JP5275860B2 - アナログ無線を介した音声情報ディジタルネットワーク伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、アナログ無線を介した音声情報のネットワーク伝送システムに関し、特に、オーバーリーチなどで生じる同一音声情報の複数基地局での受信音声を自動選択し、音声情報の重複を防ぎ、確実に音声情報を受け取るためのシステムに関するものである。

従来、アナログ無線を介して、音声情報を移動局から中継基地局へ音声情報を送り、それを遠隔の監視制御コンピュータ端末へ送信する際、移動局の回りに複数の中継基地局があると、移動局から送信された音声情報を複数の中継基地局が受信する場合がある（オーバーリーチ）。
このようなオーバーリーチが生じた場合、中継基地局から監視制御コンピュータへ重複して音声情報が送られることになる。監視制御コンピュータ側において、例えば、プレストーク式通話を行う電話端末機を使用して移動局からの音声情報をオペレータが聞く場合、音声情報が重複し遅延して監視制御コンピュータ側に到達するために、音声にエコーがかかったようになるといった問題が生じていた。

また、受信した情報の選別を行い、遅延が少なく、より良い品質のフレームを選択することができる技術として、携帯電話などに用いられる移動体通信システムに関するものがある。特に、異なるセル間を移動局が移動する場合、ダイバーシチハンドオーバを行う移動体通信システムの技術が知られている（特許文献１を参照）。
また、インターネットによるデータ伝送の通信品質の向上を目的として、インターネットの通信品質が悪い区間におけるIＰ電話に関する技術が知られている（特許文献２を参照）。

特開２００１−２８５９１２号公報 特開２００５−２２３３７５号公報

上述の特許文献１に開示されている技術によれば、第３世代移動体通信システムの無線区間アクセスであるＣＤＭＡ（code division multiple access）方式などに採用されているダイバーシチハンドオーバに関する問題を解決できる。すなわち、基地局の電波の到達領域をセルと定義した場合に、セルは互いにその一部が若干重なるように配置されていることから、異なるセル間を移動する移動局は、このセルの重複領域において、交信する基地局を移動元セルの基地局から移動先セルの基地局へ変更する。この時、移動局からの送信データは、複数の基地局において受信される。各基地局はその受信データに、受信時電波強度など受信品質を示すデータを付加して同一の基地局制御装置（Radio Network Controller：ＲＮＣ）へ送信する。基地局制御装置は、それらの受信データの中から受信品質の最も良いものを選択する。これらの処理をダイバーシチハンドオーバと称している。

ここで、品質情報としては、受信時の電波強度やＣＲＣ（Cyclic Redundancy
Check)などが利用できるとされているが、送信装置からアナログ音声情報が送られる場合には、以下の問題がある。
すなわち、移動局からアナログ音声情報が送られる場合には、品質情報としては、周辺の雑音や機器固有のノイズなどを考慮して音声情報のＳ／Ｎ比を考慮した品質を判断する必要がある。また、移動局からアナログ音声情報を受信した複数の基地局の間では、それが同一の音声情報か否かを判断できず、各基地局が基地局制御装置に送信するデータに付加する情報として、有意なものがないといった問題である。

また、上述の特許文献２に開示されている技術によれば、受信装置に対する到達時刻にずれが生ずる場合に、受信装置では到達したＩＰパケットのうち最も早く到達したものを採用することとし、それよりも遅いものは破棄するものである。しかしながら、かかる技術は、ディジタル伝送を前提としており、送信装置から同時・同報で出力されたＩＰパケットのように、パケットヘッダに識別子等で同一か否かを瞬時に判別できる場合に、適用できるものである。
しかしながら、送信装置からアナログ音声情報が送られる場合には、かかるＩＰパケットのように識別子等で同一か否かを瞬時に判別できないといった問題がある。

上記状況に鑑みて、本発明は、移動局からアナログ無線を介してアナログ音声情報が受ける基地局において、オーバーリーチにより複数の基地局から同一の音声情報が監視制御コンピュータに送信される場合に、音声遅延による音声の聞き取り不良を改善するシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明のアナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システムは、
１−１）移動局のアナログ無線送信機から送信された音声データを受信する少なくとも２つの第１の基地局と、
１−２）上記の移動局と通話可能な端末機を備える少なくとも１つの第２の基地局と、
１−３）上記の第１の基地局と第２の基地局が１重化もしくは多重化されたディジタル伝送ネットワークを介して接続され、第２の基地局がディジタル伝送ネットワーク経由で移動局の音声データを受信するたシステムであって、
１−４）第２の基地局は、先に到着したパケット分割された音声データパケット（先着音声データ）の受信チャネルにおける第１の基地局とは異なる第１の基地局によって同一の移動局から受信される異なる受信チャネルを経由して同一性のある音声データパケット（遅延音声データ）が先着時刻から所定時間内に到着した際、先着時刻から所定時間内に到着した同一性のある音声データパケット（遅延音声データ）を破棄することにより、同一移動局からの音声データパケットを複数受信した場合に自動的に音声データを１つ選択し、
１−５）同一性のある音声データの判別手段は、先着音声データの周波数スペクトルおよび遅延音声データの周波数スペクトルを演算し、各々の周波数スペクトルの入力レベルを正規化し、各々の周波数スペクトルの所定の音声帯域の周波数と振幅の相関値を演算し、相関値が所定の閾値以上のものを同一性のある音声データと判別する、
といった上記１−１）〜１−５）から構成されるものである。

かかる構成によれば、移動局からアナログ無線を介してアナログ音声情報が受ける基地局において、オーバーリーチにより複数の基地局から同一の音声情報が第２の基地局である基地局制御装置に接続された監視制御コンピュータに送信される場合に、音声遅延による音声の聞き取り不良を改善できる。

すなわち、かかる構成とすることにより、第１の基地局である中継基地局から第２の基地局である監視制御コンピュータへ重複して音声情報が送られた場合でも、第２の基地局である監視制御コンピュータ側において、例えば、プレストーク式通話を行う電話端末機を使用して移動局からの音声情報をオペレータが聞く場合でも、音声にエコーがかかったようになることを回避できる。

ここで、同一性のある音声データか否か判断は、後述する同一性のある音声データの判別手段により行う。
また、上記の所定時間は、例えば、０．５秒，１秒などシステムの規模、条件などに応じて、適切な時間を設定する。
また、１重化もしくは多重化されたディジタル伝送ネットワークとは、インターネットプロトコル網（ＩＰ網）などの汎用ネットワークや軍事用などの専用ネットワークの双方を包含するものである。

上述したように、移動局からアナログ音声情報が送られる場合には、品質情報として、周辺の雑音や機器固有のノイズなどを考慮して音声情報のＳ／Ｎ比を考慮した品質を判断する必要がある。これは移動局からディジタル音声情報が送信される場合と異なり、アナログ音声情報に固有の識別子を付加できないことに起因する。
すなわち、移動局からディジタル音声情報が発信される場合、そのディジタル音声情報に固有の識別子を付加できるので、複数の第１の基地局で、同一移動局からの同一のディジタル音声情報を受信した場合でも、システム全体の中で、そのディジタル音声情報が同一であることが固有の識別子を利用して容易に把握できることになる。

一方、移動局からアナログ音声情報が発信される場合、そのアナログ音声情報に固有の識別子を付加することは困難であり、複数の第１の基地局で、同一移動局からの同一のアナログ音声情報を受信した場合、システム全体の中で、そのアナログ音声情報が同一であることが把握することは困難である。そのため、同一の移動局から同一のアナログ音声情報を受信した複数の第１の基地局の間では、それが同一のアナログ音声情報か否かを判断できず、それぞれの第１の基地局が第２の基地局である基地局制御装置に、独立した単独の音声情報として送信することになる。

本発明は、第２の基地局である基地局制御装置に、所定時間内に到着した複数のアナログ音声情報に、同一性があるか否かを判断して、先着したものを有効な音声情報として利用することとし、オーバーリーチによる音声遅延による音声エコーを回避して、音声の聞き取り不良を改善するものである。

また、第２の基地局である基地局制御装置に、所定時間内に到着した複数のアナログ音声情報に、同一性があるか否かを判断して、最もＳ／Ｎ比が大きい音声データを選択して利用することとし、オーバーリーチによる音声遅延による音声の聞き取り不良を改善してもよい。
ここで、Ｓ／Ｎ比による識別処理については後述する。第２の基地局である基地局制御装置に接続されている監視制御コンピューでは、同一音声情報の場合、より音声がクリアなものを聞き取ることが可能となる。

ここで、上記のアナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システムにおける同一性のある音声データの判別手段は、上述の１−５）の通り、
ａ）先着音声データの周波数スペクトルおよび遅延音声データの周波数スペクトルを演算し、
ｂ）各々の周波数スペクトルの入力レベルを正規化し、
ｃ）各々の周波数スペクトルの所定の音声帯域の周波数と振幅の相関値を演算し、
ｄ）相関値が所定の閾値以上のものを同一性のある音声データと判別する、
といった上記ａ）〜ｄ）から構成されるものである。

ここで、音声帯域のスペクトルとは、人が聞き取れる音声帯域である３００〜３４００Ｈｚの帯域の音波のスペクトルである。音声帯域のスペクトルと音声帯域外のスペクトルのＳ／Ｎ比を演算するのは、３００〜３４００Ｈｚ帯域内の音波は音声情報の信号として処理し、３００〜３４００Ｈｚ帯域以外の音波をノイズ（雑音）として見做し、Ｓ／Ｎ比を演算するためである。Ｓ／Ｎ比は、一般に信号（Ｓ）に対するノイズ（Ｎ）の量を対数で表したものであり、アンプなどの電気回路の性能を表すときなどに使われるものである。基準信号を入力したときの出力レベル（信号レベル）を、入力なしの場合の出力レベル（雑音レベル）に対してｄＢ (デシベル)で表す。このｄＢの数値が大きいほど雑音が少なく高品質の信号が得られることを意味する。

従って、音声帯域のスペクトルと音声帯域外のスペクトルのＳ／Ｎ比を演算すれば、音声情報が存在する音声帯域のスペクトルと音声情報ではないノイズが存在する音声帯域外のスペクトルのＳ／Ｎ比が求まる。Ｓ／Ｎ比が小さい場合には、音声情報がノイズの影響を大きくうける。上述したように、人には聴覚心理といった特性があり、大きなノイズ音があるとその周辺の周波数の小さな音の有無が知覚できないために、Ｓ／Ｎ比が小さい場合は、装置の周囲に正常に音声情報が告知できないものと判定することとしたものである。

また、音声帯域の信号スペクトルにノイズとなる信号がある場合、音声帯域での原音スペクトルのＳ／Ｎ比をとる。Ｓ／Ｎ比の高いものは、明瞭度が高い音（クリアーな音）とする。

なお、ノイズには大別して２種類ある。間欠ノイズと一定の周波数で入ってくる騒音等のノイズである。Ｓ／Ｎ比が小さく、ノイズがある場合は正常に音声情報が周囲に告知できなかったこととするのである。

また、上記アナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システムにおいて、
ｅ）各々の周波数スペクトルにおける音声帯域のスペクトルと音声帯域外のスペクトルのＳ／Ｎ比を演算し、
ｆ）相関値が所定値以上で、かつ、Ｓ／Ｎ比が所定値以上の場合に同一性のある音声データと判別する、
といった上記ｅ）〜ｆ）から構成されるのが更に好ましい態様である。

本発明によれば、移動局からアナログ無線を介してアナログ音声情報が受ける基地局において、オーバーリーチにより複数の基地局から同一の音声情報が監視制御コンピュータに送信される場合に、音声遅延による音声の聞き取り不良を改善できるといった効果を有する。

アナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システム説明図（１） アナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システム説明図（２） アナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システム説明図（３） 伝送装置のアナログ音声情報の同一性の判別処理フロー

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、本発明のアナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システムのシステム構成図を示している。
図１のシステムは、左から移動局（Ｍ１〜Ｍ４）、第１の基地局（Ｓ１〜Ｓ４）、第１の基地局（Ｓ１〜Ｓ４）に接続される伝送装置（１０，２０，３０，４０）、ＩＰ網（インタネットプロトコルネットワーク）１００，２００、第２の基地局６０、第２の基地局に接続されている監視制御コンピュータ６２とプレストーク式通話を行う電話端末機（以下、リモコンと称する）６１から構成される。

ＩＰ網は、２重化されており、常用系（Ａ系）１００と待機系（Ｂ系）から成る。また、第１の基地局（Ｓ１〜Ｓ４）にはそれぞれアンテナ（１２，２２，３２，４２）が搭載されており、移動局（Ｍ１〜Ｍ４）と無線で音声をやり取りする。また、伝送装置１０には、第１の基地局とデータ授受を行うための入出力端子１４、スピーカー１５、マイク１６、ＩＰ網とのＩ／Ｆ部（１７ａ，１７ｂ）が設けられ、ネットワークケーブル（１８ａ，１８ｂ）に接続されている（伝送装置２０，３０，４０も同様）。

また、第２の基地局６０には、ＩＰ網とのＩ／Ｆ部（６７ａ，６７ｂ）が設けられ、ネットワークケーブル（６８ａ，６８ｂ）に接続されている。また、第２の基地局６０に接続されている監視制御コンピュータ６２では、システム全体の機器状態を監視し、また、移動局から音声が送られてきた場合に、その音声情報の履歴（音声受信日時、音声受信元）を保存、ディスプレイに表示する機能を備えるものである。第２の基地局６０に接続されているリモコン６１は、電話機６３、スピーカー６４、プレストーク切替用の点灯あるいは点滅式ボタン６５を備える。

図１には、移動式Ｍ１のアナログ音声情報が第１の基地局Ｓ１に無線で送られ（１３）、その音声情報が伝送装置１０によってディジタル音声信号に変換され、パケット分割され、Ａ系のＩＰ網１００を経由して、第２の基地局６０に到達している様子が示されている。同様に、移動式Ｍ２のアナログ音声情報が第１の基地局Ｓ２に無線で送られ（２３）、その音声情報が伝送装置２０によってディジタル音声信号に変換され、パケット分割され、Ａ系のＩＰ網１００を経由して、第２の基地局６０に到達している。移動式Ｍ３、移動式Ｍ４も同様である。
この図１の状態では、オーバーリーチは生じていない。

次に、オーバーリーチが生じる場合について、図２を用いて説明する。図２では、移動局Ｍ３のみに着目する。移動局Ｍ３から発信されたアナログ音声情報は、３台の第１の基地局（Ｓ２〜Ｓ４）に受信されている（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）。第１の基地局Ｓ２では、その音声情報が伝送装置２０によってディジタル音声信号に変換され、パケット分割され、Ａ系のＩＰ網１００を経由して、第２の基地局６０に到達している。また、第１の基地局Ｓ３では、その音声情報が伝送装置３０によってディジタル音声信号に変換され、パケット分割され、Ａ系のＩＰ網１００を経由して、第２の基地局６０に到達している。

一方、第１の基地局Ｓ４では、Ａ系ＩＰ網とのＩ／Ｆ部分に障害があり（例えば、ケーブル４８ｂが断線）、Ｂ系のＩＰ網２００を経由して、第２の基地局６０に到達している。

このような場合、第２の基地局６０には、３つの音声信号が入ることになる。各音声信号は、パケットの遅延や、ＩＰ網が異なることから、伝送遅延が生じる。第２の基地局６０では、到着した３つの音声情報が予め設定された閾値の１秒以内に存在することから、それらの周波数の波形パターンを用いて同一性を調べ重複した音声情報か否かを判別する。
重複している音声情報は、最初に届いた一つを除き、全て破棄される。この時、一定時間内に届いた音の波形パターンの重複したものだけを破棄し、一定時間外に再び音声情報を受信した際、その音声情報は再度送られてきた可能性のあるものとして破棄されずに残る。

上記のシステムは、更に拡張されてもよい。例えば、図１，図２で示されるように、第１の基地局を更に増設してもかまわない（５０，５１，５２）。また、図３に示されるように、４台の第１の基地局（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）と４台の第２の基地局（６０，７０，８０，９０）が２重化されたＩＰ網（１００，２００）に接続されるシステムでもよい。なお、図３では保守端末３００がＩＰ網に接続されている。

第２の基地局に接続される伝送装置６０には、アナログ音声情報の同一性を判別する処理をつかさどるＣＰＵとＲＡＭやＲＯＭのメモリがある。また、音声情報や外部トリガー信号を入力できる外部インタフェースのＩＰ網の
Ｉ／ＦやＩ／Ｏコントローラを備えている。

図４に、伝送装置のアナログ音声情報の同一性の判別処理フローを示す。
（処理１）アナログ音声情報の信号スペクトラムの入力音量レベルが所定の閾値以上のレベルの場合に比較処理をする（入力レベル判定ステップ；Ｓ１１）。
入力音量レベルが所定の閾値より小さいものは、周囲に十分に告知できていないものと判断するためである。

（処理２）アナログ音声情報の信号スペクトラムを正規化する（正規化ステップ；Ｓ１２）。
正規化するのは、例えば、アナログ音声情報の発生源である無線機のレベルの差に影響されなく、信号スペクトラム成分だけの比較を行うためである。

（処理３）アナログ音声情報の信号スペクトラムの内、所定の音声帯域の周波数と振幅と、アナログ音声情報の周波数と振幅との相関値を演算する（相関演算ステップ；Ｓ１３）。
アナログ音声情報の信号スペクトラムの内、所定の音声帯域の周波数と振幅を処理対象としているのは、移動局の周囲環境の雑音（トラックの騒音、風の音、人の歓声、飛行機の音、騒音、鳴き声など）によるバックグラウンドの音を排除するためである。

具体的には、２つの信号の信号スペクトラムにおいて、音声帯域の周波数と振幅の相関関数を演算して、２つの信号の類似性を数値化している。相関関数の値が大きい信号同士が似た信号となる。

ここで、音声帯域とは、５０Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数帯域をいう。この帯域の範囲内で、特に、通常の音声であれば、３００Ｈｚ〜３４００Ｈｚ帯域に存在する。かかる音声帯域の周波数範囲は、本発明装置において、チューニングできるパラメータとする。

（処理４）アナログ音声情報における音声帯域のスペクトルと音声帯域外のスペクトルのＳ／Ｎ比、音声帯域での原音スペクトルのＳ／Ｎ比を演算する（Ｓ／Ｎ比演算ステップ；Ｓ１４）
音声帯域の信号スペクトルと音声帯域の外側の信号スペクトルとのＳ／Ｎ比をとることにより、Ｓ／Ｎ比の高いものを明瞭度が高い音と看做している。
また、音声帯域の信号スペクトルにノイズとなる信号がある場合、音声帯域での原音スペクトルのＳ／Ｎ比をとり、Ｓ／Ｎ比の高いものを明瞭度が高い音と判別する。

本発明は、事業用無線を利用する広域監視システムや防災無線を利用する防災システムなどの音声告知装置として有用である。

１０,２０,３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０ 伝送装置
１１，２１，３１，４１，５１ アナログ無線受信器
１２，２２，３２，４２，５２ アナログ無線アンテナ
１５，２５，３５，４５ スピーカー
１６，２６，３６，４６ マイク
６１，７１，８１，９１ リモコン端末（プレストーク式通話端末）
６２，７２，８２，９２ 監視モニタ
１００，２００ ディジタル通信ネットワーク
３００ 保守用コンピュータ
Ｍ１〜Ｍ４ 移動局

Claims (2)

1. 移動局のアナログ無線送信機から送信された音声データを受信する少なくとも２つの第１の基地局と、前記移動局と通話可能な端末機を備える少なくとも１つの第２の基地局と、前記第１の基地局と前記第２の基地局が１重化もしくは多重化されたディジタル伝送ネットワークを介して接続され、前記第２の基地局が前記ディジタル伝送ネットワーク経由で前記移動局の音声データを受信するシステムであって、
   前記第２の基地局は、先に到着したパケット分割された音声データパケット（先着音声データ）の受信チャネルにおける第１の基地局とは異なる第１の基地局によって同一の移動局から受信される異なる受信チャネルを経由して同一性のある音声データパケット（遅延音声データ）が先着時刻から所定時間内に到着した際、先着時刻から所定時間内に到着した同一性のある音声データパケット（遅延音声データ）を破棄することにより、同一移動局からの音声データパケットを複数受信した場合に自動的に音声データを１つ選択し、
   前記同一性のある音声データの判別手段は、前記先着音声データの周波数スペクトルおよび前記遅延音声データの周波数スペクトルを演算し、各々の周波数スペクトルの入力レベルを正規化し、各々の周波数スペクトルの所定の音声帯域の周波数と振幅の相関値を演算し、前記相関値が所定の閾値以上のものを同一性のある音声データと判別する、
   ことを特徴とするアナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システム。
2. 各々の周波数スペクトルにおける前記音声帯域のスペクトルと前記音声帯域外のスペクトルのＳ／Ｎ比を演算し、前記相関値が所定値以上で、かつ、前記Ｓ／Ｎ比が所定値以上の場合に同一性のある音声データと判別することを特徴とする請求項１に記載のアナログ無線音声ディジタルネットワーク伝送システム。