特許 6564250 発振装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6564250

(24)【登録日】2019年8月2日

(45)【発行日】2019年8月21日

(54)【発明の名称】発振装置

(51)【国際特許分類】

   H03L 7/14 20060101AFI20190808BHJP

   H03L 1/00 20060101ALI20190808BHJP

【ＦＩ】

   H03L7/14

   H03L1/00

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-119622(P2015-119622)

(22)【出願日】2015年6月12日

(65)【公開番号】特開2017-5594(P2017-5594A)

(43)【公開日】2017年1月5日

【審査請求日】2018年2月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002756

【氏名又は名称】特許業務法人弥生特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100091513

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 俊夫

(72)【発明者】

【氏名】古幡 司

(72)【発明者】

【氏名】大西 直樹

【審査官】 鬼塚 由佳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１７１７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２０００５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０９７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０８１１６３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０８２８１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｌ１／００ − Ｈ０３Ｌ７／２３

Ｈ０３Ｂ５／３０ − Ｈ０３Ｂ５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基準信号に基づいてＰＬＬにより周波数信号を出力する第１の発振回路と、
周波数設定値に応じた周波数で内部クロック信号である周波数信号を出力する第２の発振回路と、
外部から送られる外部クロック信号と前記内部クロック信号との間で前記基準信号を切り替えるために設けられ、外部クロック信号が送られているときには当該外部クロック信号を前記第１の発振回路に入力し、外部クロック信号が途絶えたときには前記内部クロック信号を前記第１の発振回路に入力する切り替え部と、
前記外部クロック信号と前記第２の発振回路から出力された周波数信号との周波数差に対応する差分値を求める周波数差検出部と、
前記周波数差検出部により求められた差分値の時系列データを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された差分値の時系列データ及び予め決めた基準時からの経過時間に基づいて、前記第２の発振回路から出力される周波数信号の周波数の経時変化を予測し、当該周波数の経時変化を相殺するための周波数設定信号の補正値を求める補正値算出部と、
前記外部クロック信号が途絶えたときに、前記周波数設定値に補正値を加えるための加算部と、を備えたことを特徴とする発振装置。

【請求項2】

前記補正値算出部は、前記時系列データに基づいて前記周波数の経時変化を指数関数を含む関数として近似し、近似された前記関数と予め決めた基準時からの経過時間とに基づいて前記周波数信号の周波数を予測し、前記補正値を算出するものであることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。

【請求項3】

前記周波数の経時変化の予測は、予め決められた時間の長さ分の前記差分値の時系列データが順次用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の発振装置。

【請求項4】

前記第２の発振回路は、周波数設定信号に応じた周波数で周波数信号を出力するＤＤＳを備え、前記ＤＤＳの出力に基づいて生成されるパルスを参照パルスとしてＰＬＬにより内部クロック信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発振装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）等の外部からのクロック信号を用いて発振出力（周波数信号）を得る発振装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば携帯電話の移動体通信や地上放送システムなどの基地局などにおいては、高い周波数安定性が求められる。そのため例えば特許文献１に示すようなセシウム周波数標準発振器やルビジウム標準発振器等により発振された基準信号となる外部クロック信号を受信し、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により、外部クロック信号の周波数と発振周波数の周波数とを同期させて周波数を安定させる発振装置が知られている。
更にまた例えば特許文献２に記載されているように基準周波数として例えばＧＰＳから送信される周波数信号を外部クロック信号として用いた発振装置が知られている。

【0003】

ところでこのような外部クロック信号に基づいて動作する発振装置においては、環境条件の変化等により機器あるいは伝送路に不具合が生じた場合などに外部クロック信号が受信できなくなることがあり、外部クロック信号の通信が途絶えたときに、発振装置から出力する周波数信号を安定させる必要があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−２３００２９号公報

【特許文献2】特開２０１５−５３６５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は外部から供給される外部クロック信号に基づいて動作する発振回路を含む発振装置において、外部クロック信号が途絶えたときにも周波数が安定している周波数信号を出力することができる発振装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の発振装置は、基準信号に基づいてＰＬＬにより周波数信号を出力する第１の発振回路と、
周波数設定値に応じた周波数で内部クロック信号である周波数信号を出力する第２の発振回路と、
外部から送られる外部クロック信号と前記内部クロック信号との間で前記基準信号を切り替えるために設けられ、外部クロック信号が送られているときには当該外部クロック信号を前記第１の発振回路に入力し、外部クロック信号が途絶えたときには前記内部クロック信号を前記第１の発振回路に入力する切り替え部と、
前記外部クロック信号と前記第２の発振回路から出力された周波数信号との周波数差に対応する差分値を求める周波数差検出部と、
前記周波数差検出部により求められた差分値の時系列データを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された差分値の時系列データ及び予め決めた基準時からの経過時間に基づいて、前記第２の発振回路から出力される周波数信号の周波数の経時変化を予測し、当該周波数の経時変化を相殺するための周波数設定信号の補正値を求める補正値算出部と、
前記外部クロック信号が途絶えたときに、前記周波数設定値に補正値を加えるための加算部と、を備えたことを特徴とする。

【0007】

また本発明の発振装置は、前記補正値算出部は、前記時系列データに基づいて前記周波数の経時変化を指数関数を含む関数として近似し、近似された前記関数と予め決めた基準時からの経過時間とに基づいて前記周波数信号の周波数を予測し、前記補正値を算出してもよく、前記周波数の経時変化の予測は、予め決められた時間の長さ分の前記差分値の時系列データが順次用いられてもよい。更に前記第２の発振回路は、周波数設定信号に応じた周波数で周波数信号を出力するＤＤＳを備え、前記ＤＤＳの出力に基づいて生成されるパルスを参照パルスとしてＰＬＬにより内部クロック信号を出力するように構成されていることを特徴としてもよい。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、外部から供給される外部クロック信号、例えばＧＰＳから送信される外部クロック信号に同期させて周波数信号を出力する発振回路（第1の発振回路）を含む発振装置において、外部クロック信号が途絶えたときに代わりに用いる内部クロック信号を発生させる発振回路（第２の発振回路）を設けている。そして、外部クロック信号と前記第２の発振回路から出力された周波数信号との周波数差に対応する差分値の時系列データを取得して予測した、第２の発振回路から出力される周波数信号の周波数の経時変化に基づいて第２の発振回路の周波数設定値を補正している。従って外部クロック信号が途絶えた場合においても周波数が安定した周波数信号（発振装置の出力信号）が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態に係る発振装置の概要を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る発振装置の第１の発振回路を示すブロック図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る発振装置の第２の発振回路を示すブロック図である。

【図4】本発明の実施の形態に係る発振装置における周波数差の経時変化を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は本発明の発振装置の実施形態を示すブロック図である。発振装置は、基準信号に従って、発振周波数を出力するように構成された第１の発振回路１を備えている。図２に示すように第１の発振回路１は、例えば周波数を出力するための電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）１０と、ＶＣＯ１０の発振出力を分周、例えば分周比が１／（４．０×１０^７）に設定された分周回路１１と、切り替え部３０を介して入力される周波数信号と分周回路１１からの周波数信号の位相とを比較して差分を取り出す位相比較回路１２と、チャージポンプ１３と、ループフィルタ１４と、を備えている。第１の発振回路１は、ＶＣＯ１０の出力を分周回路１１にて分周した後、位相比較回路１２にて位相差信号を求め、位相差信号をチャージポンプ１３を介して、ループフィルタ１４により積分し、ＶＣＯ１０に入力するＰＬＬ回路として構成されている。

【0011】

また図１に示すように第１の発振回路１に入力される基準信号は、ＧＰＳから受信される外部クロック信号である１Ｈｚの周波数信号と、第２の発振回路２から出力される４０ＭＨｚの周波数信号を分周回路３１により１／（４．０×１０^７）に変換した周波数信号と、の間で切り替え部３０により切り替えられるように構成されている。
図３に示すように第２の発振回路２は、第１の発振回路１と同様に、位相比較回路２２、チャージポンプ２３、ループフィルタ２４、ＶＣＯ２０及び分周回路２１で構成されるＰＬＬ回路を構成しており、後述する加算部６から出力される周波数設定信号（周波数設定値）をＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）回路部２５に入力し、ＤＤＳ回路部２５から出力された周波数信号が、位相比較回路２２に参照信号（上記の基準信号との混同を避けるため「参照信号」という用語を用いる）として入力される。

【0012】

ＧＰＳから受信される１Ｈｚの周波数信号（ＧＰＳ信号）は、逓倍回路部３２にて４０ＭＨｚに逓倍された後、周波数差検出部３に入力される。周波数差検出部３は、ＧＰＳから受信される１Ｈｚの周波数信号を例えば４０ＭＨｚに逓倍した周波数信号ｆ１と第２の発振回路２の周波数信号ｆ２とを各々カウントするカウンタと、周波数信号ｆ１の周波数と周波数信号ｆ２の周波数との差分値に対応する値である周波数の変化率を計測する計測部と、により構成されている。ここで周波数の変化率とは、（ｆ１−ｆ２）／ｆ１の値であり、ｆ１は経時変化を伴わないことから、この値はｆ１に対するｆ２の変化率ということができる。しかしながら説明の便宜上、以後の記載において、（ｆ１−ｆ２）／ｆ１の値を「周波数差」と称して説明する場合がある。なお記載の煩雑化を避けるために周波数信号ｆ１の周波数及び周波数信号ｆ２の周波数をｆ１、ｆ２と記載する場合がある。周波数差検出部３にて求められた周波数差は、補正値算出部である経時変化補正部４に入力される。

【0013】

また発振装置は、ＧＰＳから送信されているＧＰＳ信号が受信できているか否かを検出し、ＧＰＳ信号の受信の有無を示す１ビットの信号を経時変化補正部４に出力するＧＰＳ検出部５を備えている。ＧＰＳ検出部５は、ＧＰＳ信号を受信しているときには、例えば論理「１」の１ビットの信号を出力し、ＧＰＳ信号を受信していないときには、論理「０」の１ビットの信号を出力する。
既述の切り替え部３０は、ＧＰＳ検出部５からの検出信号が論理「１」のときには、ＧＰＳ信号の信号ラインに切り替えられ、ＧＰＳ検出部５からの検出信号が論理「０」のときには、第２の発振回路２の出力側に切替えられるように構成されている。切り替えるための回路構成としては、ＧＰＳ検出部５からの検出信号が後述の制御部（コンピュータ）に送られてこの制御部から切り替え信号が切り替え部３０に出力されるように構成してもよいし、あるいはＧＰＳ検出部５からの検出信号により直接切り替え部３０が切り替えられるように構成してもよい。

【0014】

経時変化補正部４は、例えばコンピュータから構成される制御部の一部として構成され、第２の発振回路２の発振開始後の発振の経過時間を計測する経過時間計測部４１と、経時変化補正値を求めるための補正値算出プログラム４２と、補正値算出プログラム４２（詳しくは、補正値算出プログラム４２を格納したプログラム格納部を備えているが、便宜上補正値算出プログラム４２として記載する）を実行するためのＣＰＵ４３と、記憶部であるメモリ４４と、を備えている。４０は、バスである。

【0015】

メモリ４４は、周波数差検出部３において算出された、既述の（ｆ１−ｆ２）／ｆ１の周波数差のデータを例えば３０分おきに２４時間分書き込めるように構成されている。またメモリ４４は、２４時間分の周波数差のデータを書き込んだ以後は、古いデータを順に削除し、最新のデータから２４時間前のデータまでを記録しておくように構成されている。

【0016】

続いて補正値算出プログラム４２について説明する。ＧＰＳ信号の周波数は正確に１Ｈｚであるため、周波数差検出部３にて求められる周波数差は、第２の発振回路２の発振周波数の経時変化に起因しているということができる。図４は、第２の発振回路２から出力される周波数信号の周波数ｆ２の経時変化を補正しない場合において、第２の発振回路２の電源を投入した後の経過時間と既述の周波数差（（ｆ１−ｆ２）／ｆ１）との関係をイメージとして示すものである。この関係は、上記の経過時間をｔとすると、（１）式で近似される。
（（ｆ１−ｆ２）／ｆ１）＝Ａ１×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ１））＋Ａ２×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ２））＋Ａ３×ｔ・・・（１）式

【0017】

そして補正値算出プログラム４２は、例えば電源投入時（ｔ＝０）から２４時間が経過した後、メモリ４４に記憶されている２４時間分の差分値のデータに基づいて指数関数を求める。具体的には、（１）式の定数Ａ１〜Ａ３、τ１及びτ２を求め、求めた定数Ａ１〜Ａ３、τ１及びτ２を当てはめた（１）式がメモリ４４に記憶される。上述のように周波数差検出部３にて求められる周波数差は、第２の発振回路２の発振周波数の経時変化に起因するため、第２の発振回路２の発振周波数の経時変化を指数関数を含む関数で近似することと、周波数差（（ｆ１−ｆ２）／ｆ１）を指数関数を含む関数で近似することと、は、実質的に同じであると言える。

【0018】

さらにＧＰＳ検出部５から経時変化補正部４にＧＰＳ信号が途切れたことを伝える１ビットの信号が入力されると、補正値算出プログラム４２は、メモリ４４に記憶された（１）式と、経過時間計測部４１により計測された経過時間とにより、当該経過時間における周波数差を演算する。
周波数差は経過時間に伴って大きくなっていくことから、この例では第２の発振回路２から出力される周波数信号の周波数ｆ２は経時変化に伴って小さくなっている。そこでＤＤＳ回路部２５から出力される、第２の発振回路２のＰＬＬにおける参照信号の周波数を高くするように、ＤＤＳ回路部２５に入力される周波数設定値を大きくするように補正することにより、補正後におけるｆ２は高くなる。周波数ｆ２が４０ＭＨｚよりどれだけ低い時に、ＤＤＳ回路部２５に入力される周波数設定値をどれだけ大きくすればよいかは事前に分かっているので、補正値算出プログラム４２は、周波数差検出部３において検出された周波数差に基づいて、周波数設定値の補正値（経時変化補正値）を求めることができ、求めた補正値が加算部６に出力される。

【0019】

加算部６は、経時変化補正部４から出力される経時変化補正値を、例えば外部のパーソナルコンピュータによりレジスタに設定された周波数設定値に加算し、補正された周波数設定信号を第２の発振回路２のＰＬＬの参照信号を生成するＤＤＳ回路部２５に出力する。周波数設定値は、例えば第２の発振回路２から出力される周波数信号の周波数に対応した設定値であり、例えばＤＤＳ回路部２５から出力されるパルスの周波数を設定するための電圧値である。

【0020】

続いて上述の実施形態の作用について説明する。今発振装置がＧＰＳ信号を受信しているとすると、ＧＰＳ検出部５からＧＰＳ信号の受信に相当する論理「１」の１ビットの信号が出力される。従って切り替え部３０は図１の状態になっており、ＧＰＳ信号である１Ｈｚの外部クロックが第１の発振回路１に基準信号として供給され、分周回路１１の分周比が１／（４．０×１０^７）に設定されているため、４０ＭＨｚの周波数信号を出力する。

【0021】

この時経時変化補正部４からは、経時変化補正値は出力されないため、加算部６に入力された周波数設定値が、第２の発振回路２に入力され、例えば４０ＭＨｚの周波数信号ｆ１を出力する。そして周波数差検出部３において、ＧＰＳ信号を４．０×１０^７に逓倍した周波数信号の周波数ｆ１と、第２の発振回路２から出力される周波数信号の周波数ｆ２と、の周波数差（（ｆ１−ｆ２）／ｆ１）が演算され、例えば２４ビットの信号として経時変化補正部４に入力される。経時変化補正部４においては、既述の周波数差が例えば３０分ごとにメモリ４４に書き込まれ、発振装置の電源投入時からの経過時間と対応させた２４時間分の時系列データが作成される。そして周波数差が書き込まれる度に、周波数差の経時変化を示す既述の（１）式である近似式を求めてメモリ４４に記憶する。さらに例えば図４中の時刻ｔ０にて、ＧＰＳ信号が途絶えたとすると、ＧＰＳ検出部５から論理「０」の１ビットの信号が出力される。これにより経時変化補正部４は、基準時、例えば発振装置の電源投入時からの現在の経過時間を（１）式に代入して、図４のグラフにおけるｔ０における周波数差（（ｆ１−ｆ２）／ｆ１）の予測値を求める。更に当該周波数差の予測値から経時変化補正値を演算し、加算部６に出力して、周波数設定値を補正する。

【0022】

例えば周波数差の予測値からｔ０における（（ｆ１−ｆ２）／ｆ１）の予測値を求め、この予測値の符号を正負逆にした値に所定の係数を掛けて経時変化補正値が算出される。更に論理「０」の１ビットの信号を受信したことから、切り替え部３０が図１の状態から第２の発振回路２の出力側に切り替えられる。従って、第1の発振回路１には、第２の発振回路２から出力される周波数信号の周波数ｆ２が分周回路３１により１／（４．０×１０^７）に分周されて１Ｈｚの周波数信号となって入力される。そして第１の発振回路１から４０ＭＨｚの周波数信号を出力する。

【0023】

その後、ＧＰＳ信号が途絶えている間は、例えば１時間ごとに、（１）式から予測される、その時の時刻における周波数差が求められ、この周波数差に基づいて周波数設定値の補正値が算出されて加算部６に出力される。そしてＧＰＳ信号が回復すると、ＧＰＳ検出部５からＧＰＳ信号の受信に相当する論理「１」の１ビットの信号が出力される。従って切り替え部３０は図１の状態に戻り、ＧＰＳ信号である１Ｈｚの外部クロック信号が第１の発振回路１に基準信号として供給される。

【0024】

上述の実施の形態によれば、ＧＰＳから送信される外部クロック信号に周波数を同期させた周波数信号を出力する発振装置において、ＧＰＳ信号が途絶えたときに代わりに用いる内部クロック信号を発生させる第２の発振回路２を設けている。そして、ＧＰＳ信号と第２の発振回路２から出力された周波数信号との周波数差に対応する差分値の時系列データを取得して近似式を求め、当該近似式と経過時間とにより、第２の発振回路２から出力される周波数信号の周波数の経時変化を予測し、第２の発振回路２の周波数設定値を補正している。従ってＧＰＳ信号が途絶えた場合において、第２の発振回路２から出力された周波数信号を第１の発振回路１の内部クロック信号として用いたときに、第２の発振回路２の経時変化による内部クロック信号の誤差が相殺されるため、第１の発振回路１の出力する周波数信号が安定する。

【0025】

また第２の発振回路２は、制御電圧あるいは電源電圧を調整することにより発振周波数を制御することができる回路、例えば水晶振動子を用いたコルピッツ回路であってもよい。この場合には、制御電圧等が周波数設定値に相当する。
またＤＤＳ回路部２５の周波数設定値がアナログ電圧値である場合には、加算部６の後段にＡ／Ｄ変換器を設ければよい。さらに外部クロック信号は、セシウム周波数標準発振器やルビジウム標準発振器であってもよい。
またメモリ４４は、３０分ごとに取得した３０日分のデータを記憶してもよく、３０日分のデータを用いて（１）式を求めるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0026】

１ 第１の発振回路
２ 第２の発振回路
３ 周波数差検出部
４ 経時変化補正部
５ ＧＰＳ検出部
６ 加算部
２５ ＤＤＳ回路部
４２ 補正値算出プログラム
４４ メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】