JP2584482B2 - データ伝送装置に組込まれた速度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は移動物体の移動速度をドプラー効果を利用し
て測定する速度測定装置に係わり、特にその移動物体に
対してデータ伝送を行なうデータ伝送装置に組込まれた
速度測定装置に関する。

［従来の技術］ 例えば飛行機，車，電車，船舶等の移動物体に対して
地上の固定基地から各種のデータを無線を利用して伝送
する場合のデータ伝送装置は例えば第５図に示すように
構成されている。

すなわち、図中１は例えば10GHzの高周波の搬送波信
号を出力する発振器であり、この発振器１から出力され
た搬送波信号はアイソレータ２を通ったのち、AM変調器
３へ入力される。また、移動物体４へ送出すべきデータ
は例えば操作者がデータ設定器５のキーボードからキー
入力する。キー入力されたデータはシリアルのデジタル
信号に変換されてデータ信号としてAM変調器３へ送出さ
れる。このAM変調器３は、発振器１から出力された搬送
波信号をデータ信号で振幅変調する。AM変調器３から出
力された変調信号は送信信号としてアイソレータ６を介
して図示しない増幅器で増幅された後、指向性を有した
アンテナ７へ入力される。そして、このアンテナ７から
移動物体４に向けて電波放射される。

移動物体４はアンテナ７から自己に向けて放射された
電波をアンテナ８で受信し、自己内部に搭載された受信
機で受信信号を検波してデータ信号を取出して、例えば
表示器に表示する。

一方、移動物体４の移動速度Ｖを地上の固定基地から
簡単に測定する速度測定装置として一般にドプラー効果
を利用した装置が考えられている。この測定原理は一般
によく知られているように、一定の固定周波数を有した
高周波電波又は、一定の固定振動数を有した超音波を移
動物体へ送出して、その移動物体からの反射電波又は反
射音波を受信する。そして送振電波又は送信音波の周波
数と反射電波又は反射音波の周波数との差の周波数、す
なわちドプラー周波数を検出する。そして、このドプラ
ー周波数と電波または音波の速度とから、該当移動物体
の移動速度を算出する。

［発明が解決しようとする課題］ このように、地上の固定基地から、必要に応じて、移
動物体４にデータを送信したり、移動移動物体の移動速
度を測定することが前述したデータ伝送装置又は速度測
定装置を用いて実行することが可能である。

しかし、データ伝送装置と速度測定装置との２台の装
置を設ける必要があった。このような無駄を避けるため
に、データ伝送装置から出力される振幅変調された高周
波の搬送信号におけるドプラー効果を利用して移動物体
の速度を測定することが考えられる。

しかし、このようなものにおいては、アンテナ７から
放射される送信信号には前記発振器１の搬送周波数成分
の他に、データ設定器５から出力されるデータ信号のデ
ータ周波数成分が含まれる。しかも、このデータ信号の
データ周波数成分値はデータ設定器５に設定されたデー
タ値により、大きく変化して一定値にならない。したが
って、このような搬送周波数成分とデータ周波数成分と
を含んだ電波が移動物体４にて反射して、再びアンテナ
７へ入力したとしても、アンテナ７へ入力した反射波の
受信信号に含まれるドプラー周波数成分と元からこの反
射波信号に含まれるデータ周波数成分とはどちらも可変
データであるので、ドプラー信号成分のみを取出すこと
は不可能である。例えば、搬送信号の周波数f₀が前述し
たように10GHz程度であれば、移動物体４の移動速度Ｖ
を通常の100Km/h程度とすると、ドプラー周波数fdが±1
853Hz程度となる。一方、データ信号のデータを9.6KHz
スプリットフェーズとした場合には、サイドバンドノイ
ズとしてドプラー周波数領域に入り込むため、前述した
ドプラー周波数fdに重なる部分が多くなる。

すなわち、従来のデータ伝送装置および速度測定装置
においては、それぞれ独立した装置として使用する必要
があった。

本発明はこのような事情に鑑みて行われたものであ
り、アンテナへ入力される受信信号の検波信号とデータ
信号との差をとることにより、データ信号成分はキャン
セルされ、受信信号から搬送波信号のドプラー信号成分
を独立して検出でき、よって、データ伝送装置に組込む
ことができ、装置全体を小型にかつ低価格で構成できる
データ伝送装置に組込まれた速度測定装置を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のデータ伝送装置に組込まれた速度測定装置に
おいては、高周波の搬送信号を出力する発振器と、移動
物体に搭載された受信機へ伝送すべきデジタルのデータ
信号を出力するデータ設定器と、発振器から出力された
搬送波信号をデータ設定器から出力されたデータ信号で
振幅変調するAM変調器と、このAM変調器から出力される
変調信号を送信信号として移動物体に向けて電波放射す
るアンテナとを有したデータ伝送装置に対して、 AM変調器とアンテナとの間に介挿され、送信信号をア
ンテナへ送出すると共に、アンテナへ入力された移動物
体からの反射電波の受信信号と送信信号とを混合して、
受信信号に含まれるデータ信号成分と搬送波信号のドプ
ラー信号成分とを検波する入力検波器と、この入力検波
器の検波信号とデータ信号が入力され、検波信号からデ
ータ信号を差引くと共に、データ信号と受信信号に含ま
れるデータ信号成分との時間遅れから生ずる成分を除去
し、時間遅れから生ずる成分に比べ低い周波数のドプラ
ー信号成分を取出す差動増幅器と、この差動増幅器から
出力されるドプラー信号成分から移動物体の移動速度を
算出する演算回路とを付加したものである。

［作用］ このように構成されたデータ伝送装置に組込まれた速
度測定装置であれば、AM変調器から出力される搬送波信
号がデータ信号で振幅変調された送信信号は入力検波器
およびアンテナを介して移動物体に向けて電波放射され
る。そして、移動物体は自己に搭載された受信機でその
電波を受信してデータ信号を取出す。

また、この移動物体で反射された送信信号の反射電波
はアンテナにて受信されて受信信号として入力検波器へ
入力される。そして入力検波器において、この受信信号
は送信信号と混合されこの受信信号に含まれるデータ信
号成分とドプラー信号成分とが検波信号として取出され
る。そして、この検波信号は元のデータ信号とともに差
動増幅器へ入力され、この検波信号から元のデータ信号
と、この元のデータ信号と受信信号に含まれるデータ信
号成分との時間遅れから生ずる成分とが除去されて、ド
プラー信号成分のみが取出される。よって、このドプラ
ー信号成分から移動物体の移動速度が算出できる。

［実施例］ 以下発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第２図は実施例のデータ伝送装置に組込まれた速度測
定装置をトンネル内における列車（移動物体４）に図示
しない指令部からデータを伝送するとともにその時点に
おける列車速度を検出する場合に適用した概念図であ
る。トンネルの天井に指向性を有したアンテナ７が傾斜
角θで取付けられており、このアンテナ７の指向性の視
野内に列車が到来するとアンテナ７から放射された電波
を受信可能になるとともに列車速度Ｖが測定される。

第１図は実施例のデータ伝送装置に組込まれた速度測
定装置を示すブロック図である。第５図と同一部分には
同一符号が付してある。

すなわち、発振器1,アイソレータ2,AM変調器3,アイソ
レータ6,アンテナ７とを有するデータ伝送装置に対し
て、アイソレータとアンテナ７との間に入力検波器10を
介挿している。さらに、データ設定器５から出力された
データ信号ｄ（＝ｂ）と入力検破器10の検波信号ｇとの
差信号（ドプラー信号ｈ）を検出する差動増幅器11と、
この差動増幅器11から出力されたドプラー信号ｈから移
動物体４の移動速度Ｖを算出する演算回路12と、この演
算回路12で算出された移動速度Ｖを表示する表示部13と
が付加されている。

次に第３図に波形図を参照しながら各構成部材の動作
を信号の流れに沿って説明していく。

まず、発振器１から出力される例えば10GHz程度の高
周波の搬送波信号ａはアイソレータ２を介してAM変調器
３へ入力される。データ設定器５へ入力された移動物体
４へ伝送すべきデータはシリアルのデジタル信号に変換
されてデータ信号ｂとしてAM変調器３へ送出される。ま
たデータ設定器５から出力される同一のデータ信号ｄは
差動増幅器11の（−）側入力端子へ入力される。なお、
このデータ信号ｂ（ｄ）は第３図に示すようにデータ値
によって信号レベルが変化するパルス波形となるが、そ
の信号レベルが変化することによるこのデータ信号ｂ
（ｄ）は9.6KHzのスプリットフェーズ信号である。した
がって、サイドバンドノイズとしてドプラー周波数帯域
も有している。

AM変調器３は発振器１から出力された搬送波信号ａを
データ信号ｂで振幅変調した送振信号ｃをアイソレータ
６を介して入力検波器10へ送出する。

一方、入力検波器10はアイソレータ６を介して入力さ
れた送信信号ｃをそのまま指向性を有したアンテナ７へ
送出する。そして、送信信号ｃはこのアンテナ７から移
動物体４に向けて送信電波ｅとして放射される。

移動物体４はアンテナ７から自己に向けて放射された
送信電波ｅをアンテナ８で受信し、自己内部に搭載され
た受信機で受信信号を検波してデータ信号を取出して、
例えば表示器に表示する。

一方、移動物体４の表面で反射した反射電波ｆは再び
アンテナ７を介して入力検波器10へ入力される。この入
力検波器10は、アンテナ７にて受信した受信信号とアン
テナ７へ送出した送信信号ｃとを混合（ミキサ）して受
信信号に含まれるデータ信号成分を検波信号ｇとして取
出す。この場合、移動物体４が移動動作中であれば、そ
の移動速度Ｖに対して10GHzの搬送波信号ａの周波数が1
0GHzに対してfdだけ移動する。したがって、送信信号ｃ
と受信信号とをミクスした場合にその周波数差fdの信号
成分、すなわちドプラー信号成分が、第３図に示すよう
に、検波信号ｇにおけるデータ信号のパルス波形に重畳
する。このドプラー周波数fdのドプラー信号成分および
データ信号成分を含む検波信号ｇは、差動増幅器11の
（＋）側入力端子へ入力される。

差動増幅回路11は（＋）側入力端子へ入力され検波信
号ｇの波形から（−）側入力端子へ入力されたデータ信
号ｄの波形を差引く。すると、両信号g,d波形に含まれ
る共通のデータ信号波形がキャンセルされて、この差動
増幅器11からは第３図に示すようなドプラー周波数fdを
含んだドプラー信号ｈが出力される。このドプラー信号
ｈは次の演算回路12へ入力される。

ここで、差動増幅器11を用いてドプラー信号ｈのみが
取出される詳細理由を説明する。

すなわち、例えば、前述したように、搬送波信号ａの
周波数を10GHzとし、移動物体４の移動速度Ｖを100km/h
とする、ドプラー周波数fdは1853Hzとなる。また、アン
テナ７と移動物体４との間の距離を5mとし、電波速度を
光速度とみなすと、送信電波ｅと反射電波ｆと間の時間
遅れは、16.7nsecとなる。この16.7nsecの時間遅れは、
周波数に換算すると約60MHzとなる。

したがって、元のデータ信号ｄと受信信号に含まれる
データ信号との間にも前記16.7nsecの時間遅れが存在す
る。このため、検波信号ｇの波形から元のデータ信号ｄ
の波形を差し引いても、前記時間遅れに起因する約60MH
zの高周波信号波形が残ることになる。

しかし、この16.7nsecの時間遅れに起因する約60MHz
の周波数は、前述した1853Hzのドプラー周波数fdに比較
して十分高い周波数である、一般に、差動増幅器11にお
ける周波数特性は差動増幅対象の信号の周波数に比較し
て極端な低域及び極端な高域まで均一であることはな
く、測定対象移動速度の範囲に対応する周波数から極端
に高い周波数成分は減衰する。したがって、時間遅れに
起因する約60MHzの高周波成分が差動増幅器11から出力
されることはなく、差動増幅器11からドプラー信号ｈの
みが出力される。

演算回路12は入力されたドプラー信号ｈのドプラー周
波数fd（Hz）を求めて、周知の次式を用いて移動物体４
の移動速度Ｖ（m/s）を算出する。

Ｖ＝fdc/（2f₀cosθ） 但し、f₀（Hz）は搬送周波数,cは光速度（３×10⁸m/
s）である。そして、算出された移動物体４の移動速度
Ｖは表示器13に表示される。

このように構成されデータ伝送装置に組込まれた速度
測定装置装置によれば、データ設定器５へ移動物体４へ
伝送すべきデータを設定すれば、発振器1,アイソレータ
2,AM変調器3,アイソレータ6,アンテナ７からなるデータ
伝送装置が正常に動作して、データが移動物体４へ伝送
される。

また、データ信号ｂのデータ周波数成分と搬送波信号
の周波数成分f₀とを含んだ送信信号ｃの送信電波ｅは移
動物体４にて反射されてドプラー周波数fdだけシフトさ
れた搬送信号の周波数成分（f₀＋（又は−）fd）とデー
タ周波数成分を含んだ反射電波ｆとなる。そして、入力
検波器10にて検波されると、その検波信号ｇにはドプラ
ー周波数fdの周波数成分とデータ周波数成分のみが残
る。そして、この検波信号ｇに含まれるデータ信号のデ
ータ周波数成分は、差動増幅器11において、データ信号
ｄとの差を取ることによって除去される。しかして、ド
プラー信号ｈには移動物体４の移動速度Ｖのみの関数で
あるドラー周波数fdのみが残る。すなわち、データ設定
器５に設定するデータの値によって、その周波数値が大
きく変動するデータ周波数成分を完全に除去している。
したがって、移動物体４の移動速度Ｖを正確に得ること
が可能となる。

このように、データ伝送装置と速度測定装置とで多く
の電子構成部材を共用することが可能となったので、従
来のデータ伝送装置と速度測定装置とをそれぞれ独立し
た装置として設置しなければならない場合に比較して、
装置全体を小型軽量に構成できるとともに、製造費を大
幅に減少できる。

第４図は本発明の他の実施例に係わるデータ伝送装置
に組込まれた速度測定装置を示すブロック図である。第
１図と同一部分には同一符号を付してある。

この実施例においては、第１図におけるAM変調器３と
アイソレータ６との間に出力検波器９を介挿している。
この出力検波器９は、入力された送信信号ｃをそのまま
アイソレータ６を介して入力検波器10へ送出するととも
にその送信信号ｃを検波して元のデータ信号ｂに等しい
データ信号ｄに戻して差動増幅器11の（−）側入力端子
へ送出する。

このように構成された速度測定装置であれば、差動増
幅器11の（−）側入力端子へ入力されるデータ信号ｄ
を、AM変換器３から出力された送信信号ｃを出力検波器
９で検波することによって得ているので、差動増幅器11
の（＋）入力端子へ入力される検波信号ｇのデータ信号
成分における波形と（−）側入力端子へ入力されるデー
タ信号ｄの波形との間の時間遅れ差を極力小さくして、
検波信号ｇに含まれるデータ信号成分がより完全に除去
でき、移動物体４の移動速度Ｖをより正確に測定でき
る。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、アンテナへ入力
される受信信号の検波信号とデータ信号との差をとるこ
とにより、受信信号から搬送波信号のドプラー信号成分
を独立して検出し、そのドプラー信号の周波数から移動
物体の移動速度を算出している。したがって、移動物体
に対してデータを送信している状態で該当移動物体の移
動速度を測定できるので、データ伝送と速度測定とを１
台の装置で実現でき、かつデータ伝送と速度測定とをそ
れぞれ互いに独立して任意のタイミングで実施できる。
その結果、装置全体を小型にかつ低価格で構成できるデ
ータ伝送装置に組込まれた速度測定装置を提供ことがで
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるデータ伝送装置に組
込まれた速度測定装置の概略構成を示すブロック図、第
２図は同実施例装置をトンネル内の列車運行制御に適用
した例を示す図、第３図は同実施例の動作を示すタイム
チャート、第４図は本発明の他の実施例に係わるデータ
伝送装置に組込まれた速度測定装置の概略構成を示すブ
ロック図、第５図は一般的なデータ伝送装置を示すブロ
ック図である。 １……発振器、2,6……アイソレータ、３……AM変調
器、４……移動物体、５……データ設定器、７……アン
テナ、９……出力検波器、10……入力検波器、11……差
動増幅器、12……演算回路、13……表示器、ａ……搬送
波信号、b,d……データ信号、ｃ……送信信号、ｇ……
検波信号、ｈ……ドプラー信号。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高周波の搬送信号を出力する発振器（１）
   と、移動物体に搭載された受信機へ伝送すべきデジタル
   のデータ信号を出力するデータ設定器（５）と、前記発
   振器から出力された搬送信号を前記データ設定器から出
   力されたデータ信号で振幅変調するAM変調器（３）と、
   このAM変調器から出力される変調信号を送信信号として
   前記移動物体に向けて電波放射するアンテナ（７）とを
   有したデータ伝送装置に対して、 前記AM変調器と前記アンテナとの間に介挿され、前記送
   信信号を前記アンテナへ送出すると共に、前記アンテナ
   へ入力された前記移動物体からの反射電波の受信信号と
   前記送信信号とを混合して、前記受信信号に含まれるデ
   ータ信号成分と前記搬送波信号のドプラー信号成分とを
   検波する入力検波器（10）と、この入力検波器の検波信
   号と前記データ信号が入力され、前記検波信号から前記
   データ信号を差引くと共に、前記データ信号と前記受信
   信号に含まれるデータ信号成分との時間遅れから生ずる
   成分を除去し、前記時間遅れから生ずる成分に比べ低い
   周波数のドプラー信号成分を取出す差動増幅器（11）
   と、この差動増幅器から出力されるドプラー信号成分か
   ら前記移動物体の移動速度を算出する演算回路（12）と
   を付加してなることを特徴とするデータ伝送装置に組込
   まれた速度測定装置。