信号抽出器及びこれを用いた信号測定装置
【課題】１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で概ね一定の観測レベルが得られるようにする。
【解決手段】信号抽出器７は、一対の通信線４上を流れる信号を抽出する信号抽出器７であって、マンガン系フェライトからなる第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂと、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線６とを備え、一対の通信線４の一方は第１のトロイダルコア５ａの中空部を貫通しており、一対の通信線４の他方は第２のトロイダルコア５ｂの中空部を貫通しており、測定用信号線６のターン数は、３ターン以上４ターン以下であることを特徴とする。
【解決手段】信号抽出器７は、一対の通信線４上を流れる信号を抽出する信号抽出器７であって、マンガン系フェライトからなる第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂと、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線６とを備え、一対の通信線４の一方は第１のトロイダルコア５ａの中空部を貫通しており、一対の通信線４の他方は第２のトロイダルコア５ｂの中空部を貫通しており、測定用信号線６のターン数は、３ターン以上４ターン以下であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は信号抽出器及びこれを用いた信号測定装置に関し、特にメタル通信システムの故障切り分けに適した信号抽出器及び信号測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一対のメタル通信線を用いて差動伝送方式による通信を行うメタル通信システムが知られている。メタル通信システムは、主として構内通信用の自営通信網として用いられるもので、両エンドに設置されたモデム間を、一対の通信線で直接、又は主配線盤を介して接続する通信方式である。一対の通信線には、シールド付きのツイストペアケーブルが用いられる。また、周波数帯域としては、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの低周波数帯域が用いられる。
【０００３】
メタル通信システムでは、通信線の芯線が銅等の金属（メタル）で構成されることから、図５に示すように、通信距離が長いほど、或いは周波数が高いほど伝送路損失が大きくなる。そこで従来、上記低周波数帯域の中でも２ＭＨｚ以下の帯域を積極的に用いることで、通信距離によらず一定以上の通信品質を確保している。低帯域化に伴って通信速度が低下するのはやむを得ないが、変調方式に工夫を重ねることで、ある程度の高速を確保できるようにしている。
【０００４】
伝送路損失は、機器の故障により発生するノイズ（モデムや主配線盤で発生するノイズ）、近隣に設置される機器などから伝送路上に重畳される干渉波やノイズ、伝送路自体の劣化などによっても増大する。このような伝送路損失が発生している場合には、通信品質に大きな影響を与えることから、早急に原因を特定し、復旧することが求められる。
【０００５】
伝送路損失の原因を特定するにあたっては、まず初めに、その原因となっている部分を切り分ける必要がある。具体的には、一方のモデムの端子付近にオシロスコープやスペクトラムアナライザなどの測定器を設置し、ノイズや受信信号のレベルを観測する。そして、予め測定しておいたメタル通信システム供用開始当初の状態と比較し、その変化の有無を確認する。変化が観測されれば伝送路側若しくは他方のモデム（対向モデム）に原因があると推定されるし、観測されなければ一方のモデム側に原因があると推定される。こうして原因部分を切り分けた後には、その部分の詳細な検査を行う。
【０００６】
特許文献１には、電力線に１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの通信信号を重畳させて通信を行う電力線通信システムが開示されている。この通信システムでは、通信信号が重畳される一対の電力線と、モデムに接続された一対の通信線とを、一対のフェライトコアを用いて磁気結合させる。具体的には、一方の電力線と一方の通信線とを一方のフェライトコアによって挟み込むとともに、他方の電力線と他方の通信線とを他方のフェライトコアによって挟み込む。一対の通信線は、遠端側（モデムから遠い側の端部）で互いに接続される（折り返される）。この構成により、電力線への高周波信号の重畳を実現させている。
【０００７】
特許文献２には、発電所や変電所に設置される電力線通信システムが開示されている。この通信システムでは、一端が送電経路につながる同軸ケーブルの他端に不平衡・平衡トランスが接続される。不平衡・平衡トランスは、同軸ケーブル内に流れる不平衡信号を平衡信号に変換し、フェライトコアにターンさせたツイストペアケーブルの一端に流す。そして、このツイストペアケーブルの他端にデジタル電力線搬送装置が接続される。これらの構成により、電気所内の機器から生ずるサージ雑音がデジタル電力線搬送装置に流入することを防止している。この技術は、コモンモードノイズフィルタとしてフェライトコアを使用するもので、２対の通信線を磁気結合させるためにフェライトコアを用いるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２９５２４７号公報
【特許文献２】特開２００８−３１１８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、メタル通信システムは、簡単には運用停止できない通信用途で利用されることが多い。そのため、上記のような切り分けを行おうとしても運用停止が許されない場合が多く、運用停止せずにノイズや受信信号のレベルを観測できるようにすることが求められる。
【００１０】
そこで、本発明の発明者は、特許文献１に開示される磁気結合の仕組みを用いることを検討している。つまり、通信用の一対の導線（ツイストペアケーブル）と、測定器に接続された一対の試験用信号線とを、一対のフェライトコアを用いて磁気結合させることで、ツイストペアケーブルを流れる信号の一部を抽出して測定器に入力させ、そこからノイズや受信信号のレベルを取得することを検討している。こうすれば、非接触でノイズや受信信号のレベルを抽出できるため、運用中の通信にもそれほどの影響を与えることなく、ノイズや受信信号のレベルを観測可能になると考えられる。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示される仕組みは、同文献の図２にも示されるように、低周波数帯域になるほど、測定器に入力される信号のレベル（観測レベル）が低くなるという性質を有している。特に２ＭＨｚ以下の周波数帯域では極端に観測レベルが低くなり、実際上観測が不可能である。特許文献１のように電力線への重畳用として用いる分には、低周波数帯域で電力線と通信線の結合が弱くなっても、高周波数帯域でカバーすればよいためあまり支障はないが、上述したように２ＭＨｚ以下の低周波数帯域を積極的に利用するメタル通信システムの試験用としては、２ＭＨｚ以下の低周波数帯域の信号が観測できないことは致命的である。また、メタル通信システムの利用帯域が１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚであることから、試験用としてはこの帯域全体に対応することが求められる。
【００１２】
したがって、本発明の目的の一つは、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で一定の観測レベルが得られる信号抽出器及び信号測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明による信号抽出器は、一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、マンガン系フェライトからなる第１及び第２のトロイダルコアと、前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記測定用信号線のターン数は、３ターン以上４ターン以下であることを特徴とする。
【００１４】
上記信号抽出器において、前記測定用信号線のターン数は、３ターンであることとしてもよい。
【００１５】
また、本発明の他の一側面による信号抽出器は、一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、第１及び第２のトロイダルコアと、前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記第１及び第２のトロイダルコアの材料及び前記測定用信号線のターン数は、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域における前記信号抽出器の結合量が−１５ｄＢ以上−９ｄＢ以下となるように決定されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による信号測定装置は、上記各信号抽出器のうちのいずれかと、前記測定用信号線に流れる信号を観測する測定器とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で概ね一定の観測レベルを得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、本発明の好ましい実施の形態によるメタル通信システムのシステム構成を示す図である。（ｂ）は、（ａ）を、本発明の好ましい実施の形態による信号測定装置付近で拡大した図である。
【図２】本発明の好ましい実施の形態によるモデムの一部分（接続端子付近）の外観を示す図である。
【図３】本発明の好ましい実施の形態において、信号抽出器の結合量と、測定用信号線側にエネルギーを取り出すことによって生ずる一対の通信線側のエネルギー損失（挿入損失）との関係を示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）ともに、結合量の周波数特性を示すグラフである。
【図５】メタル通信システムにおける通信距離及び周波数と伝送路損失との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１（ａ）は、本実施の形態によるメタル通信システム１のシステム構成を示す図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）を、本実施の形態による信号測定装置１１付近で拡大した図である。また、図２は、本実施の形態によるモデム２ａの一部分（接続端子付近）の外観を示す図である。
【００２１】
メタル通信システム１は通信所間で一対一通信を行うために設置されるもので、図１（ａ）に示すように、Ａ通信所内に設置されたモデム２ａとＢ通信所内に設置されたモデム２ｂとが、Ａ通信所内のＭＤＦ(主配線盤)３ａ及びＢ通信所内のＭＤＦ(主配線盤)３ｂを介して、一対の通信線４によって接続された構成を有している。
【００２２】
一対の通信線４は具体的にはツイストペアケーブルであり、通信線４を構成する個々のケーブルは金属（メタル）線である。一対の通信線４の外側は、図２に示すシールド線１２によって覆われている。一対の通信線４の各一端はそれぞれ、図２に示すように、モデム２ａの接続端子ＬＴ，ＬＲに接続される。図示していないが、モデム２ａの接続端子ＬＴに接続される通信線４の他端はモデム２ｂの接続端子ＬＲに接続され、モデム２ａの接続端子ＬＲに接続される通信線４の他端はモデム２ｂの接続端子ＬＴに接続される。シールド線１２は、モデム２ａ，２ｂの筐体に接続されることによりアースされる。
【００２３】
メタル通信システム１の利用帯域は、上述したように１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚである。したがって、一対の通信線４には、モデム２ａ，２ｂから１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数を有する通信信号が供給される。
【００２４】
メタル通信システム１には、図１（ａ）に示すように、信号測定装置１１が設置される。信号測定装置１１は、伝送路損失発生の原因を切り分ける目的で一時的に設置されるもので、切り分けが終了したら取り外される。通常、切り分け作業を行うのは、メタル通信システム１の保守担当者である。切り分け作業は、モデム２ａ，２ｂにおいてエラー過多の警報が出されたことなどを契機として開始される。切り分け作業を開始した保守担当者は、まず初めに信号測定装置１１を設置し、通信線４上に重畳されたノイズやモデム２ａが受信する受信信号のレベルを観測する。そして、観測結果に基づいて、伝送路損失発生原因の切り分けを行う。
【００２５】
信号測定装置１１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁路部材５及び測定用信号線６からなる信号抽出器７と、測定器８と、これらを接続するためのバラン９及び同軸ケーブル１０とを備えている。
【００２６】
磁路部材５は、図１（ｂ）及び図２に示すように、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂからなる。第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂはいずれも磁性体であり、それぞれ中空部を有している。第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの材質は、マンガン系のフェライト材料（ＭｎＦｅ２Ｏ４を主成分とするフェライト）としている。マンガン系のフェライト材料を採用するのは、特に２ＭＨｚ以下の低周波数帯域での観測を好適に行えるようにするためである。この点についての詳細は後述する。
【００２７】
第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂはそれぞれ半円状の２つの部材の組み合わせからなる。これら２つの部材は分解可能に構成されており、一旦分解して中空部にケーブルを挟み、その後組み立て直すことで、既設の通信ケーブルを中空部に貫通させられるように構成されている。保守担当者は、この特徴を利用して、既設の通信ケーブルである一対の通信線４に磁路部材５を設置する。具体的には、一対の通信線４のうちの一方を第１のトロイダルコア５ａの中空部に貫通させ、他方を第２のトロイダルコア５ｂの中空部に貫通させる。
【００２８】
測定用信号線６は、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成されている。測定用信号線６は、ループ状にした後に第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂを分解することでこれらを貫通させてもよいし、針の穴に糸を通すのと同じ要領で、分解していない状態の第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部に測定用信号線６を通すことでこれらを貫通させてもよい。ループ状部分のターン数は３ターン以上４ターン以下とすることが好ましく、３ターンとすることがより好ましい。なお、ターン数は、測定用信号線６が第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部を１回ずつ通過する場合に１ターン、２回ずつ通過する場合に２ターン、というように算出する。ターン数をこのように設定することで、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの利用帯域全域で安定した観測を行えるようになる。この点についての詳細も後述する。
【００２９】
信号抽出器７を以上のように構成することにより、一対の通信線４と測定用信号線６とが磁気的に結合し、一対の通信線４を流れる信号の一部が測定用信号線６に入力されることになる。磁路部材５は、一対の通信線４から発生する磁界の磁路として機能する。こうして測定用信号線６に入力される信号は、バラン９及び同軸ケーブル１０を介して測定器８に入力される。
【００３０】
バラン９は、平衡状態の電気信号と不平衡状態の電気信号とを相互に変換するための素子である。信号測定装置１１でのバラン９は、測定用信号線６に流れる平衡状態の電気信号を不平衡状態に変換し、同軸ケーブル１０に出力する役割を果たしている。同軸ケーブル１０は測定器８に接続されており、これにより、測定用信号線６に流れる信号が測定器８に入力される。
【００３１】
測定器８は信号レベルを測定可能に構成された測定器であり、具体的にはオシロスコープやスペクトラムアナライザーなどである。保守担当者は、この測定器８を操作して同軸ケーブル１０から入力される信号のレベル測定結果を表示させ、表示結果から、通信線４上に重畳されたノイズやモデム２ａが受信する受信信号のレベルを把握する。そして、把握したレベルに基づいて、伝送路損失の発生原因となっている部分を切り分ける。
【００３２】
信号測定装置１１では、信号抽出器７を上記構成とすることにより、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で概ね一定の観測レベルを得ることが可能になっている。そしてそのことにより、２ＭＨｚ以下の低周波数帯域を含む１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの利用帯域の全域において、安定してノイズや受信信号のレベルを観測することが可能になっている。以下、詳しく説明する。
【００３３】
初めに、信号抽出器７の結合量の最適値について説明する。信号抽出器７の結合量は、一対の通信線４から信号抽出器７に入力されるエネルギー量に対する、測定用信号線６側に取り出したエネルギー量の割合で表される。
【００３４】
図３は、信号抽出器７の結合量と、測定用信号線６側にエネルギーを取り出すことによって生ずる一対の通信線４側のエネルギー損失（挿入損失）との関係を示すグラフである。なお、図３並びに後述する図４（ａ）及び（ｂ）には、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂとしてトミタ電機株式会社製の型番２Ｈ４Ｇ−ＴＲＢ−２０×１０×１０（内径ｒｉ＝１０ｍｍ、外径ｒｏ＝２０ｍｍ、高さｈ＝１０ｍｍ）で示されるトロイダルコアを用い、各特性を実際に測定した結果を示している。測定に際して、測定用信号線６は、ループ状部分の直径ｒＬが約４ｃｍとなるように巻回した。
【００３５】
図３に示すように、挿入損失と結合量の間には密接な関係があり、具体的には、結合量が大きくなるほど挿入損失が大きくなる。これは、エネルギー保存則によるものである。一般的に、挿入損失が約０．５ｄＢより大きくなると、通信に対する影響が無視できなくなることから、挿入損失は約０．５ｄＢより小さく抑える必要がある。したがって、図３より、結合量は−９ｄＢ以下に抑えることが好適である。一方で、結合量が小さすぎると測定器８での観測が困難になるので、結合量は最低でも−１５ｄＢ以上を確保する必要がある。したがって、結合量の最適範囲は−１５ｄＢ以上−９ｄＢ以下となる。
【００３６】
次に、図４（ａ）は、結合量の周波数特性を示すグラフである。図４（ａ）には、実施例として信号抽出器７（マンガン系フェライトで構成されたトロイダルコアを用いる信号抽出器）の結合量の変化を実線で示すとともに、比較例として、電力線搬送通信システムで通常用いられるニッケル系フェライト（ＮｉＦｅ２Ｏ４を主成分とするフェライト）で構成されたトロイダルコアを用いる信号抽出器の結合量を破線で示している。図４（ａ）の例では、測定用信号線６のループ状部分のターン数は１ターンとした。また、トロイダルコアの材質以外の点では、実施例と比較例を同一の構成とした。
【００３７】
図４（ａ）に示されるように、トロイダルコアをニッケル系フェライトにより構成した比較例では、周波数が低いほど結合量が小さくなり、周波数が約２ＭＨｚ以下になると、結合量が上記最適範囲（−１５ｄＢ〜−９ｄＢ）の下限（−１５ｄＢ）未満になる。したがって、利用帯域が１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚであるメタル通信システム１においては、信号抽出器７をニッケル系フェライトにより構成すると、ノイズや受信信号のレベルを適切に観測することができないことになる。
【００３８】
一方、トロイダルコアをマンガン系フェライトにより構成した実施例では、約２ＭＨｚの周波数で結合量が極大となる。また、少なくとも図４（ａ）の測定範囲内（４００ｋＨｚ〜１５．４０ＭＨｚ）では、結合量が上記最適範囲（−１５ｄＢ〜−９ｄＢ）の下限（−１５ｄＢ）を下回ることはない。したがって、比較例に比べれば、メタル通信システム１においてノイズや受信信号のレベルを観測するのに適している。
【００３９】
しかしながら、図４（ａ）に示した実施例（測定用信号線６のループ状部分のターン数が１ターンである例）によれば、約６００ｋＨｚ以上の周波数で、結合量が上記最適範囲（−１５ｄＢ〜−９ｄＢ）の上限（−９ｄＢ）を上回る。また、周波数による結合量の違いが大きく、利用帯域全域で安定した観測を行うことは困難である。これらの点は、測定用信号線６のループ状部分のターン数を３ターン以上とすることで改善できる。以下、詳しく説明する。
【００４０】
図４（ｂ）は、本実施の形態による信号抽出器７について、結合量の周波数特性を示すグラフである。図４（ｂ）には、実施例としてターン数が３，４，５の各例を示すとともに、比較例としてターン数が１，２の各例を示している。ターン数１ターンの例は、図４（ａ）に示した実施例と同一の例である。
【００４１】
図４（ｂ）に示されるように、ターン数３，４，５の実施例では、ターン数１，２の場合に見られるような２ＭＨｚ付近の極大値が消えている。実際のところ、結合量はターン数が大きくなるほど平坦化する傾向を有し、また、ターン数が大きくなるほど、より低周波数帯域まで安定した結合量が得られるようになる。したがって、利用帯域内で一定した結合量を得るという観点からは、ターン数を３ターン以上とすればよい。
【００４２】
また、結合量は、図４（ｂ）にも示されるように、ターン数が大きいほど小さくなる。具体的には、ターン数１，２では約１ＭＨｚ以上の周波数帯域で結合量が上記最適範囲の上限（−９ｄＢ）を上回っているのに対し、ターン数３以上ではこの上限（−９ｄＢ）を上回ることはなくなっている。したがって、結合量を最適範囲の上限以下に抑えるという観点からも、ターン数は３ターン以上とすることが好適である。
【００４３】
一方、ターン数を大きくしすぎると、結合量が上記最適範囲を下回って観測が困難になる。具体的には、ターン数４以下の場合には、結合量が上記最適範囲の下限（−１５ｄＢ）を下回ることはないのに対し、ターン数５の場合には、約１．５ＭＨｚ以下の周波数帯域で結合量がこの下限（−１５ｄＢ）を下回っている。したがって、最適範囲の下限以上の結合量を得るという観点からは、ターン数を４ターン以下とすればよい。
【００４４】
以上より、ターン数は３ターン以上４ターン以下であることが好ましく、そうすることで、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの利用帯域全域で安定した観測を行うことが可能となる。また、ターン数を３ターンとすれば、４ターンとする場合に比べて大きな結合量を得ることができるので、ターン数は３ターンとすることがより好ましいと言える。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態による信号測定装置１１によれば、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂをマンガン系フェライトにより構成し、かつ測定用信号線６のループ状部分のターン数を３ターン以上４ターン以下とすることで、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で一定の観測レベルを得ることが可能になる。
【００４６】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４７】
１ メタル通信システム
２ａ，２ｂ モデム
３ａ，３ｂ ＭＤＦ
４ 一対の通信線
５ 磁路部材
５ａ，５ｂ トロイダルコア
６ 測定用信号線
７ 信号抽出器
８ 測定器
９ バラン
１０ 同軸ケーブル
１１ 信号測定装置
１２ シールド線
ＬＴ，ＬＲ 接続端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は信号抽出器及びこれを用いた信号測定装置に関し、特にメタル通信システムの故障切り分けに適した信号抽出器及び信号測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一対のメタル通信線を用いて差動伝送方式による通信を行うメタル通信システムが知られている。メタル通信システムは、主として構内通信用の自営通信網として用いられるもので、両エンドに設置されたモデム間を、一対の通信線で直接、又は主配線盤を介して接続する通信方式である。一対の通信線には、シールド付きのツイストペアケーブルが用いられる。また、周波数帯域としては、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの低周波数帯域が用いられる。
【０００３】
メタル通信システムでは、通信線の芯線が銅等の金属（メタル）で構成されることから、図５に示すように、通信距離が長いほど、或いは周波数が高いほど伝送路損失が大きくなる。そこで従来、上記低周波数帯域の中でも２ＭＨｚ以下の帯域を積極的に用いることで、通信距離によらず一定以上の通信品質を確保している。低帯域化に伴って通信速度が低下するのはやむを得ないが、変調方式に工夫を重ねることで、ある程度の高速を確保できるようにしている。
【０００４】
伝送路損失は、機器の故障により発生するノイズ（モデムや主配線盤で発生するノイズ）、近隣に設置される機器などから伝送路上に重畳される干渉波やノイズ、伝送路自体の劣化などによっても増大する。このような伝送路損失が発生している場合には、通信品質に大きな影響を与えることから、早急に原因を特定し、復旧することが求められる。
【０００５】
伝送路損失の原因を特定するにあたっては、まず初めに、その原因となっている部分を切り分ける必要がある。具体的には、一方のモデムの端子付近にオシロスコープやスペクトラムアナライザなどの測定器を設置し、ノイズや受信信号のレベルを観測する。そして、予め測定しておいたメタル通信システム供用開始当初の状態と比較し、その変化の有無を確認する。変化が観測されれば伝送路側若しくは他方のモデム（対向モデム）に原因があると推定されるし、観測されなければ一方のモデム側に原因があると推定される。こうして原因部分を切り分けた後には、その部分の詳細な検査を行う。
【０００６】
特許文献１には、電力線に１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの通信信号を重畳させて通信を行う電力線通信システムが開示されている。この通信システムでは、通信信号が重畳される一対の電力線と、モデムに接続された一対の通信線とを、一対のフェライトコアを用いて磁気結合させる。具体的には、一方の電力線と一方の通信線とを一方のフェライトコアによって挟み込むとともに、他方の電力線と他方の通信線とを他方のフェライトコアによって挟み込む。一対の通信線は、遠端側（モデムから遠い側の端部）で互いに接続される（折り返される）。この構成により、電力線への高周波信号の重畳を実現させている。
【０００７】
特許文献２には、発電所や変電所に設置される電力線通信システムが開示されている。この通信システムでは、一端が送電経路につながる同軸ケーブルの他端に不平衡・平衡トランスが接続される。不平衡・平衡トランスは、同軸ケーブル内に流れる不平衡信号を平衡信号に変換し、フェライトコアにターンさせたツイストペアケーブルの一端に流す。そして、このツイストペアケーブルの他端にデジタル電力線搬送装置が接続される。これらの構成により、電気所内の機器から生ずるサージ雑音がデジタル電力線搬送装置に流入することを防止している。この技術は、コモンモードノイズフィルタとしてフェライトコアを使用するもので、２対の通信線を磁気結合させるためにフェライトコアを用いるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２９５２４７号公報
【特許文献２】特開２００８−３１１８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、メタル通信システムは、簡単には運用停止できない通信用途で利用されることが多い。そのため、上記のような切り分けを行おうとしても運用停止が許されない場合が多く、運用停止せずにノイズや受信信号のレベルを観測できるようにすることが求められる。
【００１０】
そこで、本発明の発明者は、特許文献１に開示される磁気結合の仕組みを用いることを検討している。つまり、通信用の一対の導線（ツイストペアケーブル）と、測定器に接続された一対の試験用信号線とを、一対のフェライトコアを用いて磁気結合させることで、ツイストペアケーブルを流れる信号の一部を抽出して測定器に入力させ、そこからノイズや受信信号のレベルを取得することを検討している。こうすれば、非接触でノイズや受信信号のレベルを抽出できるため、運用中の通信にもそれほどの影響を与えることなく、ノイズや受信信号のレベルを観測可能になると考えられる。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示される仕組みは、同文献の図２にも示されるように、低周波数帯域になるほど、測定器に入力される信号のレベル（観測レベル）が低くなるという性質を有している。特に２ＭＨｚ以下の周波数帯域では極端に観測レベルが低くなり、実際上観測が不可能である。特許文献１のように電力線への重畳用として用いる分には、低周波数帯域で電力線と通信線の結合が弱くなっても、高周波数帯域でカバーすればよいためあまり支障はないが、上述したように２ＭＨｚ以下の低周波数帯域を積極的に利用するメタル通信システムの試験用としては、２ＭＨｚ以下の低周波数帯域の信号が観測できないことは致命的である。また、メタル通信システムの利用帯域が１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚであることから、試験用としてはこの帯域全体に対応することが求められる。
【００１２】
したがって、本発明の目的の一つは、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で一定の観測レベルが得られる信号抽出器及び信号測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明による信号抽出器は、一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、マンガン系フェライトからなる第１及び第２のトロイダルコアと、前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記測定用信号線のターン数は、３ターン以上４ターン以下であることを特徴とする。
【００１４】
上記信号抽出器において、前記測定用信号線のターン数は、３ターンであることとしてもよい。
【００１５】
また、本発明の他の一側面による信号抽出器は、一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、第１及び第２のトロイダルコアと、前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、前記第１及び第２のトロイダルコアの材料及び前記測定用信号線のターン数は、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域における前記信号抽出器の結合量が−１５ｄＢ以上−９ｄＢ以下となるように決定されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による信号測定装置は、上記各信号抽出器のうちのいずれかと、前記測定用信号線に流れる信号を観測する測定器とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で概ね一定の観測レベルを得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、本発明の好ましい実施の形態によるメタル通信システムのシステム構成を示す図である。（ｂ）は、（ａ）を、本発明の好ましい実施の形態による信号測定装置付近で拡大した図である。
【図２】本発明の好ましい実施の形態によるモデムの一部分（接続端子付近）の外観を示す図である。
【図３】本発明の好ましい実施の形態において、信号抽出器の結合量と、測定用信号線側にエネルギーを取り出すことによって生ずる一対の通信線側のエネルギー損失（挿入損失）との関係を示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）ともに、結合量の周波数特性を示すグラフである。
【図５】メタル通信システムにおける通信距離及び周波数と伝送路損失との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１（ａ）は、本実施の形態によるメタル通信システム１のシステム構成を示す図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）を、本実施の形態による信号測定装置１１付近で拡大した図である。また、図２は、本実施の形態によるモデム２ａの一部分（接続端子付近）の外観を示す図である。
【００２１】
メタル通信システム１は通信所間で一対一通信を行うために設置されるもので、図１（ａ）に示すように、Ａ通信所内に設置されたモデム２ａとＢ通信所内に設置されたモデム２ｂとが、Ａ通信所内のＭＤＦ(主配線盤)３ａ及びＢ通信所内のＭＤＦ(主配線盤)３ｂを介して、一対の通信線４によって接続された構成を有している。
【００２２】
一対の通信線４は具体的にはツイストペアケーブルであり、通信線４を構成する個々のケーブルは金属（メタル）線である。一対の通信線４の外側は、図２に示すシールド線１２によって覆われている。一対の通信線４の各一端はそれぞれ、図２に示すように、モデム２ａの接続端子ＬＴ，ＬＲに接続される。図示していないが、モデム２ａの接続端子ＬＴに接続される通信線４の他端はモデム２ｂの接続端子ＬＲに接続され、モデム２ａの接続端子ＬＲに接続される通信線４の他端はモデム２ｂの接続端子ＬＴに接続される。シールド線１２は、モデム２ａ，２ｂの筐体に接続されることによりアースされる。
【００２３】
メタル通信システム１の利用帯域は、上述したように１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚである。したがって、一対の通信線４には、モデム２ａ，２ｂから１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数を有する通信信号が供給される。
【００２４】
メタル通信システム１には、図１（ａ）に示すように、信号測定装置１１が設置される。信号測定装置１１は、伝送路損失発生の原因を切り分ける目的で一時的に設置されるもので、切り分けが終了したら取り外される。通常、切り分け作業を行うのは、メタル通信システム１の保守担当者である。切り分け作業は、モデム２ａ，２ｂにおいてエラー過多の警報が出されたことなどを契機として開始される。切り分け作業を開始した保守担当者は、まず初めに信号測定装置１１を設置し、通信線４上に重畳されたノイズやモデム２ａが受信する受信信号のレベルを観測する。そして、観測結果に基づいて、伝送路損失発生原因の切り分けを行う。
【００２５】
信号測定装置１１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁路部材５及び測定用信号線６からなる信号抽出器７と、測定器８と、これらを接続するためのバラン９及び同軸ケーブル１０とを備えている。
【００２６】
磁路部材５は、図１（ｂ）及び図２に示すように、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂからなる。第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂはいずれも磁性体であり、それぞれ中空部を有している。第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの材質は、マンガン系のフェライト材料（ＭｎＦｅ２Ｏ４を主成分とするフェライト）としている。マンガン系のフェライト材料を採用するのは、特に２ＭＨｚ以下の低周波数帯域での観測を好適に行えるようにするためである。この点についての詳細は後述する。
【００２７】
第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂはそれぞれ半円状の２つの部材の組み合わせからなる。これら２つの部材は分解可能に構成されており、一旦分解して中空部にケーブルを挟み、その後組み立て直すことで、既設の通信ケーブルを中空部に貫通させられるように構成されている。保守担当者は、この特徴を利用して、既設の通信ケーブルである一対の通信線４に磁路部材５を設置する。具体的には、一対の通信線４のうちの一方を第１のトロイダルコア５ａの中空部に貫通させ、他方を第２のトロイダルコア５ｂの中空部に貫通させる。
【００２８】
測定用信号線６は、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成されている。測定用信号線６は、ループ状にした後に第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂを分解することでこれらを貫通させてもよいし、針の穴に糸を通すのと同じ要領で、分解していない状態の第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部に測定用信号線６を通すことでこれらを貫通させてもよい。ループ状部分のターン数は３ターン以上４ターン以下とすることが好ましく、３ターンとすることがより好ましい。なお、ターン数は、測定用信号線６が第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂの中空部を１回ずつ通過する場合に１ターン、２回ずつ通過する場合に２ターン、というように算出する。ターン数をこのように設定することで、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの利用帯域全域で安定した観測を行えるようになる。この点についての詳細も後述する。
【００２９】
信号抽出器７を以上のように構成することにより、一対の通信線４と測定用信号線６とが磁気的に結合し、一対の通信線４を流れる信号の一部が測定用信号線６に入力されることになる。磁路部材５は、一対の通信線４から発生する磁界の磁路として機能する。こうして測定用信号線６に入力される信号は、バラン９及び同軸ケーブル１０を介して測定器８に入力される。
【００３０】
バラン９は、平衡状態の電気信号と不平衡状態の電気信号とを相互に変換するための素子である。信号測定装置１１でのバラン９は、測定用信号線６に流れる平衡状態の電気信号を不平衡状態に変換し、同軸ケーブル１０に出力する役割を果たしている。同軸ケーブル１０は測定器８に接続されており、これにより、測定用信号線６に流れる信号が測定器８に入力される。
【００３１】
測定器８は信号レベルを測定可能に構成された測定器であり、具体的にはオシロスコープやスペクトラムアナライザーなどである。保守担当者は、この測定器８を操作して同軸ケーブル１０から入力される信号のレベル測定結果を表示させ、表示結果から、通信線４上に重畳されたノイズやモデム２ａが受信する受信信号のレベルを把握する。そして、把握したレベルに基づいて、伝送路損失の発生原因となっている部分を切り分ける。
【００３２】
信号測定装置１１では、信号抽出器７を上記構成とすることにより、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で概ね一定の観測レベルを得ることが可能になっている。そしてそのことにより、２ＭＨｚ以下の低周波数帯域を含む１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの利用帯域の全域において、安定してノイズや受信信号のレベルを観測することが可能になっている。以下、詳しく説明する。
【００３３】
初めに、信号抽出器７の結合量の最適値について説明する。信号抽出器７の結合量は、一対の通信線４から信号抽出器７に入力されるエネルギー量に対する、測定用信号線６側に取り出したエネルギー量の割合で表される。
【００３４】
図３は、信号抽出器７の結合量と、測定用信号線６側にエネルギーを取り出すことによって生ずる一対の通信線４側のエネルギー損失（挿入損失）との関係を示すグラフである。なお、図３並びに後述する図４（ａ）及び（ｂ）には、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂとしてトミタ電機株式会社製の型番２Ｈ４Ｇ−ＴＲＢ−２０×１０×１０（内径ｒｉ＝１０ｍｍ、外径ｒｏ＝２０ｍｍ、高さｈ＝１０ｍｍ）で示されるトロイダルコアを用い、各特性を実際に測定した結果を示している。測定に際して、測定用信号線６は、ループ状部分の直径ｒＬが約４ｃｍとなるように巻回した。
【００３５】
図３に示すように、挿入損失と結合量の間には密接な関係があり、具体的には、結合量が大きくなるほど挿入損失が大きくなる。これは、エネルギー保存則によるものである。一般的に、挿入損失が約０．５ｄＢより大きくなると、通信に対する影響が無視できなくなることから、挿入損失は約０．５ｄＢより小さく抑える必要がある。したがって、図３より、結合量は−９ｄＢ以下に抑えることが好適である。一方で、結合量が小さすぎると測定器８での観測が困難になるので、結合量は最低でも−１５ｄＢ以上を確保する必要がある。したがって、結合量の最適範囲は−１５ｄＢ以上−９ｄＢ以下となる。
【００３６】
次に、図４（ａ）は、結合量の周波数特性を示すグラフである。図４（ａ）には、実施例として信号抽出器７（マンガン系フェライトで構成されたトロイダルコアを用いる信号抽出器）の結合量の変化を実線で示すとともに、比較例として、電力線搬送通信システムで通常用いられるニッケル系フェライト（ＮｉＦｅ２Ｏ４を主成分とするフェライト）で構成されたトロイダルコアを用いる信号抽出器の結合量を破線で示している。図４（ａ）の例では、測定用信号線６のループ状部分のターン数は１ターンとした。また、トロイダルコアの材質以外の点では、実施例と比較例を同一の構成とした。
【００３７】
図４（ａ）に示されるように、トロイダルコアをニッケル系フェライトにより構成した比較例では、周波数が低いほど結合量が小さくなり、周波数が約２ＭＨｚ以下になると、結合量が上記最適範囲（−１５ｄＢ〜−９ｄＢ）の下限（−１５ｄＢ）未満になる。したがって、利用帯域が１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚであるメタル通信システム１においては、信号抽出器７をニッケル系フェライトにより構成すると、ノイズや受信信号のレベルを適切に観測することができないことになる。
【００３８】
一方、トロイダルコアをマンガン系フェライトにより構成した実施例では、約２ＭＨｚの周波数で結合量が極大となる。また、少なくとも図４（ａ）の測定範囲内（４００ｋＨｚ〜１５．４０ＭＨｚ）では、結合量が上記最適範囲（−１５ｄＢ〜−９ｄＢ）の下限（−１５ｄＢ）を下回ることはない。したがって、比較例に比べれば、メタル通信システム１においてノイズや受信信号のレベルを観測するのに適している。
【００３９】
しかしながら、図４（ａ）に示した実施例（測定用信号線６のループ状部分のターン数が１ターンである例）によれば、約６００ｋＨｚ以上の周波数で、結合量が上記最適範囲（−１５ｄＢ〜−９ｄＢ）の上限（−９ｄＢ）を上回る。また、周波数による結合量の違いが大きく、利用帯域全域で安定した観測を行うことは困難である。これらの点は、測定用信号線６のループ状部分のターン数を３ターン以上とすることで改善できる。以下、詳しく説明する。
【００４０】
図４（ｂ）は、本実施の形態による信号抽出器７について、結合量の周波数特性を示すグラフである。図４（ｂ）には、実施例としてターン数が３，４，５の各例を示すとともに、比較例としてターン数が１，２の各例を示している。ターン数１ターンの例は、図４（ａ）に示した実施例と同一の例である。
【００４１】
図４（ｂ）に示されるように、ターン数３，４，５の実施例では、ターン数１，２の場合に見られるような２ＭＨｚ付近の極大値が消えている。実際のところ、結合量はターン数が大きくなるほど平坦化する傾向を有し、また、ターン数が大きくなるほど、より低周波数帯域まで安定した結合量が得られるようになる。したがって、利用帯域内で一定した結合量を得るという観点からは、ターン数を３ターン以上とすればよい。
【００４２】
また、結合量は、図４（ｂ）にも示されるように、ターン数が大きいほど小さくなる。具体的には、ターン数１，２では約１ＭＨｚ以上の周波数帯域で結合量が上記最適範囲の上限（−９ｄＢ）を上回っているのに対し、ターン数３以上ではこの上限（−９ｄＢ）を上回ることはなくなっている。したがって、結合量を最適範囲の上限以下に抑えるという観点からも、ターン数は３ターン以上とすることが好適である。
【００４３】
一方、ターン数を大きくしすぎると、結合量が上記最適範囲を下回って観測が困難になる。具体的には、ターン数４以下の場合には、結合量が上記最適範囲の下限（−１５ｄＢ）を下回ることはないのに対し、ターン数５の場合には、約１．５ＭＨｚ以下の周波数帯域で結合量がこの下限（−１５ｄＢ）を下回っている。したがって、最適範囲の下限以上の結合量を得るという観点からは、ターン数を４ターン以下とすればよい。
【００４４】
以上より、ターン数は３ターン以上４ターン以下であることが好ましく、そうすることで、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの利用帯域全域で安定した観測を行うことが可能となる。また、ターン数を３ターンとすれば、４ターンとする場合に比べて大きな結合量を得ることができるので、ターン数は３ターンとすることがより好ましいと言える。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態による信号測定装置１１によれば、第１及び第２のトロイダルコア５ａ，５ｂをマンガン系フェライトにより構成し、かつ測定用信号線６のループ状部分のターン数を３ターン以上４ターン以下とすることで、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域で一定の観測レベルを得ることが可能になる。
【００４６】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４７】
１ メタル通信システム
２ａ，２ｂ モデム
３ａ，３ｂ ＭＤＦ
４ 一対の通信線
５ 磁路部材
５ａ，５ｂ トロイダルコア
６ 測定用信号線
７ 信号抽出器
８ 測定器
９ バラン
１０ 同軸ケーブル
１１ 信号測定装置
１２ シールド線
ＬＴ，ＬＲ 接続端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、
マンガン系フェライトからなる第１及び第２のトロイダルコアと、
前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、
前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記測定用信号線のターン数は、３ターン以上４ターン以下である
ことを特徴とする信号抽出器。
【請求項２】
前記測定用信号線のターン数は、３ターンである
ことを特徴とする請求項１に記載の信号抽出器。
【請求項３】
一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、
第１及び第２のトロイダルコアと、
前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、
前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記第１及び第２のトロイダルコアの材料及び前記測定用信号線のターン数は、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域における前記信号抽出器の結合量が−１５ｄＢ以上−９ｄＢ以下となるように決定される
ことを特徴とする信号抽出器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の信号抽出器と、
前記測定用信号線に流れる信号を観測する測定器とを備える
ことを特徴とする信号測定装置。
【請求項１】
一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、
マンガン系フェライトからなる第１及び第２のトロイダルコアと、
前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、
前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記測定用信号線のターン数は、３ターン以上４ターン以下である
ことを特徴とする信号抽出器。
【請求項２】
前記測定用信号線のターン数は、３ターンである
ことを特徴とする請求項１に記載の信号抽出器。
【請求項３】
一対の通信線上を流れる信号を抽出する信号抽出器であって、
第１及び第２のトロイダルコアと、
前記第１及び第２のトロイダルコアの中空部を交互に貫通するようにループ状に構成された測定用信号線とを備え、
前記一対の信号線の一方は前記第１のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記一対の信号線の他方は前記第２のトロイダルコアの前記中空部を貫通しており、
前記第１及び第２のトロイダルコアの材料及び前記測定用信号線のターン数は、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数帯域における前記信号抽出器の結合量が−１５ｄＢ以上−９ｄＢ以下となるように決定される
ことを特徴とする信号抽出器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の信号抽出器と、
前記測定用信号線に流れる信号を観測する測定器とを備える
ことを特徴とする信号測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−３２２０２（Ｐ２０１２−３２２０２Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７０１４６（Ｐ２０１０−１７０１４６）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（３０５０２７４５６）ネッツエスアイ東洋株式会社 (200)
【出願人】（０００２２２０３７）東北電力株式会社 (228)
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（３０５０２７４５６）ネッツエスアイ東洋株式会社 (200)
【出願人】（０００２２２０３７）東北電力株式会社 (228)
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