システムが行う処理の原理について説明す
る。
列車の車軸によって軌道が短絡されるため、受信装置が
受信する列車検知信号の受信信号レベルは、列車が軌道
回路の範囲内に存在しない状態と比較して、低いレベル
となる。この時、受信信号レベルが低下して列車ありと
判断する場合のしきい値となる受信信号レベルを列車検
知レベルと呼ぶ。
を設定できることが必要なので、列車検知レベルに合わ
せて復調出来る下限値である復調下限レベルを各軌道回
路個別に任意に設定する方法として、PLL処理部の前
段でゲイン処理部,リミッタ処理部,高調波除去フィル
タ処理部の順で処理を行う。
を復調下限レベルに合致させる信号増幅を行い、信号増
幅に必要な増幅率をゲイン情報としてゲイン情報保持部
より受け取る。
てPLL処理部が過大な入力を受けないように振幅を制
限する。
ミッタ処理で発生する高調波成分を除去する。
車検知装置の送信情報作成部が送信情報を作成し、送信
装置にネットワークを介して送信する。この送信情報は
列車検知装置内の受信情報照合部にも送られる。
けた送信情報を、周波数変調処理部で列車検知信号に変
換して軌道回路に送信する。
車検知信号に対して、まず雑音除去フィルタ処理部31
で受信信号に含まれる雑音を除去する。次にゲイン情報
保持部33よりゲイン情報を用いてゲイン処理部32で
受信信号の増幅を行う。次にリミッタ処理部34で受信
信号の振幅を制限する。次に、高調波成分除去フィルタ
処理部35で列車検知信号に含まれる高調波成分を除去
する。次にPLL処理部36で受信した列車検知信号の
変調成分を検出する。そして最後に受信情報作成部37
で変調成分より受信情報を作成して列車検知装置にネッ
トワーク等の伝送路を介して送信する。
信情報と受信情報を照合して軌道回路の範囲内の列車の
有無を検出し、検出結果を表示部に与えて表示し、また
信号制御部に送って信号の制御を行う。
関係についてレベルダイヤを示す。まず、列車検知レベ
ルと復調下限レベルを合わせる手順を示す。これは図2
の(1)の特性に当たる。PLL処理部の特性はPLL
処理に対する入力信号である受信信号の振幅に依存する
ので、最初に入力信号の振幅を定めてPLL処理部を設
計し、復調下限レベルを導く。例えば入力信号の振幅を
1.0 として設計した場合に、復調下限レベルが0.3
16 であったとする。ここで入力信号の振幅の設計値
1.0 を0[dB]とすると、PLL処理は−10[d
B]以上の信号レベルでは復調可能であることになる。
では、PLL処理の復調下限レベルと列車検知レベルを
合わせるための増幅率を各軌道回路毎に設定し、ゲイン
情報としてゲイン情報保持部で保持する。例えば軌道回
路の範囲内に列車が存在しないときの受信レベルが3.
16(+10[dB]に相当)で、列車検知レベルでの
振幅が0.0316(−30[dB]に相当)であったと
すると、復調下限レベルが0.316(−10[dB])で
あることより、ゲイン情報として10.0(+20[d
B]に相当)を設定すればよいことになる。
で増幅率を付加された受信信号について振幅を制限し、
PLL処理部の入力信号の最大振幅がPLL処理部の設
計時の振幅に合致する値にする。例えば列車検知レベル
での振幅が0.0316(−30[dB])、復調下限レベルが0.3
16(−10[dB])、増幅率が10.0(+20
[dB])の場合、軌道回路の範囲内に列車が存在しな
いときの受信レベルが3.16(+10[dB])の状態
では、ゲイン処理部の出力信号の振幅は3.16(+3
0[dB])となる。これに対してPLL処理部は入力
振幅の設定値は1.0(0[dB])であるため、過大レ
ベル入力となり、PLL処理が設計値に従って動作する
ことが困難となる。これに対してリミッタ処理部では、
PLL処理の入力振幅の設定値である1.0(0[d
B])を超える値を1.0(0[dB])に押さえて、PL
L処理部に対する過大レベル入力を回避する。このため
リミッタ処理部の入力振幅と出力振幅の関係は、PLL
処理部の設計時の振幅以下の範囲では入力振幅と出力振
幅の値は等しく、PLL処理部の設計時の振幅を上回る
場合では出力振幅をPLL処理部の設計時の振幅に等し
い値となる。この関係を図3に示す。
ミッタ処理部で発生した高調波を除去する。リミッタ処
理部の出力信号は、受信レベルがPLL処理部の設計時
の振幅を上回る場合には矩形波に近い状態となるため、
高調波成分が含まれている。リミッタ処理部の出力信号
を高調波を含んだ状態のままPLL処理部に入力する
と、高調波成分はPLL処理部に対して雑音成分となっ
て影響を与え、PLL処理部が設計した特性を満足でき
なくなる。そのため高調波除去フィルタ処理部で高調波
成分を除去することで、PLL処理部が設計に従って処
理を行うようにする。
と列車検知レベルが合致した入力信号を受けることが出
来る。
場合と存在しない場合について考える。例えば列車検知
レベルでの振幅が0.0316(−30[dB])、増幅
率が10.0(+20[dB])、PLL処理部の設計時
の入力振幅の設定値が1.0(0[dB])、復調下限
レベルが0.316(−10[dB])の場合につい
て、それぞれ以下に記す。
て考える。例えば受信レベルが0.0177(−35[d
B])であったとする。この時の特性は図2の(2)に
相当する。受信レベルは列車検知レベルの0.0316
より小さい値となる。この時、ゲイン処理部の出力は
0.177(−15[dB])となり、0.316(−10
[dB])より小さい値となる。
は、PLL処理部の入力振幅の設定値と等しい値で1.
0(0[dB])であるため、ゲイン処理部の出力は影
響を受けない。このためリミッタ処理部の出力は高調波
成分が生じないため、高調波除去フィルタ処理部にも影
響を受けない。この結果PLL処理部には振幅0.316
(−10[dB])より小さいレベルの信号である0.
177(−15[dB])の信号が入力される。これに対
してPLL処理部の復調下限レベルは0.316(−1
0[dB])であるため、復調することは出来ない。つ
まり列車検知レベルより小さい振幅の信号については復
調しないことになる。このため受信情報作成部は受信情
報を作成しないため、列車検知装置の受信情報照合部で
送信情報と受信情報が合致せず、軌道回路に列車が存在
することが検出できる。
ば受信レベルが3.16(+10[dB])であるとす
る。この時の特性は図2の(3)に相当する。受信レベ
ルは列車検知レベルの0.0316(−30[dB])よ
り大きい値となる。この時、ゲイン処理部の出力は0.
316(−10[dB])より大きい値である3.16(+
30[dB])となる。これに対してリミッタ処理の出
力振幅の最大値はPLL処理部の入力振幅の設定値と等
しい値の1.0(0[dB])であるため、ゲイン処理部
の出力のうち、1.0(0[dB])を超えるレベルは影
響を受けて振幅を制限され、リミッタ処理部の出力信号
は矩形波に似た信号となり、その振幅は1.0(0[d
B])となる。このためリミッタ処理部の出力には高調
波成分が含まれる。しかし高調波成分は、高調波除去フ
ィルタ処理部で除去されるので、高調波除去フィルタ処
理部の出力信号は高調波の除去された信号となり、振幅
はリミッタ処理部の出力信号と同じ値となり、最大で
1.0(0[dB])である。この結果PLL処理部には
振幅0.316(−10[dB])より大きく1.0(0
[dB])より小さい値の信号が入力される。これに対
してPLL処理部の復調下限レベルは0.316(−10
[dB])であり、かつPLL処理部は入力振幅の設定
値は1.0(0[dB])であるため、復調することが出
来る。つまり列車検知レベルより大きい振幅の信号につ
いては復調することになる。このため受信情報作成部は
受信情報を作成するため、列車検知装置の受信情報照合
部で送信情報と受信情報が合致する。これより軌道回路
に列車が存在しないことが検出できる。
は復調せず、列車検知レベル以上の信号レベルでは復調
することを定性的に示すことが出来る。以上述べたよう
にPLL処理部の前段にゲイン処理部とリミッタ処理部
と高調波除去フィルタ処理部を合わせた方法を用いるこ
とによって、列車検知レベルに併せて復調の可否を設定
することが可能となる。受信レベルと復調の可否の関係
を図4に示す。
する値はゲイン処理の増幅率だけであるため、PLL処
理部は設計を共通とすることが出来るため、生産性を高
めることが実現出来る。複数の軌道回路に適用する場合
の例を、図7に示す。
生じる入力信号の高調波成分を除去するため、主に矩形
波成分である奇数次高調波の影響を低減することが求め
られる。
う場合では、サンプリング周波数の4分の1の周波数を
通過帯域の中心周波数に設定すると、最も低い処理量で
必要な特性が得られることが知られている。
アス現象が生じるので、サンプリング周波数の4分の1
の周波数を入力周波数として通過帯域を設定すると、サ
ンプリング周波数の4分の1の周波数にある通過帯域と
同じ特性がサンプリング周波数の4分の3の周波数を中
心とした帯域にも存在する。このフィルタ特性に対して
矩形波を入力すると、奇数次高調波の周波数がサンプリ
ング周波数の4分の1の周波数にある通過帯域とサンプ
リング周波数の4分の3に生じる通過帯域に重なるた
め、必要な減衰が得られない。
の4分の1には合致しない帯域に設定する必要がある。
しかし、サンプリング周波数の4分の1からの差分が大
きい帯域を通過帯域とするフィルタは、一般により多く
の処理量が必要となる。これはディジタル回路の処理量
を増大させてコストの増加に繋がるため、差分はなるべ
く少ない値とすることが求められる。
主に奇数次高調波であることを利用して、入力周波数の
値を、サンプリング周波数の奇数次分の一の倍数に設定
することとし、かつ通過帯域を入力周波数を中心とした
サンプリング周波数の奇数次分の一より小さい帯域に設
定し、阻止帯域を入力周波数を中心としたサンプリング
周波数の奇数次分の一以外の全ての帯域とすることによ
り、高調波を効率的に除去するフィルタ処理を実現す
る。
必要な帯域を入力周波数を中心に±300[Hz]、フィ
ルタの通過帯域をサンプリング周波数の7分の2の帯域
に設定する場合について考える。図5にフィルタ特性を
示す。この例では、サンプリング周波数は7[kHz]と
なり、通過帯域の中心周波数は2[kHz]となる。この
場合、通過帯域の幅はサンプリング周波数の7分の1よ
り小さい帯域とする必要があるが、復調に必要な帯域は
入力周波数2[kHz]を中心とした±300[Hz]の
帯域幅であることより、復調に必要な帯域を損なうこと
はない。ここでは、通過帯域を2[kHz]を中心とし
た±300[Hz]の帯域とする。一方、阻止帯域は入
力周波数2[kHz]を中心としたサンプリング周波数の
7分の1以外の全ての帯域であるため、2[kHz]を
中心とした1[kHz]の帯域幅以外の全ての帯域とす
る必要がある。ここでは、1.5[kHz]以下の周波数
帯域と、2.5[kHz]以上の周波数帯域を阻止帯域と
する。
存在するので、サンプリング周波数の半分である3.5
[kHz]を超える周波数では、3.5[kHz]以下
の周波数特性が折り返しの状態で再現される。このため
通過帯域と同じ特性が3.5[kHz]以上の帯域にも
存在する。その通過帯域特性は、通過帯域である2.0
[kHz]を中心とした±300[Hz]以下の帯域
を、サンプリング周波数の半分である3.5[kHz]
で折り返した5.0[kHz]を中心とした±300
[Hz]以下の帯域となる。一方、阻止帯域特性も同様
に折返しとなるので、サンプリング周波数の2分の1に
当たる3.5[kHz]から4.5[kHz]までの範囲
と、5.5[kHz]からサンプリング周波数である7
[kHz]までの範囲が相当になる。
倍の値に存在する。ここでは入力周波数がサンプリング
周波数の7分の2であるので、高調波はサンプリング周
波数の7分の2の帯域の奇数倍の帯域に存在することに
なる。以下に第15次高調波までの存在する帯域を記
す。
であり、PLL処理で処理対象となる周波数成分であ
る。このため本フィルタ処理での通過帯域に当たる。こ
の周波数成分は入力周波数と同じ2[kHz]を中心と
した±300[Hz]の範囲に存在し、サンプリング周
波数の7分の2の帯域に相当する。
の3倍に当たる6[kHz]を中心とした±300[H
z]の範囲に存在し、これはサンプリング周波数7[k
Hz]の場合では1[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在することと等価である。このため
サンプリング周波数の7分の1の帯域に相当する。
の5倍に当たる10[kHz]を中心とした±300
[Hz[の範囲に存在し、これはサンプリング周波数7
[kHz]の場合では3[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在することと等価である。このため
サンプリング周波数の7分の3の帯域に相当する。
の7倍に当たる14[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在し、これはサンプリング周波数7
[kHz]の場合では0[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在することと等価である。このため
サンプリング周波数の7分の0の帯域に相当する。
の9倍に当たる18[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在し、これはサンプリング周波数7
[kHz]の場合では3[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在することと等価である。このため
サンプリング周波数の7分の3の帯域に相当する。
z]の11倍に当たる22[kHz]を中心とした±3
00[Hz]の範囲に存在し、これはサンプリング周波
数7[kHz]の場合では1[kHz]を中心とした±
300[Hz]の範囲に存在することと等価である。こ
のためサンプリング周波数の7分の1の帯域に相当す
る。
の13倍に当たる26[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在し、これはサンプリング周波数7
[kHz]の場合では2[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在することと等価である。このため
サンプリング周波数の7分の2の帯域に相当する。
の15倍に当たる30[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在し、これはサンプリング周波数7
[kHz]の場合では2[kHz]を中心とした±300
[Hz]の範囲に存在することと等価である。このため
サンプリング周波数の7分の2の帯域に相当する。
す。通過帯域と合致する奇数次高調波は、第13次高調
波以降の高調波となる。
波としてフーリエ変換より求める。フーリエ変換より、
第1次高調波に対する第13次高調波のレベルは、第1
次高調波を0[dB]とすると、第13次高調波は約−
24[dB]と求めることが出来る。これは例えばフィ
ルタ処理の通過帯域の減衰が0[dB]であり、リミッ
タの出力振幅が最大で1.0 とすると、第1次高調波成
分の振幅が1.0 であるのに対し、第13次高調波の成
分は振幅に変換して0.07 以下になる。これより第1
3次高調波の影響によってフィルタ処理の出力振幅は最
大で約1.07となり、効果的に高調波を除去すること
ができる。
分の2に存在するため、通過帯域がサンプリング周波数
の4分の1との差は小さく、フィルタ処理量の増加を低
く押さえることが出来る。これにより、効果的に高調波
を除去できることが示された。
に対して耐性の高い列車検出装置の生産性を向上するこ
とが出来た。
検知装置に適用する場合の装置構成を図8に示す。水槽
に発光装置と受光装置を対に設置し、発光装置は送信装
置に接続し、受光装置は受信装置に接続する。送信装置
と受信装置はネットワークを介して水質検知装置に接続
する。
光装置の発生する光の強さが、水質の透過率によって減
衰され、受光装置の受ける光の強さが一定値以下になっ
た場合に表示部に警告を表示し、かつ水質制御部に水質
の改善を指令する。
置の設置距離等によって変化するため、各発光装置と受
光装置の組毎に個別に定める必要がある。
で、水質検知のしきい値を各受信装置のゲイン情報とし
て設定することにより、水質検知のしきい値を任意の値
に設定可能なことは明らかである。
をとることによって、雑音に対して耐性の高い列車検出
装置の生産性を高めることが出来る。
を示した図である。
と受信信号レベルの関係を示した図である。
レベルと出力レベルのPLL処理の入力振幅の設計値に
対する関係を示した図である。
調可否の関係を示した図である。
数特性を示した図である。
数特性と奇数次高調波の関係を示した図である。
施例である。
成である。
…雑音除去フィルタ処理部、32…ゲイン処理部、33
…ゲイン情報保持部、34…リミッタ処理部、35…高
調波除去フィルタ処理部、36…PLL処理部、37…
受信情報作成部。
Claims (3)
- 【請求項1】入力された振幅依存性のある周波数変調信
号の復調処理を行う周波数変調信号受信方法において、
前記入力された入力信号の増幅率を、該入力信号の復調
する下限レベルが前記復調処理の復調下限レベルに合致
するように設定するゲイン処理を行い、前記復調処理の
入力信号の基準値以上のレベルを基準値以内に押さえる
リミッタ処理を行い、該リミッタ処理で生じる高調波を
除去するフィルタ処理を行い、該フィルタ処理の後に復
調処理を行う周波数変調信号受信方法。 - 【請求項2】請求項1において、前記フィルタ処理をデ
ィジタル処理で行う場合のサンプリング周波数を、処理
対象の周波数に対して、サンプリング周波数の奇数分の
一の倍数となるように設定し、同時に復調に必要な帯域
幅を含む前記フィルタの通過帯域幅を、前記サンプリン
グ周波数の奇数分の一の倍数を中心とした前記サンプリ
ング周波数の奇数分の一より小さい帯域となるように設
定し、かつ阻止帯域を前記サンプリング周波数の奇数分
の一の倍数を中心とした前記サンプリング周波数の奇数
分の一の帯域以外の全ての帯域とする周波数変調信号受
信方法。 - 【請求項3】入力された振幅依存性のある周波数変調信
号の復調処理を行う周波数変調受信装置において、入力
された入力信号の増幅率を該入力信号の復調する下限レ
ベルが前記復調処理の復調下限レベルに合致するように
設定するゲイン処理部と、前記復調処理の入力信号の基
準値以上のレベルを基準値以内に押えるリミッタ処理部
と、 該リミッタ処理部により処理した結果生じる高調波を除
去するフィルタ処理部と、 該フィルタ処理部で処理した信号を復調する復調処理部
とを有する周波数変調信号受信装置。
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