JP6647424B2 - 無線機 - Google Patents

Description

本開示は無線機に関し、例えば混信検出を行う受信機に適用可能である。

航空管制の無線通信において、混信によるトラブルがたびたび報告されている。複数の 無線局が同時に同一周波数で電波を送信することで、受信側で混信する。従来の混信の有 無の判定は、人間の耳で判断している。航空管制の無線通信方式はＡＭ変調が採用されて おり、混信状態では受信側で音声のかぶりや異音が発生するため、それをもとに人間が混 信の有無を識別し、重大インシデントを未然に防いでいる。

米国特許第８，３８５，４４９号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０１４９７３７号明細書

ただし、受信した複数の電波の受信レベルに２０ｄＢ以上のレベル差があると、混信に よる音声のかぶりや異音の影響が極端に小さいため、混信の有無を人間の耳で識別するこ とはほぼ不可能である。さらに、混信を検出する従来の方法は、聴覚のみによる判定のた め、検出見逃しが発生する。 その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ う。

本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。 すなわち、無線機は、ＲＦ周波数、ＩＦ周波数またはベースバンド周波数のアナログ信 号をデジタル信号に変換するＡＤＣと、前記ＡＤＣから出力されたデジタル信号をＲＦ周 波数またはＩＦ周波数であれば、ベースバンド周波数に変換する周波数変換部から出力さ れた信号または前記ＡＤＣから出力された信号を復調処理に最適なサンプリングレートに 変換する第一レート変換部と、前記第一レート変換部から出力された信号の振幅をＡＭ復 調に最適なレベルに増幅または減衰するＡＧＣ部と、前記ＡＧＣ部から出力された信号を 音声信号に復調する復調部と、前記復調部の復調結果のデジタル信号をアナログ信号に変 換するＤＡＣと、前記第一レート変換部から出力された信号を、さらにレート変換する第 二レート変換部と、前記第二レート変換部から出力された信号に対して次処理のＦＦＴ結 果を最適化するために窓処理をかけるための窓関数部と、前記窓関数部から出力された信 号を周波数とレベルの関係に変換するＦＦＴ部と、前記ＦＦＴ部から出力されたキャリア のピーク電力を検出し、検出したピークの数によって混信状態を判定する第一混信検出部 と、を備える。

上記無線機によれば、混信を検出することができる。

実施例に係る無線機のデジタル処理回路の系統図 図１のデジタル処理回路の動作を示す処理フロー図 混信無し時のスペクトラムのシミュレーション波形図 混信無し時の信号のシミュレーション波形図 混信有り時のスペクトラムのシミュレーション波形図 混信有り時の信号のシミュレーション波形図 混信有無における位相と電力とそれらの変化量を示す図 混信有無における音声ピッチ抽出波形図

無線通信において、複数の無線局が同時に同一周波数で電波を送信することで、受信側 で混信する。実施形態に係る無線機は、受信した電波に対して一つまたは複数の方式で混 信の有無を判定し、それを通知するものである。より具体的には、実施形態では、人間の 聴覚では識別できないような微弱な受信信号をデジタル処理にて検出し、混信の有無を判 定し、それを通知するものである。さらに、混信の検出方式を複数実装し、その結果を総 合して判定することで、それぞれのデメリットを補いあい、誤検出や検出見逃しを低減さ せるものである。併せて、出力された音声や電力レベルの変動も混信有無の判断材料とし て用いる。

以下、実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構 成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。

図１は実施例に係る無線機のデジタル処理回路の系統図である。図２は図１のデジタル 処理回路の動作を示すフロー図である。

無線機である受信機１００は、アナログ信号１が入力されるアナログ・デジタル変換部 （ＡＤＣ）２と、周波数変換部（Ｆ＿ＣＯＮＶ）３と、第一レート変換部（Ｒ＿ＣＯＮＶ ）４と、自動利得制御（Automatic Gain Control：ＡＧＣ）部５と、復調部６と、音声信 号７を出力するデジタル・アナログ変換部（ＤＡＣ）２６と、を備える。

受信機１００は、さらに、第一レート変換部４からの信号が入力される第二レート変換 部８と、窓関数部９と、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）部１０と 、第一混信検出部１１と、を備える
受信機１００は、さらに、第一レート変換部４からの信号が入力される第三レート変換 部１２と、位相検出部１３と、第一変化量算出部１４と、検波部１５と、第二変化量算出 部１６と、第二混信検出部１７と、を備える。

受信機１００は、さらに、第四レート変換部１８と、音声解析部１９と、第三混信検出 部２０と、を備える。

受信機１００は、さらに、第一混信検出部１１と第二混信検出部１７と第三混信検出部 ２０の各混信判定結果が入力される混信判定部２１を備える。

受信機１００は、さらに、ＦＦＴ部１０や第一レート変換部４から出力される信号が入 力される電力検出部２４を備える。

次に、受信機１００の動作について説明する。なお、図２のステップ番号（「Ｓ」に続 く番号）と図１の構成要素の符号の番号は対応している。
ステップＳ２：ＡＤＣ２はＩＦ周波数のアナログ信号１または直交化されたベースバン ド周波数のアナログ信号１をデジタル信号に変換する。
ステップＳ３：周波数変換部３はＡＤＣ２から出力されたデジタル信号をＩＦ周波数か らベースバンド周波数に変換する。ただし、直交化されたベースバンド周波数のアナログ 信号をＡＤＣ２でデジタル信号に変換する場合、周波数変換部３（ステップＳ３）は省略 できる。
ステップＳ４：第一レート変換部（Ｒ＿ＣＯＮＶ）４は周波数変換部３より出力された 信号を復調処理に最適なサンプリングレートに変換する。
ステップＳ５：ＡＧＣ部５は第一レート変換部４から出力された信号の振幅をＡＭ復調 に最適なレベルに増幅または減衰する。
ステップＳ５：復調部６はＡＧＣ部５より出力された信号を音声信号に復調する。

ステップＳ２６：ＤＡＣ２６は復調出力結果であるデジタル信号をアナログ信号である 音声信号７に変換する。

以上の動作は通常の受信機の動作である。次に、第一の混信検出動作について説明する 。
ステップＳ８：第二レート変換部８は第一レート変換部４より出力された信号を、さら にレート変換する。
ステップＳ９：窓関数部９は第二レート変換部８より出力された信号に対して次処理の ＦＦＴ結果を最適化するために窓処理をかける。
ステップＳ１０：ＦＦＴ部１０は窓関数部９より出力された信号を周波数とレベルの関 係に変換する。
ステップＳ１１：第一混信検出部１１はＦＦＴ部１０より出力されたキャリアのピーク 電力を検出し、検出したピークの数によって混信状態を判定する。

ＦＦＴのサイズを固定とした場合、受信信号のサンプリング周波数を復調に必要な帯域 よりもさらに狭めることで、ＦＦＴの周波数分解能を向上させることが可能である。これ は送信機の周波数偏差により決定する。ＦＦＴの周波数分解能を無線機の送信周波数の揺 らぎが識別できる程度にサンプリング周波数を調整し、ＦＦＴ処理することで周波数と受 信レベルの関係を算出する。ＦＦＴ出力から変調信号のキャリア成分であるピーク電力の 数を検出し、一定の閾値以上のピーク電力の数が２つ以上であれば混信と判定する。本処 理では、ノイズフロアの微小なレベル増減をピーク電力として検出しないために、ある一 定レベル以上のピーク電力のみ検出するように閾値を設ける。この閾値は電波の受信状況 （電波状況）に応じ、外部信号２３によって任意に設定変更可能である。

図３は混信が無い場合のＡＭ変調波のキャリア信号を拡大表示したスペクトラムのシミ ュレーション波形図である。図４は混信が無い場合のＦＦＴのシミュレーション波形図で ある。サンプリング周波数を数百ヘルツまで下げることで、ＡＭ変調波のキャリア信号の みを抽出することができる。キャリア信号のピーク出力は１つである。

図５は混信が有る場合のＡＭ変調波のキャリア信号を拡大表示したスペクトラムのシミ ュレーション波形図である。図６は混信が有る場合のＦＦＴのシミュレーション波形図で ある。混信が起こる場合は、送信側が同一周波数で送信していても、原振の揺れとドップ ラーシフトにより、受信側でＡＭ変調波のキャリア信号が複数確認できる。本処理では、 キャリア信号のピーク電力を検出し、一定の閾値よりも高いピーク電力が２つ以上であれ ば、混信の検出と判断する。ただし、ＡＭ変調波のキャリア周波数が極めて近接している 場合、周波数軸上でＡＭ変調波のキャリア信号がお互いに重なってしまうことで、ピーク 電力の検出見逃しが発生する可能性がある。

次に、第二の混信検出動作について説明する。
ステップＳ１２：第三レート変換部１２は第一レート変換部４より出力された信号をさ らにレート変換する。
ステップＳ１３：位相検出部１３は第三レート変換部１２より出力された信号の位相を 算出する。
ステップＳ１４：第一変化量算出部１４は位相検出部１３より出力された信号の変化量 を求める。
ステップＳ１５：検波部１５は第三レート変換部１２より出力された信号の電力を算出 する。
ステップＳ１６：第二変化量算出部１６は検波部１５より出力された信号の変化量を求 める。
ステップＳ１７：第二混信検出部１７は第一変化量算出部１４および第二変化量算出部 １６のそれぞれの変化量検出の結果から総合的に混信状態を判定する。

第二混信検出部１７は第一の混信検出動作と同様に受信信号のサンプリング周波数を調 整し、そのキャリアの位相又は電力のどちらか、またはその両方を算出する。さらに算出 したキャリアの位相及び電力の変化量を算出する。混信すると、それぞれの算出した変化 量はどちらも、混信が無い場合に比べて、変化量のピーク値が大きくなるため、ピークが 一定の閾値を超えることで混信と判断する。入力される複数の受信信号のレベル差や位相 差により、混信有無における変化量が小さくなる可能性があるため、電力と位相の両方に ついて検出することが望ましい。この閾値は電波の受信状況に応じ、外部信号２３によっ て任意に設定変更可能である。

図７は混信有無における受信電力量（Ａ）と位相（Ｂ）と受信電力の変化量（Ｃ）と位 相の変化量（Ｄ）を示す図である。第二混信検出部１７は、第一の混信検出動作と同様に 、サンプリング周波数を数百ヘルツオーダーまで下げることで、ＡＭ変調波のキャリア信 号のみを抽出することができる。複数のＡＭ変調波のキャリア周波数が、１Ｈｚ以下のよ うに極めて近接している場合、図中の○で示すように、受信電力の変化量と位相の変化量 にパルスが発生した後、受信電力の変化量と位相の変化量の各信号に差分の周波数が表れ る。それらの信号の変動量（ぶれ）がある一定閾値より大きければ混信検出として混信判 定ブロックに通知する。

次に、第三の混信検出動作について説明する。
ステップＳ１８：第四レート変換部１８は復調部６より出力された復調結果をさらにレ ート変換する。
ステップＳ１９：音声解析部１９は第四レート変換部１８より出力された信号を音声解 析する。
ステップＳ２０：第三混信検出部２０は音声解析部１９より出力された音声解析結果か ら混信の有無を検出する。

第三混信検出部２０は復調部６から出力された復調結果のサンプリング周波数を調整し 、音声分析を実施し、話者が複数名いるかどうかを検出することにより、混信の有無を検 出する。音声分析には波形処理や相関処理、スペクトル処理等、様々な手法があるが、無 線機の構成や使用目的に応じて最適な手法を決定する。例えば、ピッチ抽出法により、特 定の音声区間での自己相関演算の出力にあるピークの立ち方により、その音声に話者が複 数名いるかどうか、すなわち、混信状態の有無を検出可能である。

さらに、異なる音声分析の手法として、航空管制では決められたコールサインやフォネ ティックコードを使用した音声通信のため、すべてのコールサイン毎に異なる音声ピッチ をもつ複数のマッチドフィルタを内部に持ち、復調された音声信号と畳み込み演算するこ とで、混信時は複数のコールサインの相関ピークが立ち、それを検出することで混信の有 無を判定することが可能となる。検出や判定のアルゴリズムは外部信号２３によって設定 変更可能である。

図８は話者Ａの音声信号（Ａ）、話者Ａの短区間音声信号のスペクトラム（Ｂ）、話者 Ｂの音声信号（Ｃ）、話者Ｂの短区間音声信号のスペクトラム（Ｄ）、話者Ａと話者Ｂを 合成した音声信号（Ｅ）、および話者Ａと話者Ｂを合成した音声信号の短区間音声信号の スペクトラム（Ｆ）を示す波形図である。話者Ａの音声信号スペクトラム（Ｂ）と話者Ｂ の音声信号スペクトラム（Ｄ）では、周波数軸上に一定間隔のピッチでピーク電力が立つ 。これに対し、話者Ａと話者Ｂの音声を合成させた音声信号スペクトラム（Ｆ）では、話 者が複数いることにより、異なるピッチでピーク電力が立っており、ピッチずれが確認で きる。ピッチずれを検出することにより、混信を検出し、混信判定ブロックに通知する。

次に、第一混信検出部、第二混信検出部および第三混信検出部の混信検出の最終判定に いて説明する。

ステップＳ２１：混信判定部２１は第一の混信検出動作、第二の混信検出動作および第 三の混信検出動作の混信検出結果をもとに、混信検出の最終判定を実施し、その判定結果 （混信判定結果出力信号２２）を出力する。混信検出方法は処理方法や処理量の違いによ り、その検出結果更新周期や確度、検出範囲が異なる。例えば、第一の混信検出動作のＦ ＦＴ出力の電力ピークを検出する方法は、それぞれの送信機の送信周波数の微妙なずれを 検出することで、正確に混信の有無を検出可能だが、２波の周波数が近接していると、検 出見逃しとなる可能性がある。また、サンプリング周波数とＦＦＴポイント数の関係にも よるが、第一の混信検出動作のＦＦＴポイントの電力ピークを検出する方法は、検出まで に数秒程度かかってしまう可能性がある。それに対し、第二の混信検出動作の変化量検出 が可能である。それら３つの方法の検出結果を総合して最終の混信判定出力とする。３つ の方法の検出結果を総合して最終の混信判定をしているが、３つのうちのいずれか２つま たは１つの混信判定であってもよい。その場合、判定に用いない回路はなくてもよい。

混信すると、それぞれの変調波の電力差にもよるが、ビート（波形の揺れ）が発生する 。電力検出部２４は、ビートの変動量から、２つの変調波の電力差を検出し、混信レベル 出力２５として通知する。その電力差から混信のレベルが判断できるため、ステップＳ２ １の混信判定結果と併せて、操作者（人間）が最終判定の結果に用いてもよい。最終判定 に用いない場合は、電力検出部２４はなくてもよい。

実施例によれば、人間の聴覚を利用した混信検出にて、しばしば発生していた検出見逃 しを低減させることができる。一例として、航空管制の無線通信において混信すると、複 数の送信側と受信側で航空管制情報を交換できず、最悪の場合は重大インシデントが発生 する。実施例により、混信の検出見逃しと誤検出を低減させることで、一例として、航空 管制の重大インシデントの回避につながる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は 、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、飛行場の航空管制の無線通信、無線通信システムに利用可能であり、複数の無線局が同一周波数で電波を送信、送受信する場合の混信の検出に利用可能である。 この出願は、２０１６年１１月１６日に出願された日本出願特願２０１６−２２３１９５を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。

１…アナログ信号、２…ＡＤＣ、３…周波数変換部、４…第一レート変換部、５…ＡＧ Ｃ部、６…復調部、７…音声信号、８…第二レート変換部、９…窓関数部、１０…ＦＦＴ 部、１１…第一混信検出部、１２…第三レート変換部、１３…位相検出部、１４…第一変 化量算出部、１５…検波部、１６…第二変化量算出部、１７…第二混信検出部、１８…第 四レート変換部、１９…音声解析部、２０…第三混信検出部、２１…混信判定部、２２… 混信判定結果出力信号、２３…外部信号、２４…電力検出部、２５…混信レベル出力、１ ００…受信機

Claims (6)

1. ＲＦ周波数、ＩＦ周波数またはベースバンド周波数のアナログ信号をデジタル信号に変 換するＡＤＣと、
   前記ＡＤＣから出力されたデジタル信号をＲＦ周波数またはＩＦ周波数からベースバン ド周波数に変換する周波数変換部から出力された信号または前記ＡＤＣから出力された信 号を復調処理に最適なサンプリングレートに変換する第一レート変換部と、
   前記第一レート変換部から出力された信号の振幅をＡＭ復調に最適なレベルに増幅また は減衰するＡＧＣ部と、
   前記ＡＧＣ部から出力された信号を音声信号に復調する復調部と、
   前記復調部の復調結果のデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡＣと、
   前記第一レート変換部から出力された信号を、さらにレート変換する第二レート変換部 と、
   前記第二レート変換部から出力された信号に対して次処理のＦＦＴ結果を最適化するた めに窓処理をかけるための窓関数部と、
   前記窓関数部から出力された信号を周波数とレベルの関係に変換するＦＦＴ部と、
   前記ＦＦＴ部から出力されたキャリアのピーク電力を検出し、検出したピークの数によ って混信状態を判定する第一混信検出部と、 を備える無線機。
2. 請求項１において、さらに、
   前記第一レート変換部から出力された信号をさらにレート変換する第三レート変換部と 、
   前記第三レート変換部から出力された信号の位相を算出する位相検出部と、
   前記位相検出部から出力された信号の変化量を求める第一変化量算出部と、
   前記第三レート変換部から出力された信号の電力を算出する検波部と、
   前記検波部より出力された信号の変化量を求める第二変化量算出部と、
   前記第一変化量算出部および第二変化量算出部のそれぞれの変化量検出の結果に基づい て混信状態を判定する第二混信検出部と、
   前記第一混信検出部の混信判定結果および前記第二混信検出部の混信判定結果に基づい て混信の有無を判定する混信判定部と、 を備える無線機。
3. 請求項１において、さらに、
   前記復調部より出力された復調結果をさらにレート変換する第四レート変換部と、
   前記第四レート変換部より出力された信号を音声解析する音声解析部と、
   前記音声解析部より出力された音声解析結果から混信の有無を検出する第三混信検出部 と、
   前記第一混信検出部の混信判定結果および前記第三混信検出部の混信判定結果に基づい て混信の有無を判定する混信判定部と、 を備える無線機。
4. 請求項１において、さらに、
   前記第一レート変換部から出力された信号をさらにレート変換する第三レート変換部と 、
   前記第三レート変換部から出力された信号の位相を算出する位相検出部と、
   前記位相検出部から出力された信号の変化量を求める第一変化量算出部と、
   前記第三レート変換部から出力された信号の電力を算出する検波部と、
   前記検波部より出力された信号の変化量を求める第二変化量算出部と、
   前記第一変化量算出部および第二変化量算出部のそれぞれの変化量検出の結果に基づい て混信状態を判定する第二混信検出部と、
   前記復調部より出力された復調結果をさらにレート変換する第四レート変換部と、
   前記第四レート変換部より出力された信号を音声解析する音声解析部と、
   前記音声解析部より出力された音声解析結果から混信の有無を検出する第三混信検出部 と、
   前記第一混信検出部の混信判定結果、前記第二混信検出部の混信判定結果および第三混 信検出部の混信判定結果に基づいて混信の有無を判定する混信判定部と、 を備える無線機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、さらに、
   前記ＦＦＴ部および第一レート変換部から出力された信号に基づいて複数の電力または 電圧レベルの変動から混信のレベルを検出する電力検出部を備える無線機。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項において、
   前記第一混信検出部、第二混信検出部または第三混信検出部の検出の閾値またはアルゴ リズムを設定可能にする無線機。

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