JP2006341842A

JP2006341842A - 列車内通信システム及び列車内通信方法

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Publication number: JP2006341842A
Application number: JP2006119925A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Arita; 節男有田; Yuji Ichinose; 祐治一ノ瀬; Daisuke Niima; 大輔新間; Hiroyuki Akiyama; 弘之秋山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP3874352B2; JP4575898B2; JP2004235752A

Abstract

【課題】車両に設置したスピーカーへ音声信号を送信するための放送線あるいはテロップ情報を送信するためのテロップ表示用通信線を利用して、列車走行中にも、運転室あるいは乗務員室と各車両に設ける通信手段間で安定した通信が可能な列車内通信装置を提供することにある。
【解決手段】運転室あるいは乗務員室１と各車両９、１０に通信装置５ａ、５ｂ、５ｃを設け、これらの通信装置５ａ、５ｂ、５ｃを放送線４で接続し、該放送線４には通信信号が放送装置２及びアンプ１１ａ、１１ｂに送信されないようにするための周波数スプリッタ３ａ、３ｂ、３ｃを設け、放送線４を通信線として通信装置５ａ、５ｂ、５ｃ間で通信を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は車両内への情報提供及び車両からの監視情報や保守データの送信又はこれらのいずれかを行う列車内通信装置に関する。

近年、列車内の乗客に対し各種情報の提供サービスが行われるようになってきており、専用の通信ケーブルを新たに敷設して客車入り口の上部に設置したテロップ表示器に情報を通信して表示させたり、無線を利用した車両内からの情報通信などがなされている。このような列車内の各種情報の提供について、従来技術としては次のものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。特許文献１には、専用の通信ケーブルを利用して、各車両に動画像を配信する技術が開示されている。また、特許文献２には、車両内の乗客が座ったまま所望の商品を無線通信により注文できる技術が開示されている。
特開２００２−２０９１９３号公報（段落〔００１２〕−〔００１７〕）特開２００２−２１５９１４号公報（段落〔０００５〕−〔００１２〕）

しかしながら、従来技術においては、各車両に動画像を配信するために、専用の通信ケーブルを新たに敷設する必要がある。ケーブルは、各車両の床下に敷設する構造となっており、狭隘部での敷設作業になり、その工事費が膨大になるという問題がある。さらに、各車両のケーブルは、車両連結部の各電気コネクタにより相互に接続されるが、空き端子がない場合には新たに敷設する専用の通信ケーブルを連結できなく、情報の配信ができないなどの問題が生じる。また、前記車両の床下には、走行性能向上や快適な走行のために、モータ駆動用、各種制御用の各種容量のインバータが取り付けてある。このインバータを構成するスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、サイリスタなどの半導体スイッチング素子）からは、そのオン・オフ動作によって電磁ノイズが発生する。この電磁ノイズは、スイッチング素子がオンあるいはオフした際に、回路内の配線によるインダクタンスや浮遊容量及びスイッチング素子のスイッチング速度によって決まる高周波ノイズである。この周波数を実験により評価した結果、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ、場合によっては数百ＭＨｚまで及ぶことが分かった。さらに、車両は、速度制御のためにモータ電圧の周波数が可変になっており、この周波数の基本波やその高調波が発生することにより数十ｋＨｚ以下の電磁ノイズも発生する。ノイズは低周波成分ほどパワーが高く、列車走行時における電磁ノイズは数ＭＨｚ以下が主体であることも分かった。さらに、列車走行中に、トロリー線（電車線とも言う）とパンタグラフ間の放電によって数ＭＨｚ程度までの電磁ノイズ、場合によっては数百ＭＨｚまでの電磁ノイズが発生し、これが前記通信ケーブルを用いた通信に影響を及ぼすことがある。このように、各車両の床下は、強い電磁ノイズ環境下であるため、前記専用ケーブルは耐ノイズ性を確保するためにツイストペア線、シールド付きツイストペア線、あるいは同軸ケーブルが必要となり、通信ケーブル自体が高価になる。

また、無線による通信については、車両内での通信はあまり障害がなく通信することが可能であるが、車両自体が金属であるため電波が遮断され、車両間の通信ができなくなり、無線から有線による通信に変換して車両間を有線で通信し、再び無線に変換しなければならなく、無線通信機器及び有線通信機器の数が増え、通信システムが高価なものになるという問題が生じる。一方、各車両には昔から放送線が敷設されている。最近では、文字情報を表示するテロップ表示器に情報を通信するためのテロップ表示用通信線も敷設されている。これらのケーブルをそのまま利用して情報を伝送することが実現できれば、新たなケーブル敷設工事が発生することもなく、各車両への情報配信を可能とするシステムを容易にかつ短時間で構築することが可能になる。

そこで、本発明の課題は、車両に設置したスピーカへ音声信号を送信するための放送線あるいはテロップ情報を送信するためのテロップ表示用通信線を利用して、列車走行中にも、運転室あるいは乗務員室と各車両に設ける通信手段間で安定した通信が可能な列車内通信装置を提供することにある。

なお、本発明における列車とは、電車及びディーゼル車などの鉄道列車に限らずモノレール車両、トロリー電車、タイヤ電車なども含む。

前記課題を解決するために、列車内通信装置は、運転室あるいは乗務員室と各車両に通信手段を設け、これらの通信手段を放送線あるいはテロップ表示用通信線で接続し、前記の放送線あるいはテロップ表示用通信線を通信線として通信を行う。そしてこれら通信手段は、複数の搬送波信号（マルチキャリアともいう）を用い、各搬送波信号に送信データを割り付けて通信するものであり、各搬送波信号に対してＳ／Ｎ（信号とノイズの強さの比）の値に応じて、送信データ割り付け量を変更して通信する。また、前記通信装置は、少なくとも通信信号を生成分解する変復調器と、前記変復調器の入出力信号様式と前記入出力信号とは異なる信号様式を相互に変換するプロトコール変換器とを備え、各車両あるいは所定間隔の車両に設置される第２の通信装置は前記第１の通信装置と同様の機能を備え、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置とをそれぞれのプロトコール変換器で直結して、前記ケーブルに接続し、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間で、プロトコール変換された信号で相互にデータの授受を行うことにより、安定した通信を行うものである。

また、列車内通信装置は、スピーカへの音声信号やテロップ表示器への情報信号の通信帯域より高い周波数帯域を通信帯域として利用し、両周波数帯域を分離する周波数スプリッタを放送線あるいはテロップ表示用通信線に接続して通信する。

そして、運転室あるいは乗務員室の通信手段（通信装置）と各車両との通信手段（通信装置）間での通信においては、車両内への情報提供及び車両からの情報送信又はこれらのいずれかを行う。

本発明によれば、Ｓ／Ｎの高い搬送波信号による通信や、Ｓ／Ｎの高い周波数帯域での通信により、トロリー線とパンタグラフ間の放電によって電磁ノイズが発生したり、列車のインバータが動作して電磁ノイズが発生しても、これに大きく影響を受けることなく、既設の放送線あるいは既設のテロップ表示用通信線を用いて車両内への情報及び車両からの情報又はこれらのいずれかを安定して送信することが可能になる。また、この通信のために新たなケーブル敷設工事を行う必要がない。さらに、乗客へ、広告情報、列車運行情報（現在の速度、次の停車駅、次の停車駅までの所要時間など）などの情報提供が可能になったり、乗客の状況（特に、マナーの悪い乗客の状況、盗難、セキュリティなど）をカメラで監視した画像情報や、モータ、インバータなどの機器の温度、振動、電圧、電流などの保守に必要な保守データを運転室あるいは乗務員室で収集したり、遠隔監視したり、集中管理することができるなどの効果がある。

以上、本発明によれば、列車走行時にノイズが発生してもこれに大きく影響を受けることなく、放送線やテロップ表示用通信線を用いて、車両への提供情報や車両からの監視画像や保守データを安定して通信することが可能になる。また、通信のために新たな通信線を敷設する工事を行う必要がない。さらに、監視画像や保守データは、列車内のセキュリティ及び走行状態などを遠隔監視するために使用することができるなどの効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明の実施形態は、（１）列車内の放送線を利用して運転室あるいは乗務員室と各車両間で通信する列車内通信装置である第一の実施形態と、（２）本発明の核心であり、通信装置間で一度プロトコール変換された信号で相互にデータ授受を行い、列車内の放送線を利用して、運転室あるいは乗務員室と各車両間で通信する第二の実施形態と、に大別して説明する。なお、本発明の実施形態における放送線は、車両に設置したスピーカへ音声信号を送信するための通信線であり、テロップ表示用通信線は、テロップ表示機にテロップ情報を送信するための通信線である。また、本発明の実施形態における列車とは、電車及びディーゼル車などの鉄道列車に限らずモノレール車両、トロリー電車、タイヤ電車なども含む。

〔第一の実施形態〕
図１は、第一の実施形態の列車内通信装置の構成を示す図である。運転室あるいは乗務員室１には、放送装置２が設置されており、各車両９，１０（Ｎ台の車両として図示している）に設置しているスピーカ１２ａ，１２ｂまでを放送線４で接続し、この放送装置２を利用して各車両の乗客や乗務員に音声による必要事項（次の停車駅の告知、呼び出しなど）の連絡がなされるが、この放送線４を共有して利用して、音声信号の伝送以外に乗客への情報提供サービス、乗客状況の監視画像や保守データの通信を運転室あるいは乗務員室１と各車両９，１０間で行う。運転室あるいは乗務員室１の放送装置２は、後記する周波数スプリッタ３ａを介して放送線４に接続されている。放送線４は、各車両９，１０の周波数スプリッタ３ｂ，３ｃを介してアンプ１１ａ，１１ｂに接続される。なお、放送線４は、２本の電線であるが、ここでは単線図で示している。アンプ１１ａ，１１ｂは、スピーカ１２ａ，１２ｂに接続される。さらに、運転室あるいは乗務員室１には、通信装置５ａが設置され、通信装置５ａは前記の放送線４に接続されている。この通信装置５ａは、情報提供装置６、監視装置７にも接続されている。監視装置７はカメラで監視した画像情報や、モータ、インバータなどの機器の温度、振動、電圧、電流などの保守に必要な保守データを通信装置５ａから取り込み、監視画像情報は、画像蓄積サーバ８に出力される。

情報提供装置６は、各車両の乗客に各種情報を提供するためのものであり、図示していないが、例えばニュース、野球などの実時間情報を無線受信機から取り込み、これを内部の記憶部に保存して、定期的に通信装置５ａに出力したり、広告情報、イベント案内、映画、録画情報などの各種データが記録されているＶＴＲやＣＤＲＯＭ、ハードディスク、メモリなどの記録媒体からの情報を読み出して通信装置５ａに出力したり、停車駅情報や到着時間情報などの列車運行情報、現在の列車の位置や始発駅からの走行距離を示す列車位置情報、停車駅でのドア開閉情報や空調運転状況などの列車情報などを通信装置５ａに出力する。一方、監視装置７は各車両に取り付けたカメラからの画像情報を後記するように通信装置５ａで受信し、この受信した画像情報を表示したり、画像蓄積サーバ８に記録させる。画像蓄積サーバ８は、所定時間分の画像情報を記録しており、例えば，必要に応じて記録媒体に書き込んで列車外に提供できるようにしてもよい。

各車両９，１０においては、通信装置５ｂ，５ｃは、放送線４に接続されていると共に、カメラ１３ａ，１３ｂ、表示装置１４ａ，１４ｂ、データ収集装置１５ａ，１５ｂにも接続されている。通信装置５ｂ，５ｃは、通信装置５ａから送信されてくる情報を受信し、表示装置１４ａ，１４ｂに出力する。この結果、前記した各種情報が表示装置１４ａ，１４ｂに表示される。表示装置１４ａ，１４ｂは、各車両に取り付けられ、乗客に対して共通の情報が提供される。また、表示装置１４ａ，１４ｂは、各車両ごとに、通信装置５ａから分岐して前記提供情報を表示させるようにしてもよい。また、加速度振動計１６ａ，１６ｂ、温度センサ１７ａ，１７ｂ、図示していないが電圧センサや電流センサなどの各種センサの出力であるデータは、データ収集装置１５で取り込まれ、保守データとして通信装置５ｂ，５ｃに取り込まれる。また、カメラ１３ａ，１３ｂで監視する監視画像情報も通信装置５ｂ，５ｃに取り込まれる。これらの保守データ及び監視画像情報は、放送線４を介して通信装置５ａに伝送され、監視装置７に出力される。カメラ１３ａ，１３ｂと通信装置５ｂ，５ｃは、専用のケーブル、例えばイーサネット（登録商標）ケーブルや同軸ケーブルで接続される。監視画像は動画あるいはこま落し画像で通信装置５ｂ，５ｃから伝送されるが、カメラ１３ａ，１３ｂが例えばウエブカメラの場合には、カメラ１３ａ，１３ｂからこま落し画像が出力されるために、このこま落し画像が通信装置５ｂ，５ｃから伝送される。また、ウエブカメラの場合には、イーサネット（登録商標）ケーブルでカメラ１３ａ，１３ｂと通信装置５ｂ，５ｃで接続する。

通信装置５ａと通信装置５ｂ，５ｃ間で通信する情報は、前記監視画像や保守データを含んだ大容量の情報であるため、少なくとも通信速度は、１Ｍｂｐｓ以上が要求される。このため、通信装置５ａと通信装置５ｂ，５ｃは、後記するメガヘルツ（ＭＨｚ）帯域を利用して大容量通信を行う。一方、音声信号は、約４ｋＨｚ以下の信号であり、両者の周波数に大きな差がある。この周波数の差を利用し、通信装置５ａと通信装置５ｂ，５ｃ間で通信するメガヘルツ（ＭＨｚ）帯域の通信信号が放送装置２、アンプ１１ａ，１１ｂに通信されないように、周波数を分離して通信することにより、両者の信号を一本の放送線４を利用して通信することが可能になる。この周波数分離のために周波数スプリッタ３ａ，３ｂ，３ｃを放送線４に接続している。なお、アンプ１１ａ，１１ｂは、音声信号の減衰を補償するために設けている。
放送線４は各車両の床下に敷設する構造となっており、床下から分岐してアンプ１１ａ，１１ｂを介してスピーカ１２ａ，１２ｂに接続されている。各車両間は、車両連結部の各電気コネクタにより相互に接続されている。前記車両の床下には、走行性能向上や快適な走行のために、モータ駆動用、各種制御用の各種容量のインバータが取り付けてある。

インバータを構成するスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、サイリスタなどの半導体スイッチング素子）は、そのオン・オフ動作によって電磁ノイズが発生する。この電磁ノイズは、スイッチング素子がオンあるいはオフした際に、回路内の配線によるインダクタンスや浮遊容量及びスイッチング素子のスイッチング速度によって決まる高周波ノイズである。この周波数を実験により評価した結果、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ、場合によっては数百ＭＨｚまで及ぶことが分かった。さらに、速度制御のためにモータ電圧の周波数が可変になっており、この周波数の基本波やその高調波が発生することにより数十ｋＨｚ以下の電磁ノイズも発生する。ノイズは、低周波成分ほどパワーが高く、列車走行時における電磁ノイズは数ＭＨｚ以下が主体であることも分かった。その一例を図３に示す。図３では放送線４に重畳されるノイズと通信の送信信号及び受信信号を合わせて示している。これらの関係については後記する。ノイズは、約１ＭＨｚ以下のパワーが高く、約５ＭＨｚ以上ではあまり高くないことが分かる。通信帯域としては１ＭＨｚ以上及び３０ＭＨｚ以下が望ましいが、５ＭＨｚ以上及び３０ＭＨｚ以下とすればさらに良い。しかし、両帯域でもノイズは重畳しており、この帯域を利用する通信にとって障害になってしまう。

通信装置５ａ，５ｂ，５ｃは、このようなノイズの影響を非常に低減した通信を可能にするものであり、図２を参照して以下に説明する。図１で示した通信装置５ａ，５ｂ，５ｃは同一構成であり、図２に示す通信装置５ａを基に説明する。通信装置５ａは、バンドパスフィルタ（ＢＰフィルタ）５０，６０、受信アンプ５１、送信アンプ５９、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）５２、ディジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）５８、等化器５３、復調器５４、変調器５７、アクセスコントローラ５５、プロトコール変換器５６からなっている。

通信装置５ａは、情報提供装置６や監視装置７とのインタフェースをとるために、プロトコール変換器５６を設けている。情報提供装置６や監視装置７は、パソコンをベースとした装置で構成すると各種汎用ソフトウェアを利用でき、情報管理やデータ処理などが容易になるため、プロトコール変換器５６は、例えばイーサネット（登録商標）やＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）などのインタフェースとすることが有効である。プロトコール変換器５６は、情報提供装置６から車両の乗客に提供するためのデータを受け取ると、このデータを通信装置５ａで扱う所定フォーマットの通信パケットに変換する。アクセスコントローラ５５は、プロトコール変換器５６からの通信パケットを受信すると、このデータを変調器５７に出力する。変調器５７は、別途入力している搬送波ごとのデータ割り付け量情報５５ｂに基づいて、各搬送波に前記データを割り付ける。このことをビット割り付けともいう。搬送波にデータが割り付けられた信号はＤ／Ａ５８によりアナログ信号に変換され、送信アンプ５９によって増幅され、ＢＰフィルタ６０を介して放送線４に出力され、通信装置５ｂ，５ｃに送信される。

一方、通信装置５ｂ，５ｃから送信されてきた信号は、ＢＰフィルタ５０によって通信帯域以外の信号を抑制し通信帯域の信号を受信アンプ５１に出力する。受信アンプ５１は、受信信号を増幅してＡ／Ｄ５２に出力し、Ａ／Ｄ５２によってディジタル信号に変換された信号が等化器５３に出力される。等化器５３は、放送線４の通信路歪（伝送路歪ともいう）を補正するためのものであり、通信路歪の補正処理を行った信号が復調器５４に出力される。復調器５４では、別途入力している搬送波ごとのデータ割り付け量情報５５ａに基づいて、各搬送波に割り付けられているデータを取り出し、アクセスコントローラ５５に出力する。アクセスコントローラ５５では、この取り出したデータを所定フォーマットの通信パケットに変換し、プロトコール変換器５６に出力する。プロトコール変換器５６は、この通信パケットを、情報提供装置６や監視装置７とのインタフェース（例えばイーサネット（登録商標）やＵＳＢなど）が取れるようにプロトコールの変換をして情報提供装置６や監視装置７に情報を出力する。

アクセスコントローラ５５は、復調器５４及び変調器５７にデータ割り付け量情報５５ａ，５５ｂを出力するが、この情報で示されるデータ割り付け量は常に一定ではなく、一定時間ごとに通信装置５ａと５ｂ間の通信特性に対して搬送波ごとにＳ／Ｎを推定（測定あるいは判定という）するか、あるいは通信時の伝送誤り率を評価し、これらの結果に応じて、搬送波ごとあるいは全搬送波に対してデータ割り付け量を変更する。またＳ／Ｎ（信号とノイズの強さの比）の推定と伝送誤り率の評価を併用してデータ割り付け量を変更しても良い。このように、通信装置５ａと５ｂ，５ｃ間で放送線４の通信特性（伝送誤りやＳ／Ｎ）をダイナミックに評価し、この結果に基づいて変復調の処理（データ割り付け量の変更）を変更することで伝送エラーを発生させないように通信することが可能になる。

図３に示したように、放送線４に重畳されるノイズは低周波ほどパワーが高い。具体的には、１ＭＨｚ以下が高く、７ＭＨｚ近傍でノイズの部分的なピークがあるものの５ＭＨｚ以上ではあまり高くない。通信装置５ａから通信装置５ｂにデータを送信するとして、通信装置５ａが放送線４に送信した信号の強さが図３に示したように一定であっても、放送線４の特性が周波数依存性を持っているため、通信装置５ｂで受信した信号の強さは、高周波ほど低下し、かつ変動している。これは、通信線のインダクタンスや通信線の往路及び復路間の静電容量により通信信号の減衰や、放送線４の分岐点や端点での反射などによるものである。安定した監視画像の通信（通信速度は１Ｍｂｐｓ程度以上）のためには、受信信号とノイズの強さの比（ｄＢ表現では差）であるＳ／Ｎを所定以上とする必要があり、受信信号の高周波帯域での減衰を評価すると、３０ＭＨｚ以下の周波数帯域を通信帯域として使用することが望ましい。帯域を狭くすると、通信速度が低くなるという問題があるため、通信帯域としては少なくとも１ＭＨｚ以上で３０ＭＨｚ以下が望ましい。さらに、通信帯域として５ＭＨｚ以上で３０ＭＨｚ以下の帯域を利用すると、ノイズの影響が低くなり、より安定した高速通信が可能である。等化器５３は、放送線４の通信路歪を補正し、復調器５４が正しくデータを復調するために必要である。等化器５３は、通信におけるプリアンブル信号を用いて通信路歪を評価し、この評価の結果を用いて通信路歪を補正する。図３のように、等化器５３は減衰した受信信号の通信路歪を補正するが、その際ノイズ成分も増幅されるためＳ／Ｎは改善されない。この等化器５３がなければ、通信路歪の影響でデータの復元にエラーが生じる。つまり伝送エラーになってしまう。この点についても後記する。

搬送波として使用帯域内で複数の搬送波（マルチキャリア）を用いる場合を例に、Ｓ／Ｎを評価してデータ割り付け量を変更する仕組みについて以下に説明する。図４にマルチキャリアのスペクトルを示す。帯域Δｆの搬送波は、使用帯域に複数割り当てるが、搬送波と搬送波が重ならないようにするために、搬送波間で所定帯域だけスペースを取るのが一般的である。各搬送波には所定の送信データのビットが割り付けられる。マルチキャリアの特殊なケースであるＯＦＤＭ（直交周波数多重分割）は、図５に示すように、搬送波のピーク点では、他の搬送波のパワーがゼロとなるように各搬送波が配置され、各搬送波の帯域をΔｆとすると、時間１／（Δｆ／２）での逆フーリエ変換による直交性の維持を図っている。このため、一般のマルチキャリアとは異なって、各搬送波が重なり合っても信号が復元可能であるため、使用帯域が一般のマルチキャリアより狭くて良く、周波数利用効率が一般のマルチキャリアより高いという特徴をもっている。なお、ＯＦＤＭもマルチキャリアの一種である。

搬送波を用いて通信する方式として、前記のような複数の搬送波を用いて通信する方式（マルチキャリア通信方式という）と、単一の搬送波（単一キャリアともいう）を用いて通信する方式（単一キャリア通信方式という）があり、いずれも搬送波（キャリア）にデータ（ビット）を割り付けて伝送する。このように搬送波（キャリア）にデータを割り付けて伝送するわけであるが、キャリアごとのＳ／Ｎによりそのデータ割り付け量には制限がある。マルチキャリア通信方式は、使用帯域内で複数の狭帯域のキャリアを設けて通信する方式である。このため、放送線４に重畳したノイズの内、特定の周波数のノイズのパワーが高いと、そのノイズの周波数に合致するキャリアのＳ／Ｎが他のキャリアよりも低くなり、そのキャリアへのデータ割り付け量が低くなるだけであり、全キャリアとして高いデータ割り付け量を維持できる。この結果、高い通信速度を確保することが可能である。このように、マルチキャリア通信方式は、複数のキャリアを用いて通信しているため、Ｓ／Ｎの低くなった特定の搬送波（キャリア）に対してデータ割り付け量が低くなるだけである。これに対して、単一キャリア通信方式では、特定の周波数のノイズのレベルが高いだけであっても、キャリアが一つであるため、そのキャリアに割り付けるデータ量が低くなり、マルチキャリア通信方式と比べ、かなり通信速度が低下する。特に車両における動きのある監視画像を伝送するためには１Ｍｂｐｓ以上の通信速度が必要であるために、単一キャリア通信方式より、マルチキャリア通信方式の方が適している。

各搬送波（キャリア）ごとに複数の波形（振幅と位相が異なる）を使用し、この波形にデータ（ビット）を割り付けて伝送するが、多数の送信波形を用いて伝送する際の変調は多値変調と呼ばれ、各キャリアごとのＳ／Ｎによりそのデータ割り付け量（ビット割り付け量ともいう）には制限があり、図６のような関係になっている。例えば、伝送誤り率を１／１０５に設定すれば、２５６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、ＱＰＳＫ、ＢＰＳＫでは、Ｓ／Ｎがそれぞれ約２２．５ｄＢ、約１７．７ｄＢ、約１３．５ｄＢ、約９．５ｄＢ、約６．３ｄＢ必要である。２５６ＱＡＭでは８ビットの割り付けが可能であり、６４ＱＡＭは６ビット、１６ＱＡＭは４ビット、ＱＰＳＫは２ビット、ＢＰＳＫは１ビットの割り付けが可能であり、Ｓ／Ｎが約６．３ｄＢ未満であれば、ビットの割り付けをしない。なお、ＱＡＭはＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＱＰＳＫはＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ、ＢＰＳＫはＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇと呼ばれ、ＱＡＭは振幅変調、ＱＰＳＫ及びＢＰＳＫは位相変調である。前記例では１２８ＱＡＭ、３２ＱＡＭなどを示していないが、その他のＱＡＭもある。なお、誤り訂正機能を付加することにより、伝送誤り率を１／１０５から１／１０７程度にすることが可能である。従って、例えば、通信速度が１Ｍｂｐｓであれば、確率的に１０秒に１回誤りが発生することになり、誤りが発生した伝送フレームあるいはパケットを再送することにより、何ら問題なく安定した通信が可能になる。

〔周波数スプリッタ〕
放送装置２から出力される音声信号は約４ｋＨｚ以下の信号であり、図１で示した通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信信号はメガヘルツ（ＭＨｚ）帯域を利用した通信であり、両者の周波数に大きな差があり、周波数の差を利用し、周波数を分割して通信することにより、両者の信号を一本の放送線４を利用して通信している。このために、図１で示したように周波数スプリッタ３ａ，３ｂ，３ｃを用いているが、３ａを例としてその構成を図７に示す。放送線４は単線図でなく、２本の電線で示している。周波数スプリッタ３ａは、放送線４の途中に高周波遮断フィルタ３ａ１を備え、高周波遮断フィルタ３ａ１を介して放送装置２に接続される。高周波遮断フィルタ３ａ１は、通信装置間で通信するメガヘルツ（ＭＨｚ）以上の信号を遮断させ、約４ｋＨｚ以下の音声信号を通過させることが目的である。このため、高周波遮断フィルタ３ａ１の代わりに低周波通過フィルタであってもよい。高周波遮断フィルタ３ａ１の遮断周波数は１００ｋＨｚで十分である。低周波通過フィルタの場合には遮断周波数は１００ｋＨｚで十分であるが、不必要な高周波を抑制させるために４０ｋＨｚ程度（４ｋＨｚの１０倍）で十分である。通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信は、各周波数スプリッタ３ａ，３ｂ，３ｃ間の高周波遮断フィルタ３ａ１間で挟まれる放送線４を利用して通信することになる。通信装置５ａ，５ｂ，５ｃには、通信帯域のみを通過させるためのバンドパスフィルタ（ＢＰフィルタ）５０，６０が設けられているため、音声信号が通信装置内に取り込まれることはない。以上のように構成することにより、音声信号と、通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信信号が混信することなく、周波数を分離して通信することが可能になる。

なお、放送装置２及びアンプ１１ａ，１１ｂは音声信号を通信するために、この音声信号の帯域のみを通過させるように、フィルタが組み込まれている場合がある。このフィルタは低周波通過、つまり高周波遮断フィルタであり、通信装置５ａのＢＰフィルタ５０及び６０で示したように、放送線とのインタフェースをとるところに設置されることになる。従って、図７に示した高周波遮断フィルタ３ａ１の機能をこのフィルタによって達成することが可能になる。この結果、図７の高周波遮断フィルタ３ａ１は取り外すことが可能になる。つまり、周波数スプリッタ３ａそのものが不要になり、通信装置５ａのＢＰフィルタ５０及び６０を放送線４に接続するだけで、放送線４を利用して、通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信が可能になる。当然、図１に示す放送装置２及びアンプ１１ａ，１１ｂ間で、通信装置５ａ，５ｂ，５ｃの通信に何ら影響を受けることなく、音声通信が可能である。

以上の実施形態では、放送線４を利用して通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信を可能とした。しかし、放送線４の代わりに、直流電圧や交流電圧を供給する電線を利用し、通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間で通信することが可能になる。この場合、通信装置５ａと直流電圧や交流電圧を供給する電線とのインタフェースが異なるだけであり、その他は同一である。この直流電源線又は交流電源線での構成を図８に示す。通信装置５ａは結合器６５を備え、この結合器６５を介して直流電源線あるいは交流電源線４１に接続される。結合器６５はコンデンサで直流電源あるいは商用周波数の交流電源の電圧をカットあるいは十分抑制させ、トランスのインダクタンスとこのコンデンサの静電容量の値で決まる高周波通過特性を持たせることにより、メガヘルツ（ＭＨｚ）の高周波を減衰させることなしに直流電源線あるいは交流電源線４１に重畳させるようにしている。直流電源あるいは交流電源がメガヘルツ（ＭＨｚ）帯域の通信信号に対して何ら影響されなければ、周波数スプリッタ３ａが不要になり、通信装置５ａを直流電源線あるいは交流電源線４１に接続するだけで通信が可能となる。このように、直流電源線あるいは交流電源線４１を利用して、通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信が可能になり、新たなケーブルを敷設する必要がなく、安価な通信手段を提供できる。

最近では、車両でのテロップ表示がなされるようになっているが、情報の出力元である運転室あるいは乗務員室１からの各車両のテロップ表示まで専用のテロップ用通信線が敷設されている。テロップ表示とは文字表示であり、時間当たりの情報量はあまり多くなく、例えば、９．６Ｋｂｐｓ程度の通信速度でデータを送信している。通信信号としては、一般にパルスコード変調された通信信号である。２値ＡＭＩ符号やその他の符号を使用しても通信帯域は２倍の１９．２ＫＨｚ程度である。通信信号のパワースペクトルの９６％はこの１９．２ＫＨｚの帯域であり、残りの４％が側波帯であり、ほぼ通信帯域は１９．２ＫＨｚ程度と考えて良い。従って、音声信号の帯域４ｋＨｚと異なるものの、通信装置５ａ，５ｂ，５ｃによる通信帯域であるメガヘルツ（ＭＨｚ）帯域とは周波数帯域が大きく異なっている。従って、テロップ情報の通信信号と通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信信号は図７に示す周波数スプリッタで分離することができる。従って、テロップ用通信線を利用して、図１に示す構成で通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信が可能になる。ただし、この場合には、放送装置２がテロップ情報出力装置となり、放送線４はテロップ用通信線となり、アンプ１１ａ，１１ｂとスピーカ１２ａ，１２ｂがテロップ表示装置になり、その他は変更ない。つまり、テロップ用通信線を利用して、通信装置５ａ，５ｂ，５ｃ間の通信が可能になり、新たなケーブルを敷設する必要がないという効果がある。

〔第二の実施形態〕
次に、列車内の放送線４を利用して、乗客への情報提供サービス、乗客状況の監視画像や保守データの通信を運転室あるいは乗務員室１と各車両９，１０間で通信する第二の実施形態について図９を用いて説明する。図９では車両９を示し、車両１０を示していないが、同一構成である。ただし、最終車両には、通信装置５ｂ１は不要である。列車は新幹線に代表されるように多数の車両が連結されており、新幹線の場合には現状で最大１６両編成であり、４００ｍの長さになる。従って、放送線４も同等あるいはそれ以上の長さになる。つまり、通信装置５ａ，５ｂとしては、通信距離が長く、通信信号の減衰が多くなり、かつインバータ機器からのノイズの影響を受けやすい環境である。この結果、編成車両台数が多い場合には、通信エラーが発生する可能性が高い。この問題を解決するために、各車両、あるいは所定間隔の車両に対して、図９の車両９に示すように、通信装置５ｂと５ｂ１間で一度プロトコール変換された信号で相互にデータ授受を行い、再び放送線４を利用して通信するようにしている。これにより、一度、通信信号がディジタル信号に変換され、Ｓ／Ｎが向上した後に、再び放送線４を利用して通信を行うことができ、前記問題を解決できる。フィルタ１８ａは、例えば、放送線４を利用して通信装置５ａから通信されてきた通信信号と通信装置５ｂ１から出力される通信信号が衝突しないようにするために、通信信号を遮断するためのブロッキングフィルタである。つまり通信信号であるメガヘルツ（ＭＨｚ）帯域の高周波のみを抑制し、音声信号はそのまま通過させるものである。従って、このフィルタの特性としては、図７に示した高周波遮断フィルタ３ａ１（低周波通過フィルタでも良い）と同じである。

以上説明した本発明は、前記した実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、電磁ノイズを発生するインバータが取り付けられた乗り物に限らず、外部からノイズが入ってくる環境、例えばインバータ機器の多い工場や地域などのノイズ源の近くを走行する乗り物などにも適用できる。

本発明の第一の実施形態を説明する図である。図１の通信装置５ａの構成図である。通信特性を説明する図である。一般のマルチキャリアのスペクトルを説明する図である。ＯＦＤＭのスペクトルを説明する図である。ガウス雑音下での通信誤り特性を説明する図である。図１の周波数スプリッタ３ａの構成例である。直流電源線又は交流電源線との接続構成例である。本発明の第二の実施形態を説明する図である。

符号の説明

１・・・運転室／乗務員室
２・・・放送装置
３ａ，３ｂ，３ｃ・・・周波数スプリッタ
４・・・放送線
５ａ，５ｂ，５ｃ・・・通信装置
６・・・情報提供装置
７・・・監視装置
８・・・画像蓄積サーバ
９，１０・・・車両
１３ａ，１３ｂ・・・カメラ
１４ａ，１４ｂ・・・表示装置
１５ａ，１５ｂ・・・データ収集装置

Claims

車両内への情報提供及び車両からの情報送信又はこれらのいずれかを行う列車内通信装置であって、運転室又は乗務員室と前記各車両とに通信手段を設け、前記通信手段を既設の放送線又は既設のテロップ表示用通信線で接続し、前記放送線又は前記テロップ表示用通信線を通信線として通信を行うことを特徴とする列車内通信装置。
前記列車内通信装置は、その通信手段において複数の搬送波信号を用いて各搬送波信号に送信データを割り付けて通信するものであって、各搬送波信号に対して、信号とノイズの比であるＳ／Ｎを推定又は測定し、推定又は測定したＳ／Ｎの値に応じて、各搬送波信号への送信データ割り付け量を変更して通信を行うことを特徴とする請求項１に記載の列車内通信装置。
前記列車内通信装置は、その通信手段において複数の搬送波信号を用い、各搬送波信号に送信データを割り付けて通信するものであって、各搬送波信号に対して伝送誤り率を評価し、この評価した伝送誤り率に応じて、各搬送波信号への送信データ割り付け量を変更して通信を行うことを特徴とする請求項１に記載の列車内通信装置。
前記列車内通信装置は、その通信手段において直交周波数多重分割通信方式によって通信を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の列車内通信装置。
前記列車内通信装置は、その通信手段において少なくとも１本の搬送波信号を用い、搬送波信号に送信データを割り付けて通信するものであって、搬送波信号に対してあらかじめ定められている、信号とノイズの比であるＳ／Ｎが得られるか否かを判定し、この判定結果があらかじめ定められているＳ／Ｎ以下の場合に、あらかじめ定められている異なった周波数に前記搬送波信号の周波数を変更して通信を行うことを特徴とする請求項１に記載の列車内通信装置。
前記列車内通信装置は、その通信手段において通信信号をより広い帯域に拡散して通信するスペクトル拡散通信方式によって通信を行うことを特徴とする請求項１に記載の列車内通信装置。
車両内への情報提供及び車両からの情報送信又はこれらのいずれかを行う列車内通信装置であって、運転室又は乗務員室と前記車両とに通信手段を設け、前記通信手段を列車内の放送線で接続し、前記車両に設けられているスピーカに接続している前記放送線の途中と、運転室又は乗務員室に設けられている放送装置に接続している前記放送線の途中とに、それぞれ周波数スプリッタを接続し、前記放送線を通信線として、前記周波数スプリッタを介して通信を行うことを特徴とする列車内通信装置。
車両内への情報提供及び車両からの情報送信又はこれらのいずれかを行う列車内通信装置であって、運転室又は乗務員室と前記車両とに通信手段を設け、前記通信手段を列車内のテロップ表示用通信線で接続し、前記車両に設けられているテロップ表示器に接続しているテロップ表示用通信線の途中と、運転室又は乗務員室に設けられている情報提供装置に接続しているテロップ表示用通信線の途中とに、それぞれ周波数スプリッタを接続し、前記テロップ表示用通信線を通信線として、前記周波数スプリッタを介して通信を行うことを特徴とする列車内通信装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の列車内通信装置であって、車両に設置した通信手段は、車両内へ提供する情報を複数のチャネルで選択できる情報に分割し、分割した情報を無線受信機による周波数のチャネル選択により受信可能とするために複数のチャネルの周波数に割り付けて送信する無線送信手段を、備えることを特徴とする列車内通信装置。
車両内への情報提供及び車両からの情報送信又はこれらのいずれかを行う列車内通信装置を用いて行う列車内通信方法であって、前記車両内からの監視画像及び保守データ又はこれらのいずれかの情報の送信と、運転室又は乗務員室からの前記車両内への情報の提供と、を含むことを特徴とする列車内通信方法。
車両内への情報提供及び車両からの情報送信又はこれらのいずれかを行う列車内通信装置の取り付け方法であって、前記車両の天井と車両外部の屋根の二重構造でできる空間と、前記車両の床の二重構造でできる空間と、前記車両の内側壁と外側壁の二重構造でできる空間とのいずれかに通信手段を取り付け、前記通信手段を前記車両の放送線又はテロップ表示用通信線で接続し、前記放送線又はテロップ表示用通信線を通信線とする列車内通信装置の取り付け方法。