JP2021136677A - 受信装置、狭帯域通信システム基地局 - Google Patents

Abstract

【課題】受信する電波の振幅レベルが安定する前に、適正な利得調整を実行する狭帯域通信システムに用いられる受信装置及び狭帯域通信システム基地局を提供する。【解決手段】受信装置２０が、ＥＴＣ基地局１０に近づいてくる車両１２に搭載された車載ＥＴＣからの電波を受信するとき、ＥＴＣエリア２４に最外周であるＡ地点で第１波を検出したとき、当該第１波のピーク値から、安定時の振幅レベルを予測し、予測した振幅レベルに基づいて利得調整の動作を指示することで、適正な利得調整を迅速に行う。また、第３波までの最大値（又は平均値）に基づき、安定時の振幅レベルを予測することで、信頼性を高める。迅速性と信頼性との優先度合いで、ピーク値を検出する波の数（周期数）を決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、狭帯域通信システム（一例として、ＥＴＣ）等に用いられる受信装置、狭帯域通信システム基地局に関する。

従来、ＥＴＣ等で用いられるＡＳＫ（Amplitude Shift Keying／振幅偏移変調）波は、振幅レベルの変動が大きく、ＡＧＣ（Automatic Gain Control／自動利得制御）部で利得を調整して振幅レベルを追従させる際に、高速で利得調整することが困難であった。

すなわち、ＡＳＫ波を受信してから、十分な時間分の平均振幅レベルを取得して、正しい振幅レベルを認識してから、利得調整するのが一般的であった。なお、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying／四位相偏移変調）波等のＡＳＫ波以外の電波でも同様のことが言える。

特許文献１には、高速にＡＧＣの利得を収束させるために、受信レベル（振幅レベル）と目標する受信レベルとを用いてＡＧＣ制御することが記載されている。

また、特許文献２には、ＥＴＣにおいて、基地局と車載局との距離に応じて高速に利得制御を行う技術が記載されている。

なお、参考として、特許文献３には、ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communication／狭域通信）の車載器において、ＡＧＣアンプの可変利得制御の収束特性を切り換える手段を設け、ＡＧＣアンプの制御電圧が有する過渡応答特性を切り換えて、ＡＧＣアンプの出力レベルの収束特性を常に最適値に設定することで、ＡＳＫ変調波の復調を性能劣化無く行うことが記載されている。

また、参考として、特許文献４には、無線受信部が受信した電波の強度が、ある一定値を超えた時に、路側機の通信エリアに進入したことを判断する狭域通信用車載器において、ＡＧＣ部にて生成されたＡＧＣ制御信号を無線受信部が受信した電波の強度を示す受信電界強度信号として用い、この信号を通信制御部に入力してＡＳＫ通信エリア内にいることを判断し、ＡＳＫ復調部にてＡＳＫ路側機が送信する信号を復調することが記載されている。

特開２００３−１７９４５０号公報 特開２００５−１０１９３３号公報 特開２００７−２８１８９０号公報 特開２００７−２８１９４７号公報

しかしながら、例えば、ゲートバーの存在しない基地局においては、さらなるＡＧＣの高速化が要求されるが、従来のＡＧＣでは、少なくとも適正な利得調整を行うためには、振幅レベルが安定するまで待機する必要があった。

本発明は、受信する電波の振幅レベルが安定する前に、適正な利得調整を実行することができる受信装置、狭帯域通信システム基地局を得ることが目的である。

本発明に係る受信装置は、発信源が徐々に近づいてくる状態で、当該発信源から振幅変調された電波を受信し、受信した電波の振幅レベルに応じて利得を調整する利得調整部を備え、当該利得調整部で調整された電波を復調することで、情報を取得する受信装置であって、受信した電波の受信開始から所定期間までの期間中の前記受信開始から所定周期分の電波のピークを検出する検出部と、前記検出部で検出した電波のピーク値と前記発信源までの距離に応じて設定したしきい値との比較結果に基づいて、適正利得を予測する予測部と、前記予測部で予測した適正利得で、前記利得調整部を動作させる動作制御部と、を有している。

本発明に係る狭帯域通信システム基地局は、車両から狭帯域通信システムに用いられる信号である電波を受信するアンテナと、前記アンテナで受信した電波の利得を調整する利得調整部と、前記利得調整部の出力から受信波を検波する検波部と、前記検波部の出力が、所定周期分の波形のレベルが所定以上である場合、利得調整を行うように前記利得調整部に指示を行う制御部とを有し、前記検波部は、アナログ−デジタル変換部、微分計算部、ピーク検出部、レベル認識部を有し、前記アナログ−デジタル変換部は前記利得調整の出力をデジタル信号に変換し、前記微分計算部は、前記アナログ−デジタル変換部の出力から波形の傾きを計算し、前記ピーク検出部は、前記微分計算部の出力からピーク値を検出し、前記レベル認識部は、前記ピーク値のレベルを認識して出力することを特徴としている。

以上説明した如く本発明では、受信する電波の振幅レベルが安定する前に、適正な利得調整を実行することができるという効果を奏する。

本実施の形態に係るＥＴＣ基地局及びＥＴＣ基地局に向けて走行している車両の側面図である。 本実施の形態に係る受信装置の制御ブロック図である。 ＥＴＣ基地局から段階的に離反しているＡ地点、Ｂ地点、Ｃ地点での受信電波強度特性図である。 変形例に係るＥＴＣ基地局及びＥＴＣ基地局に向けて走行している車両の側面図（レーダー付加）である。

図１には、ＥＴＣ基地局１０及びＥＴＣ基地局１０に向けて走行している車両１２の側面図が示されている。

路面１４には、ＥＴＣ基地局１０の通過ゲート地点１６が設置されている。

本実施の形態の通過ゲート地点１６には、接近してくる車両１２の走行を妨げるゲートバーは存在せず、車両１２の走行速度は、ゲートバーが存在するＥＴＣ基地局に向けて走行する車両に比べて速い傾向にある。

通過ゲート地点１６には、ポール１８が設置され、ポール１８の上端部は略Ｕ字形に屈曲され、受信装置２０が取り付けられている。

車両１２には、電波の発信源である車載ＥＴＣ(図示省略）が搭載されている。受信装置２０にはアンテナ２２が取り付けられており、予め設定したＥＴＣエリア２４の中の車載ＥＴＣから発信される電波を受信可能である。

受信装置２０で受信した搬送波から取り出された情報（信号波）は、光ファイバケーブル２６を介してサーバー２８へ送られる。サーバー２８では、情報を蓄積すると共に、ネットワーク３０を介して管理会社の管理制御装置３２と通信が行われ、車載ＥＴＣとの間で電子料金収受処理（例えば、車種の特定、料金精算等）が実行される。

受信装置２０は、通過ゲート地点１６から所定距離、離れた車両１２からの電波を受信可能であり、本実施の形態では、通過ゲート地点１６から距離Ｌ１（ＥＴＣエリア２４の半径に相当）だけ離れた位置の車両１２からの電波が受信可能となるように（図１のＡ地点参照）、後述するＡＧＣ３８のデフォルトの利得が設定されている。

このＡ地点から近づく車両１２からの電波強度は徐々に強くなり、本実施の形態では、通過点として、通過ゲート地点１６から距離Ｌ２だけ離れた位置をＢ地点とし、通過ゲート地点１６から距離Ｌ３だけ離れた位置をＣ地点としており、それぞれ、ＡＧＣ３８の利得を調整する基準位置とした。

なお、参考として、距離Ｌ１は１０ｍ、距離Ｌ２は５ｍ、距離Ｌ３は１ｍ程度である。

（受信装置２０）

図２（Ａ）は、本実施の形態に適用された受信装置２０の概略構成図である。

本実施の形態の狭帯域通信システムとしてのＥＴＣ（電子料金収受システム）では、受信装置２０として、ＤＳＲＣの標準規格であるＡＲＩＢ−ＳＴＤ−Ｔ７５が適用され、変調方式はＡＳＫ波が適用されている。従って、前述した電波強度は、ＡＳＫ波において、振幅レベルということができる。

アンテナ２２は、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）３４に接続されている。ＬＮＡ３４では、受信した電波を増幅し、ＢＰＦ（band pass filter）３６で濾波した後、ＡＧＣ３８へ送出する。

ＡＧＣ３８によって利得調整された電波は、本実施の形態に係る分波器４０を介して、復調部４２へ送出される。分波器４０については詳述するが、分波器４０で分波される比率は、２０：１であり、比率２０に相当する電波が復調部４２へ送出されるようになっている。言い換えれば、分波器４０による、情報を得るための電波の強度低下はほとんど無い。

復調部４２では、搬送波から信号波（情報）が取り出され、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）４４に組み込まれたデータ解析部４６へ送出される。

データ解析部４６では、情報の種類（車種の特定情報、ＥＴＣカード関連情報、料金精算情報等）を識別し、サーバー２８へ送出する。

ここで、本実施の形態に係るＥＴＣ基地局１０では、ゲートバーが存在しないため、通過ゲート地点１６に近づいてくる車両１２の走行速度が、ゲートバーが存在する場合よりも速い。このため、ゲートバーが存在するときのＡＧＣ３８における利得調整速度よりも速く適正な利得調整することが望まれる。

そこで、本実施の形態では、受信する電波において、振幅レベルが安定しない初期段階の受信時に、安定時の振幅レベルを予測し、予測結果からＡＧＣ３８の利得調整を指示するようにした。

受信する電波の状態（振幅レベル）を監視するため、本実施の形態では、受信装置２０に、分波器４０を設けた。分波器４０は、前述したように分波率が２０：１であり、その内、比率１に相当する電波を用いて、振幅レベルを監視している。

図２（Ａ）に示される如く、受信装置２０の分波器４０は、前述した復調部４２と共に、ＦＰＧＡ４４に組み込まれた検波部４８に接続されている。

車両１２が近づくと、車載ＥＴＣからの電波を受信するため、受信装置２０での受信信号レベルは、非受信状態から受信状態に立ちあがり、受信を感知する。

検波部４８では、受信を感知した時点、すなわち、第１波の電波の振幅レベルを認識して、電波強度予測部５０へ送出する。

本実施の形態では、比較対象として、受信した電波の最初のスロット（全１６波）の内の第１波のピーク値を用いている。これは、ピーク値によって振幅レベルを予測するには、最も早い時期であるからである。

しかし、環境によっては、ノイズ等により第１波を検出できない場合があるため、必要に応じて、ピーク値を得る波数を増やすようにしてもよい。

最初のスロット（全１６波）の間に振幅レベルが認識できれば問題ないが、迅速性と信頼性との二律背反の関係から、第３波までに振幅レベルを認識することが好ましい。

この場合、ＡＳＫ波では、３波の中の最大値を抽出し、ＱＰＳＫ等のＡＳＫ波以外の電波の場合は、３波の平均値とすることが好ましい。

電波強度予測部５０では、検波部４８から受信した第１波の振幅レベルから電波強度を予測する。

電波強度予測部５０には、しきい値記憶部５２が接続されている。しきい値記憶部５２には、図３に示す各地点のしきい値が記憶されており、検波部４８において認識したピーク値と各地点のしきい値とが比較される。

電波強度予測部５０では、それぞれの地点のしきい値と第１波のピーク値との比較結果により、安定したときの振幅レベル（電波強度）を予測し、予測結果を利得調整指示部５４へ送出する。

なお、ここで、電波強度予測部５０には、誤り率演算部５５が接続されている。

誤り率演算部５５は、データ解析部４６で解析した結果が取得して、情報の誤り率を演算し、電波強度予測部５０へ送出する。

電波強度予測部５０では、誤り率に基づいて、電波強度の予測を補正することで、予測の信頼度を高めている。

利得調整指示部５４では、予測された振幅レベルに基づいてＡＧＣ３８の利得を設定し、ＡＧＣ３８を設定した利得で動作するように指示する。

なお、ＡＧＣ３８の利得調整は、Ａ地点で予測した振幅レベルでの調整を最終調整としてもよいし、Ａ地点、Ｂ地点、及びＣ地点のしきい値との比較結果に基づいて、段階的に調整を行ってもよい。

図２（Ｂ）は、ＦＰＧＡ４４に組み込まれた検波部４８において、受信した電波の第１波（又は第１波〜第３波）振幅レベルを認識するための詳細な制御を機能別に分類したブロック図である。

図２（Ｂ）に示される如く、検波部４８は、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換部５６を備えており、分波器４０からの電波は、このＡＤ変換部５６で受信し、ＡＤ変換が実行され、アナログ信号となった受信電波が順に、微分係数算出部５８へ送出される。

微分係数算出部５８では、受信電波を微分して微分波形に変換する。微分波形は、傾斜算出部６０へ送出され、傾斜算出部６０において、時系列で変化する傾き（変化率）を算出し、ピーク検出部６２へ送出される。

ピーク検出部６２では、変化率が０（傾きが水平）になる点をピークとして検出し、レベル認識部６４へ送出される。

レベル認識部６４では、例えば、第１波の振幅レベルを抽出し、電波強度予測部５０へ送出する。

迅速性と信頼性との二律背反の関係から、第３波までに振幅レベルを認識することが好ましい場合は、ＡＳＫ波では、第１波から第３波までの振幅レベルの平均値を計算し、電波強度予測部５０へ送出する。ＱＰＳＫ等のＡＳＫ波以外の電波では、３波の平均値とする。

第１波のピーク値を振幅レベルとするか、第１波〜第３波までのピーク値の最大値又は平均値を振幅レベルとするか、受信装置の仕様、及び設置される環境によって一意的に固定設定してもよいし、設定変更機能を設けてもよい。

なお、本発明は、受信した電波の受信開始から振幅レベルが安定する前までの期間中の定周期分（初期スロットの１６波分以下）であれば、充分に、重要な情報を取得するまでに、適正な利得調整が可能であり、第３波までに限定されるものではない。

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

なお、本実施の形態の受信装置２０は、ＤＳＲＣの標準規格であるＡＲＩＢ−ＳＴＤ−Ｔ７５が適用され、変調方式はＡＳＫ波が適用されており、利得調整のために用いる振幅レベルは、受信電波の初期スロットの第１波を用いるものとする。

まず、ＡＧＣ３８では、遠隔の電波を受信し得るように、最大の利得に調整されている。

ここで、車両１２（車載ＥＴＣ）がＥＴＣ基地局１０に近づくように走行し、ＥＴＣエリア２４に入ると、当該車両１２は、Ａ地点→Ｂ地点→Ｃ地点の順に通過する。

図３は、Ａ地点、Ｂ地点、及びＣ地点における、車載ＥＴＣから発信される電波の強度（振幅レベル）特性図である。受信電波は、受信装置２０が最初に受信するスロット（準備期間スロット）の１６波分を示しており、比較的重要ではない情報（車種の特定等）が搬送波に重畳されている。

図３に示される如く、全ての地点において、第１波の振幅レベルは安定したときの振幅レベルよりも低いことがわかる。言い換えれば、振幅レベルが安定するのは、４波目以降であり、１波目から３波目では、振幅レベルが安定していないことがわかる。

ここで、車両１２がＡ地点を走行していると、図３の（Ａ）の特性図に示される如く、第１波が、検波部４８によってその振幅レベルが認識される。認識された第１波の振幅レベルは、Ａ地点のしきい値と比較され、安定したときの振幅レベル（電波強度）が予測され、利得調整指示部５４では、当該予測した振幅レベルに基づいて、ＡＧＣ３８に対して、利得を調整するように指示する。

この時点で、予測した振幅レベルが適正であれば問題ないが、環境の影響により誤差が発生する場合がある。

そこで、同様に、Ｂ地点及びＣ地点において、利得調整を実行する。

すなわち、車両１２がＢ地点を走行していると、図３の（Ｂ）の特性図に示される如く、第１波が、検波部４８によってその振幅レベルが認識される。認識された第１波の振幅レベルは、Ｂ地点のしきい値と比較され、安定したときの振幅レベル（電波強度）が予測され、利得調整指示部５４では、当該予測した振幅レベルに基づいて、ＡＧＣ３８に対して、利得を調整するように指示する。

さらに、車両１２がＣ地点を走行していると、図３の（Ｃ）の特性図に示される如く、第１波が、検波部４８によってその振幅レベルが認識される。認識された第１波の振幅レベルは、Ｃ地点のしきい値と比較され、安定したときの振幅レベル（電波強度）が予測され、利得調整指示部５４では、当該予測した振幅レベルに基づいて、ＡＧＣ３８に対して、利得を調整するように指示する。

このように、車両１２がＥＴＣ基地局１０に近づくにつれて、段階的に利得調整を実行することで、迅速性と信頼性を両立することができる。

以上説明したように本実施の形態では、ＥＴＣ基地局１０に近づいてくる車両１２に搭載された車載ＥＴＣからの電波を受信するとき、ＥＴＣエリア２４に最外周であるＡ地点で第１波を検出したとき、当該第１波のピーク値から、安定時の振幅レベルを予測し、予測した振幅レベルに基づいて利得調整の動作を指示することで、適正な利得調整を迅速に行うことができる。また、第３波までの最大値（又は平均値）に基づき、安定時の振幅レベルを予測することで、信頼性を高めることができる。迅速性と信頼性との優先度合いで、ピーク値を検出する波の数（周期数）を決定すればよい。

（変形例）

なお、本実施の形態では、車両１２が走行している位置（Ａ地点、Ｂ地点、Ｃ地点）を積極的に検出しておらず、受信した電波の振幅レベルによって、判別していた。

これに対して、図４に示される如く、本実施の形態の変形例では、受信装置２０を取り付けたポール１８に、車両１２の移動状況を検出可能なレーダー６６が取り付けた。

レーダー６６は、検知距離に応じて内部の設定パラメータが異なるため、Ａ地点用、Ｂ地点用、Ｃ地点用のパラメータを予め記憶しておき、検知距離（検出地点）に応じて、内部の設定パラメータを自動的に選定するようにする。

これにより、車両１２がＥＴＣ基地局１０に近づいてくるとき、当該車両１２の現在位置（Ａ地点、Ｂ地点、Ｃ地点）が認識されるため、各地点のしきい値との比較時期を特定させることができ、より精度の高い利得調整が可能となる。

なお、レーダー６６を設置することで、車両１２がＥＴＣエリア２４外にいるときから接近を予測することができ、ＥＴＣエリア２４に入る時期が予測可能となり、直ちにＡＧＣ動作に移行することができる。

また、レーダー６６によって、車載ＥＴＣからの微弱電波を受信することで、ＥＴＣカードの有無を事前に判別することも可能である。

なお、本実施の形態では、必要最小限として第１波のピークを実際に検出するようにしたが、さらに速い時期、例えば、第１波の立ちあがり時（ピークに達する以前）にその変化率を計算し、ピークを予測するようにしてもよい。具体的には、ＦＰＧＡ４４に予めビッグデータとして様々に遷移する複数のＥＴＣ波形を記憶しておき、機械学習によって類似する第１波を推定することで、第１波がピークに到達する前に、当該第１波のピークを予測することができる。

１０ ＥＴＣ基地局
１２ 車両
１４ 路面
１６ 通過ゲート地点
１８ ポール
２０ 受信装置
２２ アンテナ
２４ ＥＴＣエリア
２６ 光ファイバケーブル
２８ サーバー
３０ ネットワーク
３２ 管理制御装置
３４ ＬＮＡ
３６ ＢＰＦ
３８ ＡＧＣ（利得調整部）
４０ 分波器
４２ 復調部
４４ ＦＰＧＡ
４６ データ解析部
４８ 検波部（ピーク検出部）
５０ 電波強度予測部（予測部）
５２ しきい値記憶部
５４ 利得調整指示部（動作制御部）
５５ 誤り率演算部
５６ ＡＤ変換部
５８ 微分係数算出部
６０ 傾斜算出部
６２ ピーク検出部
６４ レベル認識部
６６ レーダー

Claims (8)

1. 発信源が徐々に近づいてくる状態で、当該発信源から振幅変調された電波を受信し、受信した電波の振幅レベルに応じて利得を調整する利得調整部を備え、当該利得調整部で調整された電波を復調することで、情報を取得する受信装置であって、
   受信した電波の受信開始から所定期間までの期間中の前記受信開始から所定周期分の電波のピークを検出する検出部と、
   前記検出部で検出した電波のピーク値と前記発信源までの距離に応じて設定したしきい値との比較結果に基づいて、適正利得を予測する予測部と、
   前記予測部で予測した適正利得で、前記利得調整部を動作させる動作制御部と、
   を有する受信装置。
2. 前記予測部は、先頭周期のピーク値を用いるか、または、前記先頭周期を含み、かつ前記先頭周期に連続する複数周期分のピーク値の最大値、前記複数周期分のピーク値の平均値の何れかを用いて、前記しきい値と比較する、請求項１記載の受信装置。
3. 前記発信源が、車載の狭帯域通信システムデバイスであり、デジタル情報が、振幅変調された電波が、車両走行中に送信される、請求項１又は請求項２記載の受信装置。
4. 前記検出部が、
   周期的に変化する電波の微分値を算出する算出部と、
   前記算出部で算出した微分値からピーク値を抽出する抽出部と、
   を備える請求項１〜請求項３の何れか１項記載の受信装置。
5. 前記所定周期分の電波が第１波であり、前記検出部は、第１波のピーク値を検出する、
   請求項１〜請求項４の何れか１項記載の受信装置。
6. 前記所定周期分の電波が第１波から第３波までの３波分であり、前記検出部は、受信する電波がＡＳＫ波の場合は３波の内の最大ピーク値を検出し、ＱＰＳＫ波を含むＡＳＫ波以外の電波の場合は３波のピーク値の平均値を検出する、請求項１〜請求項４の何れか１項記載の受信装置。
7. 車両から狭帯域通信システムに用いられる信号である電波を受信するアンテナと、
   前記アンテナで受信した電波の利得を調整する利得調整部と、
   前記利得調整部の出力から受信波を検波する検波部と、
   前記検波部の出力が、所定周期分の波形のレベルが所定以上である場合、利得調整を行うように前記利得調整部に指示を行う制御部とを有し、
   前記検波部は、アナログ−デジタル変換部、微分計算部、ピーク検出部、レベル認識部を有し、
   前記アナログ−デジタル変換部は前記利得調整の出力をデジタル信号に変換し、
   前記微分計算部は、前記アナログ−デジタル変換部の出力から波形の傾きを計算し、
   前記ピーク検出部は、前記微分計算部の出力からピーク値を検出し、
   前記レベル認識部は、前記ピーク値のレベルを認識して出力する、
   狭帯域通信システム基地局。
8. 前記所定周期分が、車両から発信される狭帯域通信に関する電波の初期スロットの周期分を上限とし、迅速性及び信頼性の優先度に基づいて選択される、請求項７記載の狭帯域通信システム基地局。

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