JP2011173486A - 軌道回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道回路の受信装置における検波出力のサンプリングにおいて、シンボル周期に対してオーバーサンプリングして符号の判定回数を増やし、無信号の状態でノイズを受信する場合の誤り見逃し率（ノイズを信号有と誤判断する確率）を下げることを課題とする。
【解決手段】ビット判定部２３４では、シンボル周期の１／ｎ（整数）の周期でサンプリングした復調符号を求める。検定符号記憶部２３６は、送信装置側で変調に用いている送出符号の各ビットをｎ回ずつ繰り返したｎ倍長符号を検定符号として記憶しており、検定部２３５は、復調符号と検定符号が一致するか判定する。在線判定部２０４で、レベル判定結果と併せて在線状況を判定する。
【選択図】図９

Description

本発明は、ディジタル変調信号使用の軌道回路受信器に係り、誤り見逃し率を低減させる技術に関する。

鉄道において列車を検知するデバイスとして軌道回路がある。これは、レールに電流を流し、列車の有無により受信する電流が異なることを利用して列車の有無を検知するものである。通常、列車が存在しない場合に信号有となり、列車が存在する場合に信号無となる。また、レールが破断している場合や信号が流れる回路が切れている場合も同様に信号無となる。このように、列車が在線している場合やレールが破断している場合には、基本的に信号が受信されないはずである。

しかし実際には、電化区間において車両等から変電所に向かってレールに電流が流れており、この一部がノイズとして軌道回路の受信器に受信されることがある。このノイズが受信されると信号有として扱われるため、仮にレールが破断している場合でも列車無の状態（進入可能）であると誤判断される恐れがあり、危険である
このような事態を回避するためには、ディジタル変調方式の信号による軌道回路を用いることが有効である。ディジタル変調方式の軌道回路の場合には、受信器において本来の送出信号と、車両等から発生するノイズとを区別するために、送信器においてディジタル変調により送信する信号を符号化し、受信器において受信した信号に対して符号検定を行う。符号検定の結果、受信信号が本来の信号ではない場合には、信号無として扱い、列車有の状態（進入不可）であると判断する。これにより、危険側誤動作を防止できる。

この検定における誤り見逃し率（ノイズを信号有と誤判断する確率）を所定基準以下にするためには、一定の符号長が必要となるが、その符号を判定する時間は、符号の伝送時間に依存することになる。

しかし、軌道回路では多くの場合高いビットレートは確保できない。例えば５０／６０Ｈｚの商用周波数やその半分の２５／３０Ｈｚといった非常に低い搬送周波数を使用しているものが多い。それより高い周波数を採用する場合でも電源高調波のノイズを避けるため、伝送帯域として３０〜１００Ｈｚ程度しか確保できない場合が多い。

このような１００Ｈｚ以下の伝送帯域におけるビットレートはせいぜい数１０ｂｐｓ程度にとどまり、符号の判定に数秒も掛かることになる。

特開２００１−２１９８４９号公報 特開２００２−３３７６８６号公報

本願発明は、ディジタル変調方式の信号による軌道回路における符号の判定時間を短縮することを課題とする。

軌道回路装置は、
軌道回路に接続され、所定のシンボル周期で、所定の送出符号をディジタル変調し、変調信号を送信する送信装置と、
軌道回路に接続され、変調信号を受信し、ディジタル復調により上記シンボル周期の１／ｎ（整数）の周期でサンプリングした復調符号を求め、上記送出符号に含まれる各ビットをｎ回ずつ繰り返したｎ倍長符号と復調符号が適合するか判定し、適合する場合に信号有と判定する受信装置からなることを特徴とする。

また、
受信装置は、受信した変調信号の信号レベルを判定し、ｎ倍長符号と復調符号が適合することに加えて、所定の信号レベルを有することを条件として、信号有と判定することを特徴とする。

また、
受信装置は、ｎ倍長符号又はｎ倍長符号の各ビットをローテートした検定符号のいずれかと復号符号が一致する場合に、ｎ倍長符号と復号符号が適合すると判定することを特徴とする。

また、
ｎは、２から４までのいずれかであることを特徴とする。

本願発明においては、軌道回路の受信装置における検波出力のサンプリングにおいて、シンボル周期に対してオーバーサンプリング（シンボル周期を分割した複数回のサンプリング）を行い符号の判定回数を増やしているので、無信号の状態でノイズを受信する場合の誤り見逃し率（ノイズを信号有と誤判断する確率）を下げることができる。特に、伝送帯域を広げる必要がなく、また符号長を延ばす必要もなく、無信号時のノイズ受信による危険側誤りを低減することができる点で優れている。

図１は、通常のサンプリングによる検定の概要を示す図である。 図２は、オーバーサンプリングによる検定の概要を示す図である。 図３は、ノイズに対するオーバーサンプリングによる検定の概要を示す図である。 図４は、通常のサンプリングによる誤り見逃し率に関する図である。 図５は、オーバーサンプリングによる誤り見逃し率に関する図である。 図６は、通常のサンプリングによる誤り率に関する図である。 図７は、オーバーサンプリングによる誤り率に関する図である。 図８は、ディジタル変調方式による軌道回路の送信装置の構成を示す図である。 図９は、ディジタル変調方式による軌道回路の受信装置の構成を示す図である。 図１０は、実施の形態２に係る符号判定部の構成を示す図である。

まず、本願発明に係る受信側の検定の概要について説明する。受信側で、検波出力に対して一定の判定値を設けてビットを判定する。

通常の列車検知信号を送受信している状態では、送信側においてシンボル周期の単位で送信信号を切り替えているため、受信側における判定値の変化は、シンボル周期の単位毎のタイミングで発生することになる。一方、送信信号と関係のないノイズを受信する場合には、その判定値の変化は任意のタイミングとなる。この点に着目して、受信側における検定の精度の向上を図っている。

図１は、通常のサンプリングによる検定の概要を示す図である。本来のサンプリングであれば、シンボル周期毎に符号の判定を行なう。図１のように、検定符号が６ビットの「０１００１１」である場合には、シンボル周期毎に１ビットをサンプリングして、順次検定符号の１ビットと一致するかを判定する。このとき、受信側で用いる検定符号は、送信側の送出符号に対応して設定されている。通常の検定符号は、送出符号と同じ符号長であり、送出符号と同一の符号語である。また送出符号を巡回符号として１つの符号を繰り返して連続して送出し続ける場合、検定符号として送出符号を１ビットずつローテートした符号語も含んでいる。ローテートした符号語も検定符号として比較の対象とする理由は、受信側で復調された符号列の中から、符号語としての開始位置を特定せずに検定するためである。

図２は、オーバーサンプリングによる検定の概要を示す図である。本願発明では、シンボル周期を分割して複数回のサンプリング（オーバーサンプリング）を行ない、判定する。オーバーサンプリングによる場合は、ビット判定の周期をシンボル周期Ｔの１／ｎとし、更に検定符号を通常のｎ倍の長さとする。つまり、従来１回のビット判定を行っていた期間に、ｎ回のビット判定を行なう。また、検定符号は、送出符号の各ビットをｎ回ずつ繰り返した、全体としてｎ倍長の符号語である。

図２は、ｎ＝３のオーバーサンプリングを行う場合の例を示している。本来の１ビットに相当するシンボル周期内で３回サンプリングして、３回符号の比較を行っていることを示している。この例における検定符号は、「０００１１１００００００１１１１１１」及び、これを１ビットずつローテートした符号語である。

図３は、ノイズに対するオーバーサンプリングによる検定の概要を示す図である。ノイズに対してオーバーサンプリングを行うと、シンボル周期に関わらず任意の位置でビットが切り替わることになる。ｎ倍＋１番目のビットで切り替わるとは限らず、他の位置でも極性が切り替わる。この例では、５番目のビットと８番目のビットで極性が転換している。そして、４番目のビットと７番目のビットで検定符号との不一致が検出される。

このように、通常のサンプリングによれば図１のように検定符号と一致してしまうノイズ信号であっても、オーバーサンプリングによれば、図３のように検定符号との差異が表れるようになる。

本願発明においては、ノイズだけを受信した場合の危険側誤り見逃しを減らすことが可能となる。これまでは同期を取って判定値の誤り率を下げる技術や、サンプリングを増やして平均化等の処理を行うことにより誤り率を下げる技術はあったが、積極的にサンプリング数を増やして無信号時のノイズと有信号を区別しようとする技術はなかった。

次に、危険側誤り見逃しをどの程度低減できるかについて簡単に説明する。図４は、通常のサンプリングによる誤り見逃し率に関する図である。送信装置から送信するｘビットの送出符号に対して、受信装置で比較する検定符号をｍパターン設けることを想定する。この例では、６ビットの送出符号に対して、６パターンの検定符号を設けている。「０１００１１」の送出符号が繰り返し送信されている状態で、受信装置で受信して復調した符号が「０１００１１」、「１００１１０」、「００１１０１」、「０１１０１０」、「１１０１００」、又は「１０１００１」の検定符号の何れかと一致した場合に、信号有と判断する。

ここで、送出符号を変調した列車検知信号が送信されていない状態でノイズだけを受信した場合に、ノイズの影響により１ビットが検定符号の所定値と一致する確率を１／２とする。その場合の誤り見逃し率は、ｍ（１／２）^xとなる。誤り見逃し率とは、列車検知信号が送信されていない状態で受信したノイズにより、誤って信号有と判定する確率のことである。

これに対して、本願発明による誤り見逃し率は以下のようになる。図５は、オーバーサンプリングによる誤り見逃し率に関する図である。送信装置から送信するｘビットの送出符号に対して、受信装置で比較する検定符号はｎ×ｘビットであり、ｍ×ｎパターン設けることになる。この例では、６ビットの送出符号に対して、１８ビットの検定符号を１８パターン設けている。「０１００１１」の送出符号が繰り返し送信されている状態で、受信装置で受信して復調した符号が「０００１１１００００００１１１１１１」、又はこれを１ビットずつローテートした符号語の何れかと一致した場合に、信号有と判断する。その場合の誤り見逃し率は、ｍｎ（１／２）^nxとなる。

逆に、列車検知信号が送信されている状態で誤判断する確率についても説明する。図６は、通常のサンプリングによる誤り率に関する図である。列車検知信号が送信されている状態で、信号中の１ビットが誤判断される確率をｐ＜＜１とする。信号が送信されている状態にも関わらず、信号無と判定する確率（誤り率）は、１−（１−ｐ）^x≒ｐｘとなる。

これに対して、本願発明による誤り率は以下のようになる。図７は、オーバーサンプリングによる誤り率に関する図である。復調する符号長がｎ倍となるので、信号無と判定する確率（誤り率）は、（１−（１−ｐ）^nx）≒ｎｐｘとなる。

上述の通り、信号無状態の誤り見逃し率は、ｎを大きくすればするほど指数関数的に小さくなる。一方、信号有状態の誤り率の上昇はｎ倍の程度である。従って、誤り率を余り損なわずにノイズによる誤り見逃しを小さくすることができると言える。

実際にはオーバーサンプリングを行うとビット誤り率が大きくなるため、ｎをむやみに大きくするのは平常時の安定性をそこなう結果となり非現実的であるが、ｘが１０以上であれば（（１／２）¹⁰＝１／１０２４である）、ｎが２〜３程度であっても十分に危険側誤り見逃しを低減する効果がある。

続いて、本発明に係る軌道回路装置（軌道回路に接続される送信装置と受信装置）の構成について説明する。図８は、ディジタル変調方式による軌道回路の送信装置の構成を示す図である。この例では、ＰＳＫ変調方式（位相偏移変調方式）を用いているが、ＭＳＫ変調方式（最小偏移変調法式）など他の変調方式においても適用可能である。

発振器１０１は、搬送波を生成する。３０〜１００Ｈｚ程度の低周波であることが多い。例えば、５０／６０Ｈｚの商用周波数やその半分の２５／３０Ｈｚを用いる。

列車検知信号を特定するための送出符号は、ｘビットの論理値（０／１）からなる符号語であり、予め送出符号記憶部１０２に記憶されている。

極性切換部１０３は、１シンボル周期Ｔ毎に、送出符号記憶部１０２から循環させて順次ビット（論理値）を読み取り、ビットの値が０であれば同位相に極性を、ビットの値が１であれば逆位相に極性を反転させる。つまり、位相変調を行う。これによって変調信号が生成される。変調信号は、軌道回路を構成するレールに伝送される。

図９は、ディジタル変調方式による軌道回路の受信装置の構成を示す図である。この例では、ＰＳＫ変調方式（位相偏移変調方式）を用いているが、ＭＳＫ変調方式（最小偏移変調法式）など他の変調方式においても適用可能である。

受信装置は、軌道回路を構成するレールからの伝送信号を受信し、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２０１に通し、通過後の信号をレベル判定部２０２と符号判定部２０３に分けてそれぞれレベル判定処理と符号判定処理を行なう。

レベル判定部２０２では、信号レベル（電圧レベル）の判定を行なう。全波整流器２２１でＢＰＦ出力を整流し、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２２を通す。レベル比較部２２３では、しきい値との比較により、信号レベルの高低を判定する。信号レベルがしきい値に比べて大きい場合には、信号レベル高と判定し、小さい場合には、信号レベル低と判定する。

一方、符号判定部２０３では、ＢＰＦ２０１の出力信号を遅延回路２３１でシンボル周期Ｔだけ遅延させた信号と、ＢＰＦ２０１の出力信号を乗算器２３２で乗算する。これにより、１シンボル周期前の信号と同位相であれば正となり、逆位相であれば負となる信号が生成される。この乗算した信号をＬＰＦ（ローパスフィルタ）２３３に通すことにより、検波出力（復調信号）が得られる。ビット判定部２３４では、検波出力をシンボル周期Ｔの１／ｎの周期でサンプリングし、正であれば０と判定し、負であれば１と判定する。これにより、論理値（０／１）のビット判定出力（復調符号）が得られる。検定部２３５で、ビット判定出力（復調符号）を検定符号と比較して検定を行い、検定符号と一致すれば符号一致と判定し、検定符号と一致しなければ符号不一致と判定する。

検定符号は、前述の通り送出符号の各ビットをｎ回ずつ繰り返したｎ倍長の符号語と、その符号を１ビットずつ順次ローテートした符号語である。これらすべての検定符号と比較し、いずれかの検定符号と一致する場合に、符号一致と判定する。複数の検定符号は、予め検定符号記憶部２３６に記憶しておき、順次読み出す。あるいは、検定符号記憶部２３６に記憶している検定符号（送出符号相当）に基づいて、検定部で１ビットずつローテートして他の検定符号（ローテートした符号群相当）を生成するように構成することもできる。

在線判定部２０４で、レベル判定結果と符号判定結果に基づいて、在線状況を判定する。レベル判定結果が信号レベル高であり、かつ符号判定結果が符号一致の場合に、信号有と判定する。信号有は、列車無と同義である。

他方、レベル判定結果が信号レベル低である場合や、符号判定結果が符号不一致の場合には、信号無と判定する。信号無は、列車有あるいはレール破断等の不具合と同義である。

実施の形態２．
前述の形態では、ｎ倍長の検定符号を検定符号記憶部に記憶させておく形態について説明したが、受信装置でｎ倍長の検定符号を生成することもできる。

図１０は、実施の形態２に係る符号判定部の構成を示す図である。送出符号記憶部２３７は、送信装置で用いている送出符号と同一の符号を記憶している。そして、符号変換部２３８は、送出符号の各ビットをｎ回ずつ繰り返し、ｎ倍長の検定符号を生成する。また、ビット毎にローテートした他の検定符号も生成する。

本願発明によれば、判定時間を延ばさずに軌道回路落下時における危険側誤りを減らすことができる。また、平常時の誤り率を大きく損なわずに危険側誤りを減らすことが可能となる。

整数ｎは、２以上において有効である。例えば、２〜４のいずれかとすることが考えられる。

２０１ ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
２０２ レベル判定部
２０３ 符号判定部
２０４ 在線判定部
２２１ 全波整流器
２２２ ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
２２３ レベル比較部
２３１ 遅延回路
２３２ 乗算器
２３３ ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
２３４ ビット判定部
２３５ 検定部
２３６ 検定符号記憶部
２３７ 送出符号
２３８ 符号変換部

Claims (4)

1. 軌道回路に接続され、所定のシンボル周期で、所定の送出符号をディジタル変調し、変調信号を送信する送信装置と、
   軌道回路に接続され、変調信号を受信し、ディジタル復調により上記シンボル周期の１／ｎ（整数）の周期でサンプリングした復調符号を求め、上記送出符号に含まれる各ビットをｎ回ずつ繰り返したｎ倍長符号と復調符号が適合するか判定し、適合する場合に信号有と判定する受信装置からなることを特徴とする軌道回路装置。
2. 受信装置は、受信した変調信号の信号レベルを判定し、ｎ倍長符号と復調符号が適合することに加えて、所定の信号レベルを有することを条件として、信号有と判定することを特徴とする請求項１に記載の軌道回路装置。
3. 受信装置は、ｎ倍長符号又はｎ倍長符号の各ビットをローテートした検定符号のいずれかと復号符号が一致する場合に、ｎ倍長符号と復号符号が適合すると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の軌道回路装置。
4. ｎは、２から４までのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の軌道回路装置。

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