JP5489215B2 - フィルタ装置、信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルタ装置、信号処理装置及び鉄道車両用車上装置に関する。

ＡＴＣシステムでは、レールに流れるＡＴＣ信号を車上装置で受信し、列車制御に供する一方、変電所から架線及びレールを経由して、車両に動力用電力を供給する。したがって、レールにはＡＴＣ信号電流と共に帰線電流が流れる。この帰線電流には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの基本波と共にその高調波が含まれる。

通常、ＡＴＣ信号の搬送周波数は、動力用電力の電源周波数から離隔した値に選定されている。例えば、動力用電力の基本波の周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるのに対し、ＡＴＣ信号の搬送周波数は、一例であるが、３１５０Ｈｚに選定されている。したがって、基本波に関する限り、バンド・パス・フィルタなどを用いて、ＡＴＣ信号を帰線電流から分離して抽出することができる。ところが、帰線電流は基本波のほかにその高調波を含んでいる。このため、この高調波の成分がＡＴＣ信号に対するノイズとなり、ＡＴＣ信号によるデータ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害となる。

高調波ノイズによる障害を解決する手段として、特許文献１には、１本のレールに近接配置されたＡＴＣ信号検出器の出力を、くし形フィルタを通過させることにより、電車電流の高調波成分を除去し、その信号を帯域フィルタを通過させることで、帯域毎のＡＴＣ信号を抽出する技術が開示されている。

しかし、動力用電源の基本波の周波数が変化した場合、高調波には、基本波の周波数変動分の次数倍の周波数変動を生じるから、除去しようとした高調波成分が、フィルタの通過帯域に近接した周波数にシフトし、フィルタリング効果が期待できなくなってしまうという事態に陥ることがある。

このような問題に対して、適応フィルタを用いることが考えられるが、一般的な適応フィルタでは、出力信号を最小化するように、フィルタ係数を更新するため、もっとも電力の大きな搬送周波数成分を除去してしまう。

上述した問題は、第１信号波と、第２信号波とを含む入力信号から、第２信号波の成分を除去して第１信号波を抽出する信号処理システムにおいて、第２信号波の基本周波数が変動した場合に、均しく発生するものであり、ＡＴＣシステムだけに存在するものではない。

特開２００３−７２５４９号公報

本発明の課題は、第１信号波と、第２信号波とを含む信号から、第２信号波の成分を除去して第１信号波を抽出するに当たり、第２信号波の基本周波数が変動した場合にも、目的の第１信号波を確実に抽出し、データ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を招くことのないフィルタ装置、それを用いた信号処理装置及び鉄道車両用車上装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係るフィルタ装置は、第１信号波と、基本波の周波数が前記第１信号波とは異なる第２信号波の成分とを含む信号から、前記第２信号波の成分を除去して前記第１信号波を抽出するものであって、基準波推定部と、バンド・パス・フィルタ部と、高調波計算部と、高調波除去部とを含んでいる。前記基準波推定部は、前記入力信号から、前記第２信号波に含まれる特定周波数の基準波を推定する。前記バンド・パス・フィルタ部は、前記第１信号波を抽出する通過帯域を有する。前記高調波計算部は、前記基準波推定部で推定された基準波からその高調波を計算する。前記高調波除去部は、前記高調波計算部で計算された高調波のうち、前記バンド・パス・フィルタ部によって除去されなかった高調波を除去する。

上述したように、本発明に係るフィルタ装置は、バンド・パス・フィルタ部を含んでおり、最もパワーの大きな第２信号波の基本波を、バンド・パス・フィルタ部により、第１信号波から除去することができる。

本発明に係るフィルタ装置は、基準波推定部を含んでいる。基準波推定部は、入力信号波から第２信号波に含まれる特定周波数の基準波を推定する。基準波推定部を備えることにより、第２信号波の基本波の周波数が変動した場合でも、例えば周波数スペクトル解析などによって、基本波又は高調波の周波数を推定することができる。基準波は、基本波であってもよいし、高調波であってもよい。高調波計算部は、このようにして、基準波推定部で推定された基準波からその基本波及び高調波を計算する。

本発明に係るフィルタ装置は、更に、高調波除去部を含んでいる。高調波除去部は、高調波計算部で計算された高調波のうち、バンド・パス・フィルタ部によって除去されなかった高調波を除去する。これによって、第２信号波の基本波の周波数が変動した場合であっても、高調波のうち、第１信号波に影響を与える高調波を除去することができる。高調波除去部では、第１信号波の通過周波数帯域に隣接する高調波のみならず、それより高次の、又は、低次の高調波を除去してもよい。

したがって、本発明によれば、第２信号波の基本周波数が変動した場合にも、その高調波による影響を回避して、目的の第１信号波を確実に抽出し、データ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を招くことのないフィルタ装置を実現することができる。

本発明に係るフィルタ装置は、第１信号波及び第２信号波が混在する信号伝送系において、第１信号波を第２信号波から分離して抽出する信号処理装置を構成するのに用いることができる。この信号処理装置は、第１信号源２と、第２信号源と、信号伝送路と、受信部とを含む。前記第１信号源２は、第１信号波を前記信号伝送路に供給する。前記第２信号源は、第２信号波を、前記信号伝送路に供給する。

前記受信部は、フィルタ部と、信号処理部とを含む。前記フィルタ部は、本発明に係るフィルタ装置を含む。このフィルタ装置は前記信号伝送路から前記入力信号が供給される。前記信号処理部は、前記フィルタ装置から供給された信号を処理する。

上述した信号処理装置は、受信部に上述した本発明に係るフィルタ装置を備えるので、フィルタ装置による作用効果を奏する。

本発明に係るフィルタ装置を用いた信号処理装置の代表的な適用例は、鉄道車両用車上装置である。本発明に係るフィルタ装置は、信号処理部と組み合わされ、鉄道車両用車上装置を構成する。信号処理部は、前記フィルタ装置から出力された信号を解読する。

鉄道車両用車上装置は、具体的には、ＡＴＣシステムを構成する車上装置である。本発明の適用において、ＡＴＣ信号が第１信号波に対応し、帰線電流が第２信号波に対応する。したがって、帰線電流を供給する動力用電力源の周波数変動にも拘わらず、帰線電流の基本波、及び、ＡＴＣ信号に対してノイズとなる帰線電流の高調波を除去し、ＡＴＣ信号によるデータ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を回避し得るＡＴＣ車上装置を実現することができる。

上述したように、本発明によれば、第２信号波の成分を除去して第１信号波を抽出するに当たり、第２信号波の基本周波数が変動した場合にも、その高調波による障害を回避して、目的の第１信号波を確実に抽出し、データ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を取り除いたないフィルタ装置、信号処理装置及び鉄道車両用車上装置を提供することができる。

本発明に係るフィルタ装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係るフィルタ装置の別の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係るフィルタ装置を用いた信号処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係るフィルタ装置を用いた電気鉄道車両用車上装置の構成を示すブロック図である。

まず、図１を参照すると、周波数ｆｓの第１信号波Ｓ１と、基本周波数ｆ１（ｆ１≠ｆｓ）の第２信号波Ｓ２とを含む信号Ｓ３が、入力端子Ｔinに供給される。第１信号波Ｓ１は、アナログ信号、デジタル信号の何れでもよいが、ここでは、周波数ｆｓの搬送波に対して周波数偏移変調(ＦＳＫ; Frequency Shift Keying)を加えたデジタル信号として扱う。周波数偏移変調は、例えば、データが０のとき搬送波を低周波数、1のとき高周波数に変化させる方式である。周波数偏移変調方式のうちでも、ＭＳＫ(Minimum Shift Keying)変調方式を用いるものとして説明する。ＭＳＫ変調方式は、変調指数が０．５の位相連続ＦＳＫ変調方式であり、同期検波や、遅延検波が使え、復調しやすい。第２信号波Ｓ２も、アナログ信号、デジタル信号のいずれでもよい。第２信号波Ｓ２は、周波数ｆ１の基本波、及び、その高調波（ｆ２〜ｆ７）を含んでいる。

入力端子Ｔinには、上述した第１信号波S１及び第２信号波Ｓ２を含む信号Ｓ３が供給される。図１の参照符号（ａ）で示されたグラフは、信号Ｓ３の周波数スペクトル解析を示すもので、横軸に周波数Ｆをとり、縦軸にパワーＰをとってある。

本発明に係るフィルタ装置は、入力端子Ｔinに供給された信号Ｓ３から、第２信号波Ｓ２に含まれる周波数成分（ｆ１〜ｆ７）を除去して第１信号波Ｓ１を抽出するもので、基準波推定部１１と、バンド・パス・フィルタ部１２と、高調波計算部１３と、高調波除去部１４とを含んでいる。

高調波除去部１４の後段には復調部１５が備えられており、復調部１５から出力端子Ｔoutに復調された出力信号Ｓ０が供給される。復調部１５は、復調すべき第１信号波Ｓ１が、ＭＳＫ変調波である場合、ＭＳＫ復調を実行することになる。

基準波推定部１１は、入力信号Ｓ３から、第２信号波Ｓ２において高調波を計算する基準となる特定周波数の基準波を推定する。基準波は、第２信号波Ｓ２の基本波（ｆ１）であってもよいし、特定次数の高調波であってもよい。この明細書では、一貫的な説明と、理解の混乱を避けるため、基準波を基本波（ｆ１）とした場合を例にとって説明する。

基準波となる基本波（ｆ１）の推定は、例えば、適応ノッチフィルタを用いて実行することができる。第２信号波Ｓ２の周波数成分（ｆ１〜ｆ７）の内、周波数成分ｆ１は基本波、周波数成分ｆ２〜ｆ７は２次高調波〜７次高調波である。もっとも、本発明において、２次高調波〜７次高調波に限定されるものではなく、７次高調波よりも低い次数の高調波を対象としてもよいし、より高い次数の高調波を対象としてもよい。

第２信号波Ｓ２の基本周波数ｆ１が、予め分かっていたとしても、その周波数ｆ１が変動することは、特別の周波数安定化手段が付加されない限り、避けられない。周波数ｆ１が周波数Δｆ１だけ変動した場合、高調波には、基本波の周波数変動分Δｆ１を次数倍した周波数変動を生じるから、高調波（ｆ２〜ｆ７）が、第１信号波Ｓ１の通過帯域ＢＰに接近し、又はその内部に入ることがある。このような場合、第１信号波Ｓ１に対する第２信号波Ｓ２の周波数変動の影響が極めて大きくなる。本発明は、そのような問題を解決しようとするものである。

バンド・パス・フィルタ部１２は、第１信号波Ｓ１を抽出する通過帯域ＢＰを有する。図１の参照符号（ｂ）で示すグラフは、バンド・パス・フィルタ部１２を通過した信号を模式的に示すものであり、第２信号波Ｓ２は、その基本周波数ｆ１が通過帯域ＢＰの外にある。図１の例では、高調波ｆ２、ｆ７も、通過帯域ＢＰの外にあるので、基本波（ｆ１）とともに、高調波ｆ２、ｆ７もバンド・パス・フィルタ部１２によって除去（遮断）される。バンド・パス・フィルタ部１２を通過する周波数成分は、高調波ｆ３〜ｆ６、及び、周波数ｆｓの第１信号Ｓ１である。バンド・パス・フィルタ部１２は、アナログ処理、ディジタル処理の何れでもよい。

高調波計算部１３は、基準波推定部１１で推定された第２信号波Ｓ２の基本波（ｆ１）から、その高調波（ｆ２〜ｆ７）を計算する。基本周波数ｆ１が変動した場合、高調波（ｆ２〜ｆ７）の周波数も変動するが、全体の周波数変動特性には相関関係が存在する。したがって、推定された基本波（ｆ１）から高調波（ｆ２〜ｆ７）の周波数を計算することができる。図１の参照符号（ｅ）で示すグラフは、高調波計算部１３で基本波（ｆ１）から計算された高調波（ｆ２〜ｆ７）を、周波数スペクトルとして示したものである。

高調波除去部１４は、高調波計算部１３で計算された高調波（ｆ２〜ｆ７）のうち、バンド・パス・フィルタ部１２によって除去されなかった高調波ｆ３〜ｆ６を除去する。このような高調波除去部１４は、可変型ディジタル・ノッチ・フィルタによって実現することができる。図１において、参照符号（ｃ）を付したグラフは、ディジタル・ノッチ・フィルタを用いた高調波除去を示すもので、ノッチフィルタ特性ＮＦにより、３次高調波ｆ３〜６次高調波ｆ６が除去されている。

上述したように、高調波除去部１４は、高調波計算部１３で計算された高調波（ｆ２〜ｆ７）のうち、バンド・パス・フィルタ部１２によって除去されなかった高調波（ｆ３〜ｆ６）を除去するから、第２信号波Ｓ２の基本周波数ｆ１が変動した場合であっても、高調波（ｆ２〜ｆ７）のうち、第１信号波Ｓ１に最も影響を与える通過周波数帯域に隣接する高調波ｆ３、ｆ６を除去することができる。もっとも、通過帯域ＢＰに隣接する高調波ｆ３、ｆ６のみならず、それより高次の高調波ｆ５、ｆ７、又は、低次の高調波ｆ２を除去してもよい。

したがって、本発明によれば、第２信号波Ｓ２の基本周波数ｆ１が変動した場合にも、その高調波（ｆ２〜ｆ７）による影響を回避して、目的の第１信号波Ｓ１を確実に抽出し、データ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を招くことのないフィルタ装置を実現することができる。

図１の参照符号（ｄ）は、高調波除去部１４によって抽出された後の信号を示すもので、搬送波周波数ｆｓを含む信号となっている。信号が復調部１５に供給され、復調された信号Ｓ０が出力端子Ｔoutから出力される。

次に、図２を参照して、本発明に係るフィルタ装置の他の実施形態を説明する。図２において、図１に現れた構成部分と等価的な構成部分については同一の参照符号を付してあり、それらの構成部分については説明を省略することがある。この実施形態は、第１信号波Ｓ１のパワーレベルに対して、第２信号波Ｓ２のパワーレベルが高くない場合、即ち同等又は低い場合に対応するものである。まず、第１信号波Ｓ１及び第２信号波Ｓ２を含む入力信号Ｓ３を、バンド・パス・フィルタ部１２に供給する一方、信号帯域抑圧部１６に供給する。信号帯域抑圧部１６では、第１信号波Ｓ１の帯域に対して抑圧をかけ、第１信号波Ｓ１のパワーレベルを減衰させる。

図２の参照符号（ｅ）で示すグラフは、抑圧後の周波数スペクトルを示す図で、周波数ｆｓの搬送波を含む帯域で、パワーレベルＰが著しく減衰している。信号帯域抑圧部１６は、例えば、ローパスフィルタＬＰを用いて実現することができる。そして、抑圧された信号を基準波推定部１１に供給し、図２の参照符号（ｆ）で示すように、第２信号波Ｓ２の基本波（ｆ１）を推定する。この後、高調波計算部１３、高調波除去部１４及び復調部１５を用いて、第１信号波Ｓ１を抽出して出力信号Ｓ０を得ることは、図１の場合と同様である。また、バンド・パス・フィルタ部１２によるフィルタ作用も、図１の場合と同様である。

図２に示した実施形態によれば、第１信号波Ｓ１のパワーレベルに対して、第２信号波Ｓ２のパワーレベルが高くない場合において、第２信号波Ｓ２の基本周波数が変動したときでも、目的の第１信号波Ｓ１を確実に抽出し、データ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を招くことのないフィルタ装置を実現することができる。

図３は、本発明に係るフィルタ装置を用いた信号処理装置の構成を示す図である。図３を参照すると、この信号処理装置は、第１信号源２と、受信部３と、第２信号源４と、信号伝送路５とを含む。第１信号源２は、第１信号波Ｓ１を信号伝送路５に供給する。第２信号源４は、第１信号波Ｓ１とは基本周波数ｆ１が異なる第２信号波Ｓ２を、信号伝送路５に供給する。

受信部３は、フィルタ部３１と、信号処理部３２とを含む。フィルタ部３１は、本発明に係るフィルタ装置を含む。このフィルタ部３１には、信号伝送路５から第１信号波Ｓ１及び第２信号波Ｓ２を含む入力信号Ｓ３が供給される。信号処理部３２は、フィルタ部３１から供給された信号を処理する。

上述した信号処理装置は、受信部３のフィルタ部３１に、上述した本発明に係るフィルタ装置を備えるので、フィルタ装置による作用効果を奏する。

本発明に係るフィルタ装置を用いた信号処理装置の具体的な適用例は、鉄道車両用車上装置である。図４にＡＴＣシステムを構成する車上装置３の一例を示してある。図４を、図３と対比しながら説明すると、まず、ＡＴＣ信号が第１信号波Ｓ１に対応する。ＡＴＣ信号Ｓ１は、第１信号源となるＡＴＣ送信部２から信号伝送路となるレール５に供給される。レール５に供給されたＡＴＣ信号Ｓ１は、車上アンテナ３３によって受信され、車上アンテナ３３から車上装置３に導かれる。ＡＴＣ信号は、例えば、ＭＳＫ変調波であり、その搬送周波数ｆｓは、一例であるが、３１５０Ｈｚに選定される。

車上装置３では、フィルタ部３１を構成する本発明に係るフィルタ装置により、ＡＴＣ信号を抽出する。ＡＴＣ信号は信号処理部３２に供給され、車両制御に供される。

鉄道車両では、変電所４１、架線４２、車両ＴＲに備えられたパンタグラフ４３及び車両モータ４４などの動力系を含んでおり、これらが、第２信号源４となり、レール５に流れる帰線電流が第２信号波Ｓ２に対応する。帰線電流Ｓ２は、車上アンテナ３３によって受信され、車上アンテナ３３から車上装置３に導かれる。変電所４１から架線４２を経て送電される電力は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流である。

上述したように、ＡＴＣ信号Ｓ１の搬送周波数は、動力用電力の電源周波数から離隔した値に選定されている。動力用電力波の基本波に関する限り、バンド・パス・フィルタなどを用いて、ＡＴＣ信号Ｓ１を帰線電流Ｓ２から分離して抽出することができる。ところが、帰線電流Ｓ２は基本波のほかにその高調波を含んでいる。このため、この高調波の成分がＡＴＣ信号Ｓ１に対するノイズとなり、ＡＴＣ信号Ｓ１によるデータ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を招く。

そこで、本発明では、車上装置３に、図１及び図２に示したフィルタ装置３１を備えるものである。これにより、帰線電流を供給する変電所４１における電源の周波数変動にも拘わらず、ＡＴＣ信号Ｓ１を、帰線電流Ｓ２の基本波（ｆ１）から分離して抽出するとともに、ＡＴＣ信号Ｓ１に対してノイズとなる帰線電流Ｓ２の高調波を除去し、ＡＴＣ信号Ｓ１によるデータ伝送において、ビット・エラー・レートの劣化や伝送レートの高速化の障害を回避し得るＡＴＣ車上装置を実現することができる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

１１ 基準波推定部
１２ バンド・パス・フィルタ部
１３ 高調波計算部
１４ 高調波除去部
１５ 復調部
１６ 信号帯域抑圧部

Claims (4)

1. 第１信号波と、前記第１信号波とは異なる第２信号波が混在する入力信号を、バンド・パス・フィルタ部に供給し、前記第２信号波の高調波成分を除去して前記第１信号波を抽出するフィルタ装置であって、
   前記第１信号波は、前記バンド・パス・フィルタ部の通過帯域内にあり、前記第２信号波は、基本波が前記通過帯域外の低域側にあり、
   前記第２信号波の周波数が変動したとき、変動後の基本波又は特定次数の高調波たる基準波から高調波を計算し、
   計算された高調波のうち、前記バンド・パス・フィルタ部によって除去されなかった高調波を除去する、
   フィルタ装置。
2. 請求項１に記載されたフィルタ装置であって、
   前記第１信号波は、搬送波に変調を加えた信号であり、
   前記第２信号波は、動力用電力波である、
   フィルタ装置。
3. フィルタ装置と、信号処理部とを含む信号処理装置であって、
   前記フィルタ装置は、請求項１または２に記載されたものであり、
   前記信号処理部は、前記フィルタ装置から供給された信号に対応した信号を出力するものであり、
   前記第１信号波及び前記第２信号波は、同一伝送路によって伝送される、信号処理装置。
4. 請求項３に記載された信号処理装置であって、
   前記第１信号波は、ＡＴＣ信号であり、
   前記第２信号波は、帰線電流である、
   鉄道車両用信号処理装置。

Images