JP3799561B2

JP3799561B2 - 信号受信装置

Info

Publication number: JP3799561B2
Application number: JP07913897A
Authority: JP
Inventors: 孝幸鳥飼; 高明武末; 玄治野田; 修宮崎; 貴弥藤木
Original assignee: 株式会社キューキ
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JPH10256994A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、信号受信装置に関し、特に、配電線搬送方式に使用する信頼性および耐ノイズ性の高い信号受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力の配電系統の自動化の一環として、線路開閉器の監視制御用などに配電線搬送方式が採用されている。配電線搬送方式においては情報の伝送路として配電線を使用するために、高域の減衰が著しいので、一般に１ｋＨｚ以下の周波数の信号が使用される。ところが、この帯域においては、商用電源の高調波雑音電力が信号と比べて大きく、信号対雑音比が劣化する。そこで、配電線搬送方式においては、商用電源の高調波雑音の除去に有効なくし型フィルタを使用した、電源周波数と同期した伝送速度６０（あるいは５０）ｂｐｓのＳＳ（Spread Spectrum ：周波数拡散）方式が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の配電線搬送方式においては、信号として前記したように１ｋＨｚ以下の帯域を使用するために、商用周波数の高調波雑音はくし型フィルタによって除去できるとしても、上位系統の電圧変動に伴うガウス性雑音および負荷のオン／オフに伴うインパルス性雑音によって受信性能が劣化し、信頼性が低くなってしまうという問題点があった。また、温水器の制御等の場合には、親局からの下り信号のみで制御し、返信を行わないことから、制御信号が正常に受信できたか否かを確かめる手段が無いので、受信装置の信頼性が低いと正常な制御ができないという問題点があった。
本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解決し、安価に製作可能であり、かつ耐ノイズ性および信頼性の高い信号受信装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、固定長フレームが複数回連送される信号を受信する信号受信装置において、受信信号をベースバンド信号に変換する検波手段と、ベースバンド信号をリサンプルするリサンプル手段と、信号の平均値より所定値以上大きなリサンプル値を平均値に書き換えるインパルス性雑音除去手段と、インパルス性雑音除去手段から出力されるベースバンド信号を任意のタイミングでフレーム長毎に区切り、該複数個のフレーム長データについて、同じタイミングのサンプル値毎の平均値を求める平均値算出手段と、平均値算出手段の出力信号を復号する復号手段とからなることを特徴とする。
【０００６】
更に、前記受信信号をベースバンド信号に変換する検波手段は、受信信号を１変調区間分遅延させる信号遅延手段と、受信信号から信号遅延手段の出力信号を減算する減算手段と、減算手段の出力信号をＡＭ検波する検波手段とを備えている点にも特徴がある。
【０００７】
本発明は、上記のような構成により、所定値以上の振幅のサンプル値を例えば平均値に変換してしまうインパルス性雑音除去手段によってインパルス性雑音を除去し、該ベースバンド信号の複数フレーム分について同じタイミングのサンプル値同士を累算することにより、インパルス性雑音の影響を低減し、また相関の無いガウス性雑音を除去できる。
【０００８】
また、受信信号を任意のタイミングでフレーム長に区切り、複数フレーム長分の同じタイミングのサンプル値毎の平均値を求めて、該平均値に基づいて信号を復号し、復号データから同期パターンを検出する方式を採用したので、信号の先頭を識別する必要が無く、そのためのヘッダ等も必要なくなる。また、復号前にサンプル値の平均値を取り、複数のサンプル値に基づき復号時の判定タイミングおよびしきい値を決定しているので、信頼性が向上する。
更に、くし型フィルタを高調波雑音の除去と共に変調信号の復調に兼用でき、処理が簡単になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図２は、本発明の信号受信装置を使用する配電線システムの構成を示すブロック図である。変電所の主変圧器２は特別高圧系統の電圧を高圧系統の電圧に変換し、変換された電力はサーキットブレーカ３、４、５を介して各高圧配電線６に分配される。各高圧配電線６には複数の柱上変圧器７が接続され、柱上変圧器７の２次側の低圧配電線が各家庭等に接続される。各家庭等においては、本発明の信号受信装置８を介して被制御装置９として例えば温水器が接続されている。
【００１０】
一方、変電所においては、高圧配電線系統の１つに、高圧結合装置１２を介して信号送信装置１１が接続されている。そして、信号送信装置１１は、例えば専用回線により、営業所等に設置されている制御装置１０に接続されている。この制御装置１０は、例えばオペレータの操作に基づいてデジタル制御信号を生成し、回線に送出するコンピュータシステムである。そして、回線を介して制御装置１０からデジタル制御信号を受信した信号送信装置１１は、後述するような制御信号を生成し、高圧系統に信号をカップリングする高圧結合装置１２を介して高圧系統に送信する。送信された制御信号は、高圧配電線６、柱上変圧器７を介して、信号受信装置８によって受信される。
【００１１】
負荷の平準化を行うために夜間電力を使用する温水器を制御するためには、制御装置１０から毎日、電力消費の減少する所定の時刻に温水器の電源をオンにするための制御信号を送信し、電力消費が増加する時刻に電源オフの制御信号を送信する。温水器の制御装置は内部に時計を備えており、もし、前回の電源オン（オフ）の制御から２４時間プラス所定時間以上経っても電源オン（オフ）の制御信号を受信しない場合には、内部の時計に基づき温水器の電源をオン（オフ）にする。制御装置１０から温水器に送信される情報としては、電源のオン／オフ情報および温水器の内部時計の時刻合わせ情報がある。
【００１２】
図３は、信号受信装置８の構成を示すブロック図である。低圧配電線系統の商用電源に接続されたトランス２０の２次側巻線はＬＰＦ（ローパスフィルタ）２１およびＢＥＦ（バンドエジェクトフィルタ）２３に接続されている。商用電源周波数を通し、それより高い周波数を遮断するＬＰＦ２１の出力はコンパレータ２２に接続され、コンパレータ２２は、例えば入力電圧と０Ｖとを比較し、差が正のときには５Ｖ、負の時には０Ｖの商用電源信号を出力する。この信号はＡ／Ｄ変換器２６によってデジタル信号に変換され、ＣＰＵ２７に取り込まれて、後述する信号のリサンプリング用のタイミングの検出に使用される。
【００１３】
一方、ツインＴフィルタ等のＬＣフィルタによって構成され、商用電源周波数の信号を除去するＢＥＦ２３の出力信号はアンプ２４によって増幅され、制御信号帯域（例えば４２０〜７８０Ｈｚ）のみを通過させるＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２５を介して、Ａ／Ｄ変換器２６に入力される。Ａ／Ｄ変換器２６は、２系統の入力信号を時分割処理によってそれぞれデジタル信号に変換し、ＣＰＵ２７はそれぞれの信号を取り込んで、ソフトウェアにより後述する信号受信処理を行い、復号した制御信号を出力する。
【００１４】
なお、回路ブロック２１から２５までの回路は１つのハイブリッド素子として製造されることができ、トランス２０およびＡ／Ｄ変換器を内蔵した１チップコンピュータは、被制御装置９である温水器の電源トランスおよび制御用ＣＰＵと兼用できる。従って、既存の温水器にハイブリッド素子を追加するのみで、安価にオン／オフの遠隔制御が可能となる。
【００１５】
図４は、制御信号のフォーマットおよび波形を示す説明図である。図４（ａ）は、制御信号全体のフォーマットを示しており、制御信号はプリアンブルおよび３２個のフレームから成っている。１つのフレームの長さは２０ビットであり、図４（ｂ）に示すように、７ビットの同期パターンと１３ビットの情報ビットに分かれている。
同期パターンは例えば「０１１１１１０」という固定パターンである。情報ビットは、コンビネーション13Ｃ4 で表される組合わせに対応するパターンの内の１つであり、含まれている１の数は４個であり、情報ビット中に同期パターンが現れることはない。
【００１６】
信号の変調速度は６０Ｈｚであり、図４（ｃ）に示す、信号中の各ビットに対応する変調区間は、図４（ｅ）に示す商用電源波形と同期している。即ち、商用電源波形の負から正へのゼロクロス点から、次の負から正へのゼロクロス点までが１つの変調区間となっている。送出される信号は、図４（ｃ）に示すように、４２０Ｈｚから７８０Ｈｚまでのスイープ（周波数掃引）信号の２連送波形である。なお、図４（ｄ）は信号を周波数軸上で表したものである。
【００１７】
信号の符号方式としては差動符号化方式を採用し、変調方式としては２値位相偏移変調方式を採用している。従って、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、例えばデータが”１”の場合には信号の位相が直前の変調区間の位相の反転したもの、即ち直前の位相が０ならばπ、πならば０であり、データが”０”の場合には直前と同じ位相となる。なお、信号は全部で６４０ビットとなり、送出時間は１０．７秒かかるが、温水器の場合には多数の温水器を一斉に制御するので問題はない。
【００１８】
図１は、ＣＰＵ２７における信号受信処理の機能ブロックをしめすブロック図であり、図５は信号受信処理における主要部の信号波形を示す説明図である。商用電源周期検出部３０においては、ＣＰＵ２７に内蔵するタイマ割り込み機能を使用して、コンパレータ２２から出力される商用電源信号の立ち上がりから次の立ち上がりまでの周期を測定する。そして、例えば該測定周期の６分の１の周期のリサンプリング信号（図５（ｆ））を生成する。
【００１９】
商用電源１周期分遅延部３１は、入力した受信信号（図５（ａ））を図示しないメモリに格納し、１周期の時間（例えば１／６０秒）後に読み出す。Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートが例えば２．４ｋＨｚであれば、商用電源１周期分遅延部３１は、４０サンプル値を格納するＦＩＦＯバッファ機能により実現される。減算器３２は、入力した受信信号から商用電源１周期分遅延部３１の出力信号を減算する。この処理は、周波数領域において一定の間隔でノッチ特性を有するくし型フィルタ処理に相当し、電源周波数およびその高調波成分の雑音信号は商用電源１周期分前の雑音信号と同位相であるので、該雑音信号が例えば３０ｄＢ程度除去される。
【００２０】
また、電源の周波数と変調速度が一致しているので、変調された制御信号については、ちょうど１変調区間前の信号が減算されることになる。従って、１変調区間前の信号が同位相の場合には、減算結果が０となり、また逆位相の場合には、振幅値が２倍（２Ａ）になる。よって、該くし型フィルタ部は制御信号に対して一種の遅延検波機能を果たし、減算器３２の出力（図５（ｃ））には、差分の２値位相変調信号を振幅変調信号に変換した信号が得られる。
【００２１】
全波整流部３３は図５（ｄ）に示すような信号の振幅値の絶対値を出力し、移動平均（平滑）部３４は、図５（ｅ）に示すように全波整流部３３の出力サンプル値について、最新の所定期間（例えば１／１００秒程度）内のサンプル値の平均値を出力する。この処理はアナログ処理におけるローパスフィルタあるいは包絡線抽出回路に相当し、この処理によってベースバンド信号に変換された制御信号が得られる。商用電源１周期分遅延部３１から移動平均部３４までにより、変調された制御信号をベースバンド信号に変換する検波部が形成されている。
【００２２】
リサンプリング部３５は、商用電源周期検出部３０から出力される例えば電源周期の１／６の周期のリサンプリング信号に基づき、移動平均部３４の出力をリサンプリングする。移動平均部３４の出力はＡ／Ｄ変換器２６のサンプリングレート（例えば数ｋＨｚ）に相当するデータ速度を有するが、移動平均処理されているので、隣接サンプル値間の相関が強く、全てのサンプル値を復号に使用する必要は無い。そこで、該出力値を例えば１変調区間当たり６サンプル値にリサンプリングすることにより、データ速度が６×６０Ｈｚ＝３６０Ｈｚに低減され、処理負荷が低減される。従って、低価格の８ビットＣＰＵによる処理が可能となる。
【００２３】
１フレーム分蓄積部３６においては、リサンプリングされた信号値を１フレーム長分、即ち２０ビット×６サンプル値＝１２０サンプル値だけメモリに格納する。なお、ビット同期は取られているが、１フレーム長分のサンプル値の区切り位置は任意であり、フレーム同期を取る必要は無い。インパルスノイズ除去処理部３７においては、まず１フレーム長分の全サンプル値の平均値を求め、次に各サンプル値について、平均値の数倍以上であるものを検索し、該当するサンプル値はインパルスノイズによるものであると見なして平均値に書き換える。
【００２４】
３２フレーム加算部３８においては、最新の３２フレーム長分のサンプル値について、フレーム（区切り）内の同じタイミングのサンプル値毎の平均値を求める。即ち３２フレームの矩形窓によるフレーム単位の移動平均を取る。この処理により、信号と相関の無いガウス性雑音およびインパルスノイズの影響が低減され、信号対雑音比が向上する。
【００２５】
アイパターン生成部３９においては、３２フレーム加算部３８の出力である２０ビット分のデータを１ビット毎に区切って、ビット内の同じタイミングのサンプル値同士を重ねたアイパターンデータを生成する。判定点決定部４０においては、ビット内の各タイミング（例えば６個）について、”１”を表すサンプル値の内の最小のもの（図６のＰ）と”０”を表すサンプル値の内の最大のもの（図６のＱ）の差を求める。
このシステムにおいては、１フレームに含まれる”１”の数が、同期パターンの５個と情報ビットの４個の合わせて９個と一定である。そこで、各タイミングのサンプル値データの内、レベルの大きな方から９個を”１”、１０個目以下を”０”と見なして９個目の値と１０個目の値の差を求め、該差が最も大きな点を判定点に決定する。
【００２６】
図６はアイパターンデータ例を示す説明図である。この例では１変調区間のサンプル点数が６であり、タイミングＴ4 が最もアイが開いている。即ち点ＰとＱの差が最も大きい。従って、タイミングＴ4 が判定点に決定され、３２フレーム加算部３８の出力データの中から、各変調区間内のタイミングＴ4 のサンプル値が復号処理に採用される。
しきい値決定部４１は、決定された判定点におけるアイの中央値、即ち”１”を表すサンプル値の内の最小のものＰと”０”を表すサンプル値の内の最大のものＱの平均値Ｒをしきい値に決定する。
【００２７】
復号部４２は、決定された判定点Ｔ4 に基づき、３２フレーム加算部の出力データから各ビットに対応するサンプル値を抽出し、しきい値Ｒと比較することによって０か１かを識別し、信号を復号する。同期パターン検出部４３は、復号されたデータの最後尾と先頭が連続しているものと見なして、該データ中から同期パターンを検索し、同期パターンの位置が判明すると、該同期パターンに続く情報ビットを抽出する。
【００２８】
例えば復号されたデータが「１００００１１０００００１１１１１００１」であった場合には、同期ビットパターン「０１１１１１０」が第１２〜１８ビット目に存在する。従って、これに続く情報ビットは、第１９、２０、１〜１１ビットの「０１１００００１１００００」となる。情報ビット定マーク検出部４４は、情報ビット中のマーク（１）の数を計数し、所定個数（例えば４個）であれば正しいデータであるものと見なして出力する。以上のような処理により、非常に信頼性の高い信号受信が可能となる。
【００２９】
以上、実施例を説明したが、以下に示すような変形例も考えられる。実施例においては、リサンプリングの間隔を等間隔とする例を開示したが、アイパターンは通常変調区間の中央部分が最も開いているので、リサンプリングの位置を等間隔ではなく、信号区間の中央部分のみに集中して配置してもよい。
インパルス性雑音除去処理においては、インパルスノイズと見なした部分を平均値に置き換えているが、例えば置き換える値を隣接するサンプル値を用いた補間演算により求めてもよい。
実施例においては、送信信号としてスイープ信号を使用する例を開示したが、これは既存の設備をそのまま使用したためであり、本発明の実施においては制御信号の周波数は固定でもよい。
本発明の信号受信装置は配電線搬送方式のみならず、任意の有線あるいは無線によるデジタル信号の受信装置に適用可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、所定値以上の振幅のサンプル値を例えば平均値に変換してしまうインパルス性雑音除去手段によってインパルス性雑音を除去し、該ベースバンド信号の複数フレーム分について同じタイミングのサンプル値同士を累算することにより、インパルス性雑音の影響を低減し、また相関の無いガウス性雑音を除去できるという効果がある。
【００３１】
また、受信信号を任意のタイミングでフレーム長に区切り、複数フレーム長分の同じタイミングのサンプル値毎の平均値を求めて、該平均値に基づいて信号を復号し、復号データから同期パターンを検出する方式を採用したので、信号の先頭を識別する必要が無く、そのためのヘッダ等も必要なくなる。また、復号前にサンプル値の平均値を取り、複数のサンプル値に基づき復号時の判定タイミングおよびしきい値を決定しているので、信頼性が向上するという効果もある。
【００３２】
更に、くし型フィルタを高調波雑音の除去と共に変調信号の復調に兼用できるので、処理が簡単になるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＰＵ２７における信号受信処理の機能ブロックをしめすブロック図である。
【図２】本発明の信号受信装置を使用する配電線システムの構成を示すブロック図である。
【図３】信号受信装置８の構成を示すブロック図である。
【図４】制御信号のフォーマットおよび波形を示す説明図である。
【図５】主要部の信号波形を示す説明図である。
【図６】アイパターンデータ例を示す説明図である。
【符号の説明】
１…特別高圧系統、２…主変圧器、３、４、５…サーキットブレーカ、６…高圧配電線、７…柱上変圧器、８…信号受信装置、９…被制御装置、１０…制御装置、１１…信号送信装置、１２…高圧結合装置

Claims

固定長フレームが複数回連送される信号を受信する信号受信装置において、
受信信号をベースバンド信号に変換する検波手段と、
ベースバンド信号をリサンプルするリサンプル手段と、
信号の平均値より所定値以上大きなリサンプル値を平均値に書き換えるインパルス性雑音除去手段と、
インパルス性雑音除去手段から出力されるベースバンド信号を任意のタイミングでフレーム長毎に区切り、該複数個のフレーム長データについて、同じタイミングのサンプル値毎の平均値を求める平均値算出手段と、
平均値算出手段の出力信号を復号する復号手段とからなることを特徴とする信号受信装置。
請求項１に記載の信号受信装置において、
前記受信信号をベースバンド信号に変換する検波手段は、
受信信号を１変調区間分遅延させる信号遅延手段と、
受信信号から信号遅延手段の出力信号を減算する減算手段と、
減算手段の出力信号をＡＭ検波する検波手段とを備えていることを特徴とする信号受信装置。