JPS6267467A - 信号を解析する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は信号の周波数成分を識別する方法および装置に
関するものであシ、とくに信号の一連の標本に対して高
速フーリエ変換を行う糧類の方法および装置に関するも
のである。

従来の技術およびその問題点 不連続および高速フーリエ変換を行う技術、およびそれ
の計算を機械により行うために適当なアルゴリズ、−１
−が、たとえば次のような出版物に詳しく記述されてい
る。ジ゛−・パーグランド（Ｇ−Ｂｅｒｇｌａｎｄ）「
コミュニケーション争オプ・デーエージ−エム（Ｃｏｒ
ｒｒｒｒｕｎｉｇａｔｌｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＧＭ　
）　Ｊ　（Ｖｏｌ　・１１　、、Ａ　１０　；１９６８
年１０月）、およびクーリイーチューキイ（Ｃｏｏｌｅ
ｙ−Ｔｕｋｅｙ　）　ｒマセマティックス・オプ・コン
ピューテーシ、ン１９　（Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｏ
ｆ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　１９　）　Ｊ（１９６５
年４月）。

信号解析のためにフーリエ技術を用いる際に遭遇するお
そらく最大の問題は、必要な全ての計算を行うために必
要な時間によりひき起されるものである。高速フーリエ
変換、とくにクーリイーチューキイ・アルゴリズム、に
よりネ必要°で無用な計算を無くすことによって、計算
に要する時間を大幅に短縮でき念。あらゆる変換サイク
ルにおいて零で始まる周波数成分の計算を、全ての変換
サイクルが含まなければならないのが７−リエ変換にお
いて固有のことである。実際に、信号中に存在する最低
周波数より低い周波数を含むそれらの計算をそれが無用
にするが、それでも計算には時間がかかる。本発明の目
的は、フーリエ変換の実行において有用な結果を達成で
きるまでに経過する時間を短縮することである。

問題点を解決するための手段 本発明に従って、信号を戸波して信号の偽の周波数を除
去する過程と、戸波した信号を、信号の周波数をあいま
いでなく識別するために必要とされる最低速度より十分
に低い速度で標本化する過程とを組合わせて含む、信号
の周波数成分ｔ−識別する目的で、一連の信号に対して
高速フーリエ変換を実時間で行うことにより信号を解析
する方法が得られる。

この方法を用する結果は変調された信号を「低標本化」
すること、すなわち、収集されたデータ標本が比較的広
く隔てられているために、それらの標本の値が少くとも
２つの調波関係にある少くとも２つの信号周波数に合致
させることができることである。最後の効果はヘテロゲ
イン過程により、および上側帯波周波数を無くすことに
より達成される効果に類似する。

本発明は、高速フーＪＪ工変換アルゴリズムを評価する
手段と１信号の一連の標本を実時間で得るデータ収集手
段とを含み、このデータ収集手段はアンチェイリアス・
フィルタを備え、このフィルタの出力端子はデジタル標
本化手段に接続され、このデジタル標本化手段は戸波さ
れた信号を、信号の周波数をあいまいでなく識別するた
めに必要とされる最低速度より十分に低い速度で標本化
するように動作する上記方法を実施する装置も提供する
ものである。

本発明は、受信信号中に存在する変調信号周波数と搬送
波信号周波数を識別する装置において有用である。

変換過程の計算結果は、おのおの有限の幅を有するいく
つかの隣接する周波数スペクトラム要素すなわちビンの
各周波数スペクトラム要素すなわちビンの計算された全
電力エシ成る。変換により用いられるアルゴリズム中の
点の数と、標本化速度は周波数分鮮度および上限周波数
を決定する。

したがって、ある特定のビン内の周波数を有する任意の
および全ての信号成分が、そのビンに対する計算された
全電力値に寄与する。しかし、変換過程は拡礒効果を生
ずるから、信号周波数成分は、その主な効果に加えて、
隣接する周波数ビンに擾乱を生じさせる。変換の第１段
階でデータ標本がデータメモリに入れられる前に、ハニ
ング窓関数のような「窓関数」をデータ標本に適用でき
る。

これによりスイクトラムの主ローブが拡げられるが、副
ローブが狭くされる。ある周波数が変換結果の中心周波
数に一致したとすると、隣接するビンへの漏れはないが
、周波数が中心周波数に等しくないといずれかの隣接す
るビンへの大きい漏れが生じて、周波数オフセットを正
確に計算できる。

ハニング窓関数においては、標本化収集期間に等しい半
周期を有する正規化された余弦自乗された関数の対応す
る部分から得た係数が、各データ標本に乗ぜられる。

本発明を構成するものが鉄道の継目無し軌道回路受信器
において採用さｎる。受信信号は軌道回路信号である。

各軌道回路区間に信号周波数が割当てられる。隣接する
２つの区間には同じ周波数１求割当てられず、その割当
てらｎた周波数は軌道回路送信器により軌道を介して送
られる。送信される信号は、いくつかの所定のコード周
波数信号のうちから選択された１つの信号によりなるべ
く変調する。そのコード化された信号は、その軌道区間
を通る鉄道車両に搭載されている受信器により受信でき
る。その場合には信号は本願出願人の英国特許出願４８
５１３９５９号に対応する特許出願明細書に記載されて
いる装置により解析される。

しかし、鉄道車両が走行していない区間では信号は反対
側の軌道区間の境界まで伝わって、その反対側の軌道区
間の境界において本発明の主題である装置により解析さ
れる。区間搬送波周波数が確実に検出されると、対応す
る出力が発生されて区間占有リレー（ｇ”ｅｃｔｉｏｎ
　ｏｃｃｕｐａｎｃｙ　ｒｅｌａｙ　）をピックアップ
する。

基本搬送波信号を一致コード（１ｄ＠ｎｔｉｔｙ　ｃｏ
ｄ＠）信号により変調でき、そｎに加えて、またはその
代シに、たとえば最高車両速度を表す信号により搬送波
信号を変調できる。軌道回路が正しく機能していること
、および、たとえば他の軌道区間信号による許容できな
いレベルの妨害を受けていないことを更に調べるために
、しきい値レベル試験を行うことができる。それらの試
験は、本発明の装置により発生された結果を用いて容易
に行うことができる。本発明の１つの利点、および高速
フＩＪ工変換プロセッサの特徴は、全ての軌道回路ハー
ドウェアをほとんどあらゆる面で同一に製作できること
である。各送信器は所定の軌道回路周波数で動作するよ
うにセットさｎｌ　「標準」受信器を特定の送信器に合
致させるために必要な唯一の変更は適切なアンチェイリ
アス・フィルタの選択である。

実施例 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明の実施例は第４図に示されている鉄道軌道回路装
置を含む。軌道回路装置についての基本的な構成につい
ての知識はあるものとする。図示の実施例においては軌
道回路は変調された音声周波数搬送波信号を用いて動作
する。いくつかの代シの搬送波周波数があり、隣接する
２つの回路は同じ周波数では動作しない。また、いくつ
かの代シの変調周波数もある。それらの変調周波数は用
途に応じて常に変えることもできれば、変えないことも
できる。変調周波数は情報、たとえば最高速度限界、を
走行している車両へ伝えるために使用でき、または最も
簡単な態様では、変調周波数は軌道回路のための付加コ
ードおよび一定の識別コードを単に表すだけである。

主なライン軌道回路のために利用できる搬送波周波数は
次の通シである。

１６９９．２Ｈｚ ２００１．６Ｈｚ ２２９９、２　Ｈｚ ２６０１、６　Ｈｚ 地下鉄または大量輸送ライン軌道回路のために利用でき
る搬送波周波数は次の通シである。

４０８０　Ｈｚ ４３２０Ｈｚ ４５６０Ｈｚ ０４０Ｈｚ ２８０Ｈｚ ５２０Ｈ１ ０００Ｈｚ 一般に、地下鉄の軌道回路は主ライン軌道回路より短い
から、地下鉄のライン軌道回路搬送波周波数は主ライン
軌道回路の搬送波周波数より比較的高い。

一定変調コードを有する軌道回路のための利用できる変
調周波数および主ライン軌道回路のための利用できる変
調周波数は次の通シである。

１３．２Ｈｚ １５．６Ｈｚ １８．０Ｈｚ ２０、４　Ｈｚ 地下鉄ライン軌道回路ではもっと多くの変調周波数を次
の周波数範囲内で、４Ｈｚの間隔をおいて用いることが
できる。

２　８　〜８　０　　Ｈｚ 軌道回路送信器が特定の公称搬送波周波数で動作するよ
うにセットされ、選択された変調周波数によりシフトキ
ーされる。

地下鉄のラインに使用する軌道回路装置の、先に揚げた
搬送波周波数および変調周波数を有する１群の周波数ス
ペクトラムを第１ａ図に示す。

対応する軌道回路装置のブロック図が第４図に示されて
いる。鉄道軌道が参照符号１で示されている。軌道回路
信号送信器２が周波数シフトキーされる信号発生器を備
える。その周波数シフトキーされる信号発生器において
は２つの水晶発振器が交互に切換えられ、第３の発振器
すなわち外部コード発生器により定められる変調周波数
で送信器信号を与える。軌道回路信号送信器３が、軌道
回路区間の一端に設けられている同調コイル装置４に接
続される。その軌道回路区間の他端においては類似の同
調コイル装置５がアンチェイリアス・フィルタ７ｔ−介
してアナログ−デジタル標本化回路８に接続される。こ
のアナログ−デジタル標本化回路８は、標本化速度クロ
ック９（実際にはクロックツＪ？ルス発生器）により設
定された所定の標本化速度で動作させられる。アナログ
−デジタル標本化回路８からのデジタル化された出力標
本は受信信号の実際の値を有する時系列標本であって、
解析のためにマイクロプロセッサ１ｏへ与えリレ、ラン
ダムアクセスメモリ１１を含むデータメモリにロードさ
れる。

マイクロプロセッサ１０は、高速フーリエ変換アルゴリ
ズムを評価することにより受信信号の解析を行う。その
アルコ−ノズムに１メモリ１１に格納されているデジタ
ルデータ標本が初期データを与える。受信信号が時間領
域から周波数領域へ変換され、それから、変換結果中の
各周波数ビンに対してしきい値試験を行うことにより、
信号中に存在する周波数成分が決定され、とくに、正当
な搬送波周波数が存在するかどうか、および正当な変調
周波数が存在するかどうかを決定する。それらの試験は
適切に名称をつけられたブロックにょシ表される。

搬送波周波数と変調周波数を検出するための試験の結果
が軌道占有リレー１２の附勢を制御する。

そのリレー１２を附勢するため、および占有されていな
い軌道区間を示させるために、正しい搬送波周波数と正
当な変調コードを確実に識別せねばならない。正しい搬
送波周波数か検出されなりとすると、その軌道区間は占
有されていると見なされ、軌道占有リレー１２は附勢さ
れない。

軌道受信器におけるそれらの試験の目的は２つある。第
１の目的は、監視されている軌道区間が占有されている
か否かを判定することであシ、第２の目的は、装置の保
全性を常に監視して軌道車両の安全を保持するように、
軌道回路送信器およびそれに接続されている警報発生器
の正しい動作を調べることである。このようにして、鉄
道車両が存在することを必要とすることなしに、および
鉄道車両とそれの乗客の安全を危うくすることなしに、
　　「間違い側（ｗｒｏｎｇ　５ｉｄｅ　）　Ｊ故障が
装置自体によりはぼ瞬時に発見される。

次ｌｌ′ｉｃ第１＆図を参照する、アンチェイリアス・
フィルタ７の４０８０Ｈｚ搬送波信号に対する周波数応
答特性すなわち伝達特性が、地下鉄搬送波周波数の周波
数図に重畳して示されておシ、かつアナログ−デジタル
標本化回路８の多数の標本化速度、すなわち、標本化速
度クロック９の周波数も比較のために示されている。標
本化速度は１９２０Ｈｚである、アンチェイリアス・フ
ィルタフの帯域幅は９６０　Ｈｚであって、これはクロ
ック９の標本化周波数の半分に等しい。対象とする信号
スペクトラム内の周波数成分またはそれの偽の周波数成
分を発生できる任意の信号が除去されるように、信号路
中にアンチェイリアス・フィルタを含むことが重要であ
る。

従来の標本化理論では、信号を正確かつあいまいさなし
に再現するためには、存在する最高信号周波数の２倍に
少くとも等しい標本化速度を必要とすることが知られて
いる。本発明の場合には、標本化速度は最低搬送波信号
周波数の半分より低く、それがアンチェイリアス・フィ
ルタ７に対するものではないとすると、この効果は標本
化速度の半分の倍数に等しい周波数点を中心として周波
数スペクトラムを折シ返えすことである。標本化速度の
半分の倍数を中心とする周波数スペクトラムのこの折シ
返えし効果（４０８０Ｈｚ、５５２０Ｈｚおよび６００
０　Ｈｚの搬送波信号が重畳されるように見え、４３２
０Ｈｚと５２８０Ｈｚの搬送波信号が重畳され、４５６
０　Ｈｚと５０４０　Ｈｚの信号が重畳されている）が
第１ｂ図に示されている。これは２５６点フーリエ変換
の周波数ビン番号づけを参照したものである。

第２図は変換結果スペクトラム中の変調周波数の場所を
示すものである。搬送波信号は周波数ビ゛ン屋０で表さ
れ、全ての可能な上側帯波変調成分は、対応する番号が
つけられている周波数ビン内の搬送波からずれているの
が表されている。第２図から、搬送波信号の両側の１１
個の周波数ビンが１４個の変調信号のうちの任意の１個
を含むことができることがわかる。

第２図に示すように、ある周波数ビンが２個以上の変調
周波数存在の指示を含むことができる。

変換結果は各周波数ビン中の計算された全電力のみを示
すから、２つのそのような変調周波数のうちのどれが存
在するかはすぐには明らかではない。

しかし、先に述べたように、周波数がビ゛ンの中心周波
数からずれると、その周波数ビンに対する計算さ７ｔ７
’Ｃ電力中にある程度の拡がシが観察される。

隣接する周波数ビ゛ンに及ぼされるその信号電力の拡が
りの効果を第３図に示す。

識別すべきオフセット信号がビン屋４の限界内の周波数
の所にある。信号電力分布カーブのために、信号成力の
最高の割合がビン４内に存在するが、ビン４の両側のビ
ン３と５にもかなりの量が存在する。

ビン３と５内の電力の相対的な量の比を計算することに
より信号周波数が識別される。その比はビン４の中心か
ら測定された周波数オフセットに比例する。その比の計
算は、僅かな振幅変調効果を無くすために、実際には上
側帯波スペクトラムと下側帯波スペクトラムの対応する
成分を用いて行われる。加え合わされた量を記号Ａ、Ｈ
，Ｃで表すと、比（Ａ−ｓ　）／（Ａ＋Ｂ　＞と（Ａ−
Ｃ）／（Ａ＋Ｃ）が計算され、ビン４のビン中心周波数
に対する信号の周波数を精密に計算する。周波数オフセ
ット衆衆の比の値のルックアツプ表が読出し専用メモリ
（ＲＯＭ　）に格納される。そのＲＯＭは変調周波数番
号にニジアドレスされ、ある範囲の比の値が読出されて
、変換結果から計算された比の値と比較され、変調信号
のオフセット周波数を決定する。

第４図のアナログ−デジタル標本化回路８の出力端子に
生ずるデータ標本には、ハニング窓関数回路１５により
与えられ係数がデジタル乗算器１４において乗ぜらｎｌ
その積がメモリ１１に格納される。ハニング窓関数回路
１５は読出し専用メモリ（図示せず）内にルックアツプ
表を有する。

その読出し専用メモリにおいてはデータ標本１〜２５６
番に対して乗算係数が指示される。アナログ−デジタル
標本化回路８から新しい各データ標本がマイクロプロセ
ッサ１０により読出されると、そのデータ標本および対
応するハニング係数がかけ合わされ、その積がメモ＋７
１１に書込まれる。

その乗算はマイクロプロセッサ１０により実行され、制
御される。

第３図を参照して先に述べたように、与えられた変調さ
れた搬送波信号は上側帯波周波数成分と下側帯波周波数
成分金有する。実際には、周波数発生器の僅かな周波数
誤差と軌道回路装置の同調のずれにより、周波数シフト
キーされた搬送波信号が振＠変調される結果となる。こ
れは上側帯波成分と下側帯波成分の振幅の差として現わ
れ、その振幅の差は時間により逆位相で変化する。先に
述べたように、周波数オフセット誤差を決定するための
比試験のために、上側帯波値と下側帯波値が加え合わさ
れる。し念がって、この解析装置は、その比試験の上記
過程を実行する計算手段を含む。

しかし、一方の側帯波の電力が他方の側帯波の成力の２
培より大きいと、結果は信頼できないために、その結果
は捨てられる。こうすることにより、受信信号が実際に
２つの側帯波を有することが確かめられる。この試験の
ための手段も設けられる。その試′検は下側帯波と下側
帯波の位相関係の検査とともに行うこと力；できる。そ
の位相関係の検査は、振幅変調された信号と周波数変調
された信号を弁別するために行わ扛る。それらの試験は
変換結果を解析するために接続されるマイクロプロセッ
サのソフトウェアに備えることができる。

周波数変調された信号においては、側帯波（クトルの和
の結果の位相が搬送波信号の位相に対して直角である。

しかし、振幅変調された信号の場合には、その結果の位
相は搬送波１ｇ号と同相または逆相である。したがって
、変換過程において計算さｎた位相情報を用いて側帯波
成分の和の位相を計算するように動作する手段を解析装
置に設けることができる。受信した振幅変調さｎた信号
に対して計算さｎた結果は修飾を解かれるから、周波数
シフトキーされた信号から得ら扛た信号のみが制御およ
び合図の目的に用いらｎる。

【図面の簡単な説明】

→＋谷格第１ａ図は本発明の装置の軌道回路の一例の同
じ倍周波数およびエイリアス・フィルタに対する未送波
周波数の周波数スペクトラム図、Ｊｉｂ図は「アンダー
標本化」により生じさせられた第１ａ図の周波数スペク
トラムの実効折り返えしを示し、第２図は変換結果周波
数ビンに対する変調周波数ス４クトラムを示し、第３図
は変換結果における点周波数のいくつかの隣接ビンに対
する実効波がり全示し、第４図は本発明全実施する軌道
回路の機能ブロック図を示す。 ２・・・軌道回路信号発生器、３・・・軌道回路信号送
信器、４，５・・・同調コイル装置、７・・・アンチェ
イリアス・フィルタ、８・・・アナログ−デジタル標本
化回路、９・・・標本化速度クロック、１０・・・マイ
クロプロセッサ、１１・・・ランダムアクセスメモリ、
１２・・−軌道占有リレー。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号を濾波して信号の偽の周波数を除去する過程
   と、濾波した信号を、信号の周波数をあいまいでなく識
   別するために必要とされる最低速度より十分に低い速度
   で標本化する過程とを組合わせて含むことを特徴とする
   、信号の周波数成分を識別する目的で、一連の信号に対
   して高速フーリェ変換を実時間で行うことにより信号を
   解析する方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の方法であって、デジ
   タル標本化速度は信号の最低予測周波数成分の周波数の
   ほぼ半分より高くないことを特徴とする方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法で
   あって、信号標本に窓関数を適用する過程を更に含むこ
   とを特徴とする方法。
4. （４）高速フーリェ変換アルゴリズムを評価する手段と
   、信号の一連の標本を実時間で得るデータ収集手段とを
   含み、このデータ収集手段はアンチェイリアス・フィル
   タを備え、このフィルタの出力端子はデジタル標本化手
   段に接続され、このデジタル標本化手段は濾波された信
   号を、信号の周波数をあいまいでなく識別するために必
   要とされる最低速度より十分に低い速度で標本化するよ
   うに動作することを特徴とする特許請求の範囲第１〜３
   項のいずれか１つに記載の方法を実施する装置。
5. （５）特許請求の範囲第４項記載の装置であって、アン
   チェイリアス・フィルタは標本化周波数の半分に等しい
   帯域幅を有する帯域フィルタであることを特徴とする装
   置。
6. （６）特許請求の範囲第５項記載の装置であって、変調
   された搬送波信号を識別するようにされ、アンチェイリ
   アス・フィルタの中心周波数は搬送波信号の周波数にほ
   ぼ同じであることを特徴とする装置。
7. （７）特許請求の範囲第４〜６項のいずれかに記載の装
   置であって、データ収集手段は装置の１サイクル中に収
   集されたデータ標本にハニング窓関数を適用する手段を
   含むことを特徴とする装置。
8. （８）特許請求の範囲第７項記載の装置であって、ハニ
   ング窓手段は、１標本化サイクルに等しい半周期を有す
   る正規化された余弦自乗された周波関数に従って決定さ
   れた係数をデータ標本に乗する手段を備えることを特徴
   とする装置。
9. （９）特許請求の範囲第４〜８項のいずれかに記載の装
   置であって、変換結果に応答して比試験を行い、周波数
   を決定する手段が設けられることを特徴とする装置。