JP2016163137A - 車上通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速なサンプリングをせず、かつ、回路規模を抑制しつつも、電力波の周波数の健全性を自己診断する車上通信装置を提供する。【解決手段】車上通信装置１０は、発振器１１１から出力される電力波の源信号をパワーアンプ１１２により増幅して電力波アンテナ１１３により電力波を地上通信装置２０に送信し、一方で地上通信装置２０から出力される情報波の受信機能が正常であるか否かを確認するために生成されるテスト用情報波を変調器１３２により変調して情報波送信アンテナ１３３により情報波受信アンテナ１２１に送信する。情報波及びテスト用情報波を情報波受信アンテナ１２１により受信した場合には、情報波及びテスト用情報波を復調器１２２により復調して演算器１４１に出力する。発振器１１１から出力される電力波の源信号を逓倍又は分周して周波数を変換し、変換後の信号を変調器に出力する周波数変換器１３１を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、車上通信装置に関し、特に地上通信装置に電力波を送信する車上通信装置に適用して好適なものである。

従来、車上に設置された車上通信装置と、地上に設置された地上通信装置とから構成される移動体制御システムがある。移動体制御システムにおいて車上通信装置は、電力波を地上通信装置に送信して無線給電を行い、一方で地上通信装置は、電磁結合により電力波とは周波数の異なる情報波を車上通信装置に送信する。

一般に車上通信装置から送信される電力波を地上通信装置において効率良く受信するため、車上通信装置及び地上通信装置には共振回路が用いられる。ここで車上通信装置に故障等の不具合が発生すると、車上通信装置から送信される電力波の周波数が規定範囲外になる。この場合、地上通信装置は電力を効率良く受信することができず、両者間の通信が失敗する。

車上通信装置と地上通信装置との間で行われる通信は、キロポスト等の位置情報を確認する目的、或いは、臨速情報等の安全に関する情報を通知する目的で行われる。よって車上通信装置及び地上通信装置には高い信頼性及び安全性が必要になる。そこで車上通信装置が電力波の周波数を自己診断し、故障時には周波数の変化を確実に検知することが要求されている。

特開２００４−２６０６７７号公報（特許文献１）には、受信機及び送信機の一方を内部クロックに同期して動作させ、他方を内部クロックに対して周波数誤差、位相変動、波形変動及びジッタの少なくとも１つを強制的に印加した変調クロック信号に同期して動作させる技術が開示されている。この特許文献１によれば、実動作時に近い状態での受信機及び送信機の異常検出テストを高速かつ高価なテスト装置を用いることなくループバック動作により実行することができるとしている。

特開２００４−２６０６７７号公報

電力波の周波数を自己診断する方法としては、送信した電力波を別アンテナで受信して周波数を確認する方法又は電力波をパワーアンプにより増幅する前の源信号の周波数を確認する方法の２つがある。

単に電力波を別アンテナで受信して周波数を確認する場合、標本化定理により少なくとも測定対象の２倍以上のサンプリングを行う必要がある。電力波の周波数が数ＭＨｚ等のように比較的低い場合には容易にサンプリングを行えるが、数十ＭＨｚ以上のように高周波数の場合には直接サンプリングすることが難しい。

なお自己診断をフェールセーフに行う場合、監視回路の健全性を保障するために監視系を２重化するか、或いは、特許文献１に記載されているように監視回路に強制的に異常な周波数を入力する必要がある。前者の場合には２重化する分だけ回路規模が大きくなる。また後者の場合には監視回路の診断時に電力波の送信を停止する必要がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、高速なサンプリングを必要とせず、かつ、回路規模の拡大を抑制しつつ、電力波の健全性を自己診断し得る車上通信装置を提案する。

かかる課題を解決するために、本発明においては、電力波の源信号を発生させる発振器と、源信号を増幅するパワーアンプと、増幅される源信号を電力波として地上通信装置に送信する電力波アンテナと、地上通信装置から出力される情報波を受信する情報波受信アンテナと、情報波受信アンテナの受信する信号を復調する復調器と、復調された信号を受信する演算器と、発信器から出力される電力波の源信号を逓倍又は分周して周波数を変換する周波数変換器と、変換される源信号を変調する変調器と、変調される源信号をテスト用情報波として情報波受信アンテナへ送信する情報波送信アンテナと、を備える車上通信装置であって、演算器は、情報波とテスト用情報波との比較に基づいて、電力波の異常を検知することを特徴とする。

本発明によれば、高速なサンプリングを必要とせず、かつ、回路規模の拡大を抑制しつつ、電力波の健全性を自己診断することができる。

第１の実施の形態における移動体制御システムの全体構成図である。 第１の実施の形態における車上通信装置の機能構成図である。 第２の実施の形態における移動体制御システムの全体構成図である。 第２の実施の形態における車上通信装置の機能構成図である。 第３の実施の形態における車上通信装置の機能構成図である。 第４の実施の形態における車上通信装置の機能構成図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態における移動体制御システム１の全体構成を示す。図１に示すように車上通信装置１０は、移動体Ｃ上に搭載され、送受信部１００及びアンテナ部２００等から構成される。送受信部１００は、電力波を生成し、また情報波に基づいて演算を実行する。アンテナ部２００は、地上通信装置２０に電力波を送信し、また地上通信装置２０からの情報波を受信する。

図２は、車上通信装置１０の機能構成を示す。車上通信装置１０は、地上通信装置２０と通信を行う装置であり、ここでは４つの機能ブロックから構成される。具体的に車上通信装置１０は、電力波ブロック１１、情報波受信ブロック１２、情報波送信ブロック１３及び制御ブロック１４から構成される。

電力波ブロック１１は、電力波を生成して地上通信装置２０に送信するブロックであり、発振器１１１、パワーアンプ１１２及び電力波アンテナ１１３から構成される。発振器１１１は、例えば水晶発振器又は水晶振動子であり、電力波の源信号である正弦波又は矩形波の電圧を生成する。パワーアンプ１１２は、発振器１１１からの源信号を増幅して出力する。

電力波アンテナ１１３は、パワーアンプ１１２により増幅された源信号を電力波１１４として地上通信装置２０に送信する。なお電力波アンテナ１１３及び地上通信装置２０のアンテナは、電力波のエネルギーを効率良く送受信することができるように共振回路を備える。そのため電力波１１４の周波数が許容値内であることが重要となる。

情報波受信ブロック１２は、地上通信装置２０からの情報波２１を受信して復調するブロックであり、情報波受信アンテナ１２１及び復調器１２２から構成される。情報波受信アンテナ１２１は、地上通信装置２０からの情報波２１又は情報波送信ブロック１３からのテスト用情報波１３４を受信して復調器１２２に出力する。

復調器１２２は、情報波受信アンテナ１２１からの情報波２１又はテスト用情報波１３４を復調し、復調後のデータ列を演算器１４１に出力する。

情報波送信ブロック１３は、情報波受信ブロック１２の健全性を確認するためにテスト用の模擬的な情報波（テスト用情報波１３４）を生成し情報波受信ブロック１２に送信するブロックであり、周波数変換器１３１、変調器１３２及び情報波送信アンテナ１３３から構成される。

周波数変換器１３１は、発振器１１１から出力される源信号に対し、逓倍若しくは分周又はこれらの両方を行い、源信号の周波数に固定値を掛けた周波数に変換する。固定値は、周波数変換器１３１の出力がテスト用情報波１３４のキャリア又はボーレートの生成に必要な周波数と一致するように設定する。

変調器１３２は、制御ブロック１４からのデータ列に対し、周波数変換器１３１からの周波数を基準とした変調を行う。変調方式は、振幅変調、周波数変調又は位相変調等がある。情報波送信アンテナ１３３は、変調後の信号をテスト用情報波１３４として情報波受信アンテナ１２１に送信する。

制御ブロック１４は、情報波送信ブロック１３に対し、テスト用情報波１３４に含めるデータ列を出力し、また情報波受信ブロック１２から復調後のデータ列を入力し、両データ列を比較することによりデータの健全性について確認を行うブロックであり、演算器１４１を備える。演算器１４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成される。

以下、車上通信装置１０が電力波１１４を自己診断する際の構成について説明する。
上記の通り車上通信装置１０の発振器１１１が源信号を生成し、パワーアンプ１１２が源信号を増幅し、電力波アンテナ１１３が増幅後の源信号を電力波１１４として出力する。

これら発振器１１１、パワーアンプ１１２及び電力波アンテナ１１３のうち、発振器１１１以外は受動素子で構成されるのが一般的であり、受動素子は自ら周波数を生成できるような素子ではない。そのため源信号の周波数を診断することにより、電力波１１４の周波数を診断することができる。

すなわち本実施の形態においては、情報波の診断機能を利用して、電力波１１４の源信号の周波数診断を行う。情報波の診断機能とは、車上通信装置１０自身がテスト用情報波１３４を周期的に送信し、送信情報がループバックされているか否かを確認することにより、情報波２１の受信機能が正常に動作しているのかを確認する機能である。

ここでは情報波送信ブロック１３がテスト用情報波１３４を情報波受信ブロック１２に周期的に送信し、情報波受信ブロック１２にて正常に受信できるか否かを確認する。チェックの合否は、ループバックにより送信電文が正常に受信できるか制御ブロック１４で確認を行う。

なおテスト用情報波１３４の送信時間は、地上通信装置２０からの情報波２１と比較して、極めて短時間であり、また地上通信装置２０からの情報波２１は時間的に冗長となっている。よって両者が衝突する場合であっても地上通信装置２０からのデータを取りこぼすことはない。

本実施の形態においては、情報波２１の故障診断に使用するテスト用情報波１３４を生成する際、電力波１１４の源信号を使用してキャリア又はボーレートを生成する。通常、源信号とキャリア又はボーレートの周波数は異なる。そのためＰＬＬ（Phase Locked Loop）周波数シンセサイザ等の周波数変換器１３１を使用して、必要な周波数の生成を行う。

このときテスト用情報波１３４の周波数が源信号の変動に追従するように、周波数の入出力の変換率は一定値とする。また復調器１２２は、源信号に依存しない構成とする。例えばＦＳＫ（Frequency Shift Keying）におけるクワドラチャ検波方式等の外部からの基準クロックを必要としない方式を採用する場合又は外部からの基準クロックを必要とする方式を採用する場合、源信号とは別の発振器を用意する。

今、発振器１１１の故障により源信号の周波数が変動したとする。つまり電力波１１４の周波数が変動したとすると、情報波の健全性診断に使用するテスト用情報波１３４の周波数が変動する。復調器１２２は、源信号に依存しない構成となっているため復調に失敗する。

よって制御ブロック１４は、テスト用情報波１３４により送信されるデータ列がループバックしない（変調器１３２に出力したデータ列と、復調器１２２から入力したデータ列とが一致しない）ため、情報波の健全性診断の結果として失敗を判断し、機器の異常を検知することができる。周波数変換器１３１の故障に関しても発振器１１１と同様、故障時にテスト用情報波１３４が異常になり、演算器１４１での確認により検知することができる。

なお情報波の健全性チェックは、本来変調器１３２、情報波送信アンテナ１３３、情報波受信アンテナ１２１及び復調器１２２の故障を診断するものであり、ループバックの異常により故障を検知することができる。

（２）第２の実施の形態
第２の実施の形態は、フェールセーフ演算器を備える点で、第１の実施の形態における車上通信装置１０と異なる。以下同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略し、異なる点について説明する。

図３は、第２の実施の形態における移動体制御システム１Ａの全体構成を示す。図３に示すように車上通信装置１０Ａは、フェールセーフ演算器等を備える送受信部１００Ａ及びアンテナ部２００等から構成される。また車上通信装置１０Ａは、相手装置と定期的なメッセージの交換を行う。

ここでの相手装置とは、例えばブレーキ装置３１を制御する移動体制御部３０である。相手装置は、フェールセーフ演算器が故障した場合、車上通信装置１０Ａからの応答が無応答になるため、車上通信装置１０Ａの故障を検知して移動体Ｃの動作を停止することができる。

図４は、車上通信装置１０Ａの機能構成を示す。車上通信装置１０Ａは、制御ブロック１４がフェールセーフ演算器１４１Ａを備える点で、第１の実施の形態における車上通信装置１０と異なる。フェールセーフ演算器１４１Ａは、例えばマイコンを２つ使用した２重化比較方式によるものがある。

２重化比較方式とは、２つのマイコンコアに同じ演算を行わせて、比較照合を行い、誤演算による異常を検出した場合には外部への出力を停止し、システムの安全状態を確保する方式である。フェールセーフ演算器１４１Ａが故障した場合、演算を停止して外部との入出力を遮断する。

なお発振器１１１、周波数変換器１３１、変調器１３２、情報波送信アンテナ１３３、情報波受信アンテナ１２１及び復調器１２２の故障に関しては、第１の実施の形態と同様の方法により検知することができる。

本実施の形態においては、情報波の診断機能を使用して電力波の周波数を診断するものであるが、情報波の診断機能は送信データ列のループバックを監視するものであり、送信データ列の生成及び確認は全て制御ブロック１４が行っている。よって制御ブロック１４がフェールセーフ演算器１４１Ａを備えることにより、どの関連部位が故障した場合でも確実に異常を検知することができる。

（３）第３の実施の形態
第３の実施の形態は、発振器からの源信号を周波数変換器を介して復調器に出力する点及び別の新たな発振器を追加して、この発信器からの源信号を変調器に出力する点で、第１の実施の形態における車上通信装置１０と異なる。以下同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略し、異なる構成について説明する。

図５は、第３の実施の形態における車上通信装置１０Ｂの機能構成を示す。車上通信装置１０Ｂは、情報波受信ブロック１２において周波数変換器１２３Ｂを備える点及び情報波送信ブロック１３において発振器１３１１を備える点で、第１の実施の形態における車上通信装置１０と異なる。なお演算器１４１はフェールセーフ演算器１４１Ａ（図４）であってもよい。

周波数変換器１２３Ｂは、発振器１１１からの源信号の周波数を変換して復調器１２２に出力する。また発振器１３１１は、源信号を生成して変調器１３２に出力する。制御ブロック１４は、発振器１３１１の故障時にテスト用情報波１３４の変復調の使用周波数がずれてテスト用情報波１３４の送信データ列がループバックしないことを検知し、情報波の健全性診断失敗を判断する。よって機器の故障を検知することができる。

（４）第４の実施の形態
第４の実施の形態は、変換率の異なる２つの周波数変換器を備え、使用する周波数変換器をスイッチにより切り替える点で、第１の実施の形態における車上通信装置１０と異なる。以下同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略し、異なる点について説明する。

図６は、第４の実施の形態における車上通信装置１０Ｃの機能構成を示す。車上通信装置１０Ｃは、情報波送信ブロック１３において周波数の変換率が異なる２つの周波数変換器１３１Ａ及び１３１Ｂを備え、またテスト用情報波１３４の生成に使用する周波数変換器を周波数変換器１３１Ａ又は１３１Ｂの何れかに切り替えるスイッチ１３１Ｃを備える点で、第１の実施の形態における車上通信装置１０と異なる。

ここで電力波の周波数異常を検知する正常値からの偏差について、電力波の周波数異常を検知する周波数偏差をＡとし、情報波の周波数許容偏差をＢとすると、ＡとＢとは一致する。また電力波の周波数許容偏差をＣとすると、Ｃ≧Ｂ＝Ａが成立する必要がある。しかし情報波よりも電力波の方が許容できる周波数偏差が厳しい場合がある。

そこで本実施の形態においては、Ｃ≧Ｂ＝Ａの要件がある場合でも異常を検知することができるように、周波数変換器１３１Ａ及び１３１Ｂの何れかを使用して、電力波の周波数が許容値外になった場合には情報波のキャリア周波数も許容値外とするようにした。

具体的に車上通信装置１０Ｃは、周波数変換器１３１Ａ及び１３１Ｂを備え、２つの周波数変換器１３１Ａ及び１３１Ｂの周波数の変換率は、電力波１１４の周波数が許容値外になった場合に情報波２１の周波数も許容値外となるように設定される。

例えば電力波１１４が１０ＭＨｚで電力波１１４の許容誤差が±１０ｋＨｚ（±１％）であり、情報波２１のキャリア周波数が１ＭＨｚで情報波２１の許容誤差が±５ｋＨｚ（±５％）である場合、一方の周波数変換器１３１Ａは、電力波１１４が１０．０１ＭＨｚのとき、テスト用情報波１３４のキャリア周波数が１．００５ＭＨｚとなるように入出力の変換率を０．１ではなく０．１００４にする。

また他方の周波数変換器１３１Ｂは、電力波１１４が９．９９ＭＨｚのとき、テスト用情報波１３４のキャリア周波数が０．９９５ＭＨｚとなるように入出力の変換率を０．０９９６にする。テスト用情報波１３４は周期的に送信されているため、周期毎に周波数変換器を容易に切り替えて使用することができ、電力波１１４の周波数が増加又は減少した場合でも許容値内であることを診断することができる。

１ 移動体制御システム
１０ 車上通信装置
１１ 電力波ブロック
１１１ 発振器
１１２ パワーアンプ
１１３ 電力波アンテナ
１１４ 電力波
１２ 情報波受信ブロック
１２１ 情報波受信アンテナ
１２２ 復調器
１３ 情報波送信ブロック
１３１１ 周波数変換器
１３２ 変調器
１３３ 情報波送信アンテナ
１４ 制御ブロック
１４１ 演算器
２０ 地上通信装置

Claims (7)

1. 電力波の源信号を発生させる発振器と、
   前記源信号を増幅するパワーアンプと、
   増幅される前記源信号を電力波として地上通信装置に送信する電力波アンテナと、
   前記地上通信装置から出力される情報波を受信する情報波受信アンテナと、
   前記情報波受信アンテナの受信する信号を復調する復調器と、
   復調された前記信号を受信する演算器と、
   前記発信器から出力される電力波の源信号を逓倍又は分周して周波数を変換する周波数変換器と、
   変換される前記源信号を変調する変調器と、
   変調される前記源信号をテスト用情報波として前記情報波受信アンテナへ送信する情報波送信アンテナと、を備える車上通信装置であって、
   前記演算器は、
   前記情報波と前記テスト用情報波との比較に基づいて、前記電力波の異常を検知する
   ことを特徴とする車上通信装置。
2. 前記演算器は、
   前記テスト用情報波に用いるデータ列を生成して前記変調器に出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の車上通信装置。
3. 前記演算器は、
   前記テスト用情報波が前記復調器により復調された結果、得られるデータ列を入力し、
   前記変調器に出力したデータ列と、前記復調器からのデータ列とが一致しない場合、前記電力波の周波数が異常であることを検知する
   ことを特徴とする請求項２に記載の車上通信装置。
4. 前記周波数変換器の入出力の変換比は、
   前記電力波の周波数対前記情報波のキャリアの周波数、或いは、前記電力波の周波数対前記情報波のボーレートである
   ことを特徴とする請求項１に記載の車上通信装置。
5. 前記演算器は、
   前記電力波の周波数が異常であることを検知した場合、前記車上通信装置を搭載する移動体の動作を停止するフェールセーフ演算器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の車上通信装置。
6. 前記周波数変換器は、変換率の異なる２つの周波数変換器により２重化されており、
   使用する周波数変換器を前記２重化された２つの周波数変換器のうちの何れか一方に切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の車上通信装置。
7. 前記２重化された周波数変換器のうちの一方の周波数変換器の入出力の変換比は、
   前記電力波の周波数が増加したことにより許容値外になった場合に前記情報波のキャリアの周波数又はボーレートも許容値外になるように設定され、
   他方の周波数変換器の入出力の変換比は、
   前記電力波の周波数が減少したことにより許容値外になった場合に前記情報波のキャリアの周波数又はボーレートも許容値外になるように設定される
   ことを特徴とする請求項６に記載の車上通信装置。

Images