JP2008066831A - クロック再生方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ジッタを抑制して安定した周波数のクロックを再生し、かつ、目標とする周波数との乖離が大きい場合でも短時間で収束するクロック再生装置を提供する。
【解決手段】クロック再生装置は、バッファの蓄積データ量と、バッファの蓄積データ量の目標値との差分を計算し、差分を積分した積分値に積分係数を乗じた制御積分値と、差分を微分した微分値に微分係数を乗じた制御微分値と、差分に比例係数を乗じた制御比例値の和に基づき周波数可変発振手段を制御する手段と、判定時間区間内における再生クロック周波数の収束度を示す値を求め、閾値に基づき再生クロック周波数が収束しているか否かを判定する手段と、収束していると判定したときに、比例係数及び微分係数をより小さな値に変更する手段とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、データ送信装置とデータ受信装置とが非同期ネットワークを介して接続している等の理由により、データ送信装置とデータ受信装置が同一のクロック源を使用することができない場合において、データ受信装置が、データ送信装置から受信するデータ量に基づき、データ送信装置が使用するクロック源と同一周波数のクロックを再生するクロック再生技術に関する。特に、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御型の適応クロック法によるクロック再生において、データ受信装置が受信するデータにジッタがある場合においても、再生クロック周波数の安定性を向上させる技術に関する。

データ送信装置がデータ受信装置にデータを伝送するシステムにおいて、データ送信装置とデータ受信装置がＩＰ網のような非同期ネットワークで接続されている場合に、データ受信装置がデータ送信装置の使用クロックを再生して同期する方法として適応クロック法が知られている。適応クロック法については、例えば、非特許文献１にその原理が記載されている。

非特許文献１によれば、適応クロック法は、データ送信装置が一定のビットレートのデータを送信する場合、データ受信装置とデータ送信装置が非同期ネットワークを介して接続されていても、データ受信装置側で観測される単位時間当たりの受信データ量の平均値が、データ送信装置での送信ビットレートに確率的に一致することをその原理としている。つまり、データ受信装置は、ある期問に受信したデータ量をその期間で除することによりデータ送信装置での送信ビットレートを推定可能である。データ受信装置はそのビットレートにー致するようにデータ受信装置のクロック周波数を制御して、データ送信装置が使用しているクロックを再生する。クロック周波数とビットレートは固定の定数倍の関係にあるから、ビットレートを推定することと、クロック周波数を再生することとは、技術的に同義である。

なお、実際には、受信データ量をその期間で除するのではなく、受信データを、再生クロック周波数に比例したビットレートでデータが取り出されるバッファに蓄積しておき、バッファの蓄積データ量をある目標値に一致するようにそのクロック周波数を制御することによりクロック再生は行われる。

上述した、バッファの蓄積データ量と目標値との差分に対してＰＩＤ制御を適用してクロック再生を行う方法が提案されている（例えば、非特許文献２及び３参照。）。ＰＩＤ制御でクロック再生を行う場合、蓄積データ量と目標値との差分をｇ（ｔ）とすると、ｇ（ｔ）に比例係数Ｃ_１を掛けた制御比例値と、ｇ（ｔ）を積分した積分値に積分係数Ｃ_２を掛けた制御積分値と、ｇ（ｔ）を微分した微分値に微分係数Ｃ_３を掛けた制御微分値との和で周波数可変制御器の制御を行う。つまり、ＰＩＤ制御の制御値ｙ（ｔ）は、制御値の初期値をｙ_０とすると、

で表されることになる。

ＰＩＤ制御によるクロック再生においては、再生クロック周波数がデータ送信装置のクロック周波数に安定して一致する制御値を持続的に生成することが重要であり、その様な状態において、差分ｇ（ｔ）は常に０となり、その制御比例値及び制御微分値も０となる。なお、制御積分値は動作開始からの積分であり、一般的には０とならず、初期値ｙ_０が持つ、達成すべき制御値からの偏差を埋め合わせる働きがある。

データ受信装置におけるＰＩＤ制御によるクロック再生は、バッファの蓄積データ量に基づき行うので、蓄積データ量が変動すれば再生クロック周波数も変動することになる。データ送信装置がデータを所定のビットレートで送信しても、伝送路において時間的な揺らぎであるジッタが一般的には加わり、したがって、データ受信装置は、ジッタを含んだデータを受信することになる。特に、非同期ネットワークであるＩＰ網等を用いてデータ転送を行う場合には、輻輳等により経路中のスイッチで処理の待ち合わせが発生することがある。これは、データ受信装置にとっては、受信データのジッタとして観測される。もし、受信データにジッタが無く、データ受信装置がデータ送信装置のクロックを精確に再生できれば、蓄積データ量は目標値に一致し、かつ、変動せず、再生クロック周波数がデータ送信装置のクロック周波数に安定して一致する。しかしながら、実際には、データ受信装置が受信するデータにはジッタが含まれるため、蓄積データ量はジッタの大きさに応じた大きさで変動することになる。したがって、蓄積データ量に基づき再生されるクロック周波数も、ジッタの大きさに応じて変動することになる。

データ受信装置で再生するクロック周波数の変動を抑制するためには、蓄積データ量の変化に対する再生クロック周波数の変化を小さくすれば良い。式（１）より、ＰＩＤ制御を用いる場合において、ｇ（ｔ）の変動に対する制御値への影響を抑制するためには、比例係数（正の実数）、積分係数（正の実数）及び微分係数（正の実数）を小さい値にすれば良いことが分かる。しかしながら、これら係数を小さくすることは、逆に、ｇ（ｔ）に対する再生クロック周波数の感度が小さくなることを意味する。すなわち、クロック再生動作開始時のように、再生クロック周波数が、本来再生すべきクロック周波数から離れた値であるときには、本来再生すべきクロック周波数に近づくまでに、大変時間がかかることになってしまう。つまり、式（１）の各係数の大きさと、クロック周波数の収束時間はトレードオフの関係にある。

したがって、再生クロック周波数が、本来再生すべきクロック周波数から離れた値であるときには高速な収束動作を行い、本来再生すべきクロック周波数に近づいた後には、受信データにジッタがある場合でも再生クロック周波数の変動を抑制して、安定したクロック再生を行う方法が求められる。

特許文献１には、一定時間経過後又は再生クロック周波数変動幅が、所定値以下となったときに、クロック再生の初期に使用した感度係数を小さく設定することで、安定したクロック再生を行う方法が記載されている。

特許第３６６０５１７号明細書 ＩＴＵ−Ｔ Ｉ．３６３．１、"Ｂ−ＩＳＤＮ ＡＴＭ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ：Ｔｙｐｅ １ ＡＡＬ" 斉藤幸一、深田陽一、前田洋一、"ＰＩＤ制御を適用した適応クロック法の検討"、電子情報通信学会ソサイエティ大会、Ｂ−８−１７、ｐｐ．２２３、２００４年９月 深田陽一、安田武、小松秀司、斉藤幸一、前田洋一、"回線エミュレーション向け比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御型適応クロック法の実装と評価"、信学技法、ｖｏｌ．１０５ Ｎｏ．４１０、ＣＳ２００５−４３、ｐｐ．３７−４２、２００５年１１月

特許文献１においては、感度係数を、適切な時間経過後又は再生クロック周波数の変動幅が所定値以下となったときに変更するものとしている。このうち、適切な時間経過後に変更する場合には、まず適切な時間、つまり、早すぎず、かつ、遅すぎない時間を決定する必要があるが、その適切な時間の決定方法については記載されていない。また、再生クロック周波数の変動幅により変更する場合には、再生クロック周波数の測定のために、再生クロックとは別の独立したクロック源が必要であり、しかも、その独立したクロック源には高い安定度が要求されるため、ハードウェア規模及びコストが増大してしまう。なお、特許文献１によると感度係数の変更は１回のみであり、その変更の際に制御値が急激に変化することを抑制するため補正値を加えている。

したがって、本発明は、受信データにジッタが含まれる場合においても、ジッタを抑制して安定した周波数のクロックを再生し、かつ、動作開始時等、目標とする周波数との乖離が大きい場合でも短時間で収束するクロック再生方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明におけるクロック再生装置によれば、
受信データをバッファに蓄積し、再生クロックの周波数に比例した速度でバッファからデータを読み出し、バッファの蓄積データ量に基づきクロック再生を行うクロック再生装置であって、バッファの蓄積データ量と、バッファの蓄積データ量の目標値との差分を計算する差分計算手段と、差分を積分して積分値を計算する積分計算手段と、差分を微分して微分値を計算する微分計算手段と、差分と比例係数の積である制御比例値を計算する比例係数乗算手段と、積分値と積分係数の積である制御積分値を計算する積分係数乗算手段と、微分値と微分係数の積である制御微分値を計算する微分係数乗算手段と、制御比例値、制御積分値及び制御微分値の和に基づき周波数可変発振手段を制御する加算手段と、判定時間区間内における再生クロック周波数の収束度を示す値を求め、閾値に基づき再生クロック周波数が収束しているか否かを判定する条件判定手段と、収束していると判定したときに、比例係数及び微分係数をより小さな値に変更する手段とを備えていることを特徴とする。

本発明のクロック再生装置における他の実施形態によれば、
収束していると判定したときに、積分係数をより小さな値に変更する手段と、積分係数変更による制御積分値の変動を相殺するオフセットを計算するオフセット保持手段とを備えており、加算手段は、制御比例値、制御積分値、制御微分値及びオフセットの和に基づき周波数可変発振手段を制御することも好ましい。

また、本発明のクロック再生装置における他の実施形態によれば、
条件判定手段は、再生クロック周波数が収束していると判定したときに、次の判定時間区間における再生クロック周波数収束の判定に使用する閾値を、より小さな値に変更することも好ましい。

更に、本発明のクロック再生装置における他の実施形態によれば、
再生クロック周波数の収束度を示す値は、判定時間区間内における積分値に基づく値であることも好ましい。

更に、本発明のクロック再生装置における他の実施形態によれば、
再生クロック周波数の収束度を示す値は、判定時間区間内における差分に基づく値であることも好ましい。

本発明におけるクロック再生装置によれば、
受信データをバッファに蓄積し、再生クロックの周波数に比例した速度でバッファからデータを読み出し、該再生クロックを、バッファの蓄積データ量と、バッファの蓄積データ量の目標値との差分を計算し、差分を積分した積分値及び差分を微分した微分値を計算し、差分と比例係数の積である制御比例値、積分値と積分係数の積である制御積分値、及び、微分値と微分係数の積である制御微分値を計算し、制御比例値、制御積分値及び制御微分値の和に基づき周波数可変発振器を制御することにより再生する方法であって、判定時間区間内における再生クロック周波数の収束度を示す値を求め、閾値に基づき再生クロック周波数が収束しているか否かを判定するステップと、収束していると判定したときに、比例係数及び微分係数をより小さな値に変更するステップとを備えていることを特徴とする。

比例係数と微分係数とを、或いは、比例係数と積分係数と微分係数とを、再生クロック周波数の収束度に応じて順次減少させることで、通信経路でジッタが加わる場合でも、データ送信装置の使用クロックを精度良く再生可能となる。クロック周波数収束の判定には、判定時間区間における蓄積データ量とその目標値との差分、又は、積分値に基づく値を使用して閾値により行う。ある閾値に対して収束していると判定できた場合には、各係数を減少させると共に、収束判定のための閾値も減少させる。各係数を徐々に減少させることで、収束時間が伸長するリスクを軽減することができる。閾値を徐々に減少させることで、収束判定があまくなるリスクを軽減することができる。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

本発明によるクロック再生方法は、ＰＩＤ制御を用い、クロック再生動作初期に設定した比例係数、積分係数及び微分係数を、再生クロック周波数の収束に伴い順次小さい値に変更してゆく。再生クロック周波数の収束については、所定の判定時間区間ごとに、再生クロック周波数の収束度を示す値を求め、収束度を示す値と閾値により判定する。本実施形態においては、蓄積データ量と目標値との差分を積分した積分値を判定時間区間単位で観測し、判定時間区間内におけるその最大値と最小値との差を、収束度を示す値として使用し、この値が、変動幅上限値と呼ぶ閾値未満であるときに収束したと判断する。なお、変動幅上限値以内であるときに収束したと判断しても良い。収束したと判断したときには、比例係数、積分係数及び微分係数をより小さい値に変更し、積分係数の変更に伴う制御積分値の変動分の符号を逆にしたものをオフセットとして制御値に加える。続いて、次の判定時間区間における再生クロック周波数収束の判定に使用する変動幅上限値も、より小さな値に変更する。この動作を繰り返し行う。なお、オフセットを加える理由は、ＰＩＤ制御を用いた適応クロック法における制御積分値は、制御値の初期値の偏差を相殺する働きがあり、積分係数を変更することにより制御積分値も変更されるため、その変化分を補償する必要があるからである。図１は、上述した本発明によるクロック再生方法を説明する図である。

図１に示す処理により、クロック再生動作開始時等においては、比例係数、積分係数及び微分係数としてある程度大きな値を使用して、再生クロック周波数を、データ送信装置が使用しているクロック周波数に高速に近づけさせ、再生クロック周波数がある程度、データ送信装置の使用周波数に近づいたときに、比例係数、積分係数及び微分係数を小さくすることにより、再生クロック周波数の変動を抑制することができる。各係数をより０に近い値にすることは、再生クロック周波数がデータ送信装置のクロック周波数へ接近する速度が小さくなることを意味するが、ジッタ等の外乱に対して周波数変動が抑制されるため、安定した再生クロックを維持することが可能となる。また、各係数を継続的に小さくすることにより、安定度を更に増すことができる。なお、積分値は積分対象の変数の変化を小さくする働きがあるため積分係数は変更せず、微分係数及び比例係数のみを変更しても良く、この場合には制御値へのオフセットの加算は必要ない。

図２は、本発明によるクロック再生装置を含む通信システムの構成図である。図２によると、通信システムは、データ受信装置１００と、データ送信装置１０１と、通信網１０２とを備え、本発明によるクロック再生装置はデータ受信装置１００に設けられている。図２において、データ送信装置１０１は、データを一定ビットレートで通信網１０２へ送信する。なお、通信網１０２がパケット網であれば、データ送信装置１０１は、パケット化の後、データ送信を行う。通信網１０２を介して伝送されたデータはデータ受信装置１００が受信する。データ受信装置１００は、データ送信装置１０１が使用しているクロック源と直接接続しておらず、これを利用できないため、データ受信装置１００内のクロック再生装置は、本発明によるクロック再生方法を使用してデータ送信装置１０１がデータを送信したときのクロックを再生する。

なお、データ受信装置１００は、データ送信装置１０１の使用クロック源を利用できないが、その値は把握しているため、データを受信していない間は、把握している値に基づきデータ送信装置１０１の使用クロック周波数に近い周波数のクロックを生成して、そのクロックで動作する。

図３は、本発明によるクロック再生装置の機能構成を示すブロック図である。図３によるとクロック再生装置は、データバッファ１と、差分計算部２と、比例係数乗算部３と、比例係数保持部４と、積分計算部５と、積分係数乗算部６と、積分係数保持部７と、微分計算部８と、微分係数保持部９と、微分係数乗算部１０と、条件判定部１１と、周波数可変発振器１２と、加算部１３と、オフセット保持部１４とを備えている。

データバッファ１は、受信データを一旦蓄積するバッファであり、蓄積データは、周波数可変発振器１２が出力する再生クロックに比例した速度のビットレート、つまり、クロック再生装置側で再生したデータ送信装置１０１での送信ビットレートにて取り出される。

差分計算部２は、蓄積データ量の目標値を保持しており、データバッファ１の蓄積データ量を監視して、目標値との差分を求めてその値を出力する。

比例係数保持部４は比例係数を保持し、積分係数保持部７は積分係数を保持し、微分係数保持部９は微分係数を保持する。なお、後述するように、比例係数、積分係数及び微分係数は、動作開始後に段階的に変更されるが、動作開始時の初期値を、比例係数保持部４、積分係数保持部７及び微分係数保持部９はそれぞれ有している。これら、比例係数、積分係数及び微分係数の各初期値は、固定的な値として予め設定されるものであっても良く、また、必要に応じて外部より変更できるものであっても良い。

積分計算部５は、差分計算部２が求めた差分に対して積分処理を行って積分値を求め、積分値を示す積分値信号１５を出力し、微分計算部８は、差分計算部２が求めた差分に対して微分処理を行って微分値を求め、微分値を示す微分値信号を出力する。

比例係数乗算部３は、比例係数保持部４が保持する比例係数と差分計算部２が求めた差分とを乗算して制御比例値を求め、積分係数乗算部６は、積分係数保持部７が保持する積分係数と積分計算部５が求めた積分値とを乗算して制御積分値を求め、微分係数乗算部１０は、微分係数保持部９が保持する微分係数と微分計算部８が求めた微分値とを乗算して制御微分値を求める。

加算部１３は、制御比例値と、制御積分値と、制御微分値と、オフセット保持部１４が出力するオフセットと、加算部１３にあらかじめ設定されている初期値とを加算して周波数可変発振器１２が出力する再生クロックを制御する制御値を出力し、周波数可変発振器１２は、制御値に基づき再生クロックを出力する。データ送信装置が使用するクロック源のクロック周波数の値は既知という前提であり、周波数可変発振器１２の制御値に対する発振周波数特性はある精度で知られていると考えるのが自然であるため、周波数可変発振器１２の出力クロック周波数を、データ送信装置が使用するクロック源の周波数に近いものとする制御値の値は算出可能であり、この値を初期値として使用する。

なお、初期値による周波数可変発振器１２の出力クロック周波数が、データ送信装置の使用クロック源のクロック周波数と完全に一致することはまれであり、仮に完全に一致したとしても、例えば、周波数可変発振器１２としてしばしば用いられる電圧制御水晶発振器の出力クロック周波数が温度によって変化するといった様に、周波数可変発振器１２の出力クロック周波数は、ある固定的な制御値に対しても外部要因により変化する。データ送信装置での使用クロック周波数とのずれをそのままにしておくと、データバッファ１でのバッファオーバフロー又はアンダーフローが発生し通信品質を劣化させるため、常に制御値を適切に変化させ、周波数可変発振器１２の出力クロック周波数を適切に制御する必要がある。

条件判定部１１は、積分値信号１５を観測し、その積分値の変動幅が、あらかじめ設定されている変動幅上限値未満であるか否かを、判定時間区間単位で判定する。判定時間区間内において、積分値の変動幅が変動幅上限値未満である場合、条件判定部１１は、比例係数保持部４、積分係数保持部７及び微分係数保持部９に対して、指示信号１６を送出し、指示信号１６の受信により、比例係数保持部４は比例係数を現在値より小さい値に変更し、積分係数保持部７は積分係数を現在値より小さい値に変更し、微分係数保持部９は微分係数を現在値より小さい値に変更する。

なお、比例係数保持部４、積分係数保持部７及び微分係数保持部９における、各係数の変更方法としては、あらかじめ各係数の値のリストを作成しておき、リストの順に変更する方法や、現在の値に１より小さい正数を乗算する方法などがある。

オフセット保持部１４は、積分係数保持部７が積分係数を変更したときに、積分値と、変更前後の積分係数とから、積分係数変更による制御積分値の変動を計算し、その変動分の符号を逆にした値を、現在のオフセットに加算して新たなオフセットとして保持し、加算部１３に出力する。

図４は、条件判定部１１の機能構成を示すブロック図である。図４によると、条件判定部１１は、最大値最小値判定部２１と、最大値保持部２２と、最小値保持部２３と、タイマ２４と、変動幅上限値保持部２５と、比較演算部２６とを備えている。

タイマ２４は、判定時間区間の計測と、判定時間区間を分割した個々の判定タイミングの計測を行う。タイマ２４は、例えば、数ビットから構成されるカウンタであっても良く、図示されていない外部からのクロック信号をカウントし、クロック信号の入力を個々の判定タイミングとし、カウント数がある値に達するまでの期間を判定時間区間とすることができる。例えば、タイマ２４が、１０ビットレジスタで構成されたカウンタであり、外部からのクロック信号が１ｋＨｚである場合には、カウンタの値として００００００００００（２進数表現）から１１１１１１１１１１（２進数表現）までの１０２３クロック分を計測すれば、１．０２３秒を計測でき、００００００００００（２進数表現）から１１１１１０１０００（２進数表現）までの１０００クロック分を計測すれば１秒を計測することができ、この１．０２３秒又は１秒を判定時間区間とし、各クロックのタイミングである０．００１秒を個々の判定タイミングとすることができる。

最大値最小値判定部２１は、タイマ２４から通知される判定タイミング毎に、そのときの積分値信号１５が示す積分値が、最大値保持部２２が保持している値より大きいか否かと、最小値保持部２３が保持している値より小さいか否かを判定し、最大値保持部２２が保持している値より大きい場合には、そのときの積分値を最大値保持部２２に設定し、最小値保持部２３が保持している値より小さい場合には、そのときの積分値を最小値保持部２３に設定する。なお、判定の開始時、つまり、カウンタ値が００００００００００（２進数表現）から０００００００００１（２進数表現）に変更されたときには、そのときの積分値を、最大値保持部２２及び最小値保持部２３の値と比較することなく最大値保持部２２及び最小値保持部２３に保存する。

比較演算部２６は、判定時間区間の終了時、例えば、クロック信号が１ｋＨｚで、判定時間区間が１秒である場合に、カウンタ値が１１１１１０１０００（２進数表現）での最大値最小値判定部２１の処理が終了したときに、最大値保持部２２が保持している値から最小値保持部２３に保存している値を減じて、この判定時間区間における変動幅を計算し、この変動幅が、変動幅上限値保持部２５が保持している変動幅上限値未満であれば、比例係数保持部４、積分係数保持部７及び微分係数保持部９に対して各係数の変更を指示する指示信号１６を出力し、併せて、変動幅上限値保持部２５が保持している、変動幅上限値をより小さな値に変更する。変動幅上限値のより小さな値への変更も、リストにより行う方法や、１より小さい正の値を乗ずることにより行う方法等がある。

図５は、条件判定部１１での処理フロー図である。図５においては、タイマ２４が０．００１秒単位でカウンタを増加させ、カウンタが増加したときを各判定タイミングとし、１秒を判定時間区間としている。

図５によると、タイマ２４がカウントされる（Ｓ１）度に、タイマ２４の値を判定し、タイマ２４の値が０００００００００１（２進数表現）である場合（Ｓ２）には、積分値を、最大値保持部２２及び最小値保持部２３に設定（Ｓ３）し、タイマ２４の値が０００００００００１（２進数表現）でない場合（Ｓ２）には、積分値が、最大値保持部２２が保持している値より大きいか否か（Ｓ４）及び最小値保持部２３が保持している値より小さいか否か（Ｓ６）を判定する。積分値が、最大値保持部２２が保持している値より大きい場合には、その積分値を最大値保持部２２に設定（Ｓ５）し、積分値が、最小値保持部２３が保持している値より小さい場合には、その積分値を最小値保持部２３に設定（Ｓ７）する。タイマ２４の値が１１１１１０１０００（２進数表現）である場合（Ｓ８）には、最大値保持部２２が保持している値から最小値保持部２３が保持している値を減じて変動幅を求め、変動幅が、変動幅上限値保持部２５に設定されている変動幅上限値未満であるか否かを判定（Ｓ９）し、変動幅上限値未満である場合には、比例係数、積分係数及び微分係数のより小さな値への変更を指示し、変動幅上限値保持部２５が保持している変動幅上限値をより小さな値に変更（Ｓ１０）する。最後に、判定時間区間の終了によりタイマ２４を００００００００００（２進数表現）に初期化（Ｓ１１）する。

図６は、本発明によるクロック再生方法による再生クロックの測定系を示す図である。図６によると、測定系は、データ送信装置１０１と、フレームジッタ付加装置３１と、クロック再生装置３０と、周波数測定器３２と、測定値収集装置３３とを備えている。

データ送信装置１０１は、図示しないクロック源からのクロックに基づいて一定のビットレートのデータをフレーム化して送信する装置であり、フレームジッタ付加装置３１は、データ送信装置１０１が送信したフレームに対して設定に基づくフレームジッタを付加し、クロック再生装置３０に出力する装置である。本発明によるクロック再生装置３０は、フレームジッタ付加装置３１からのフレームを受信し、フレームに含まれる受信データに基づき再生クロックを生成して出力する。周波数測定器３２は、データ送信装置１０１と、同一のクロック源のクロックを基準として、クロック再生装置３０が出力する再生クロックの周波数を測定し、測定値収集装置３３に出力する。

以下、図６に示す測定系を使用しての測定結果について説明する。クロック再生装置３０は、１．５４４ＭＨｚに正規化されたクロックを出力し、その周波数可変発振器１２には、発振周波数の偏差が±２００ｐｐｍ以内である電圧制御水晶発振器を使用した。なお、この電圧制御水晶発振器の制御値に対する発振周波数の変動比率（１．５４４ＭＨｚ換算）は予備実験より約０．００９（Ｈｚ／制御値）であり、積分係数の値を３２とした。したがって、積分値に対する周波数の変動比率（１．５４４ＭＨｚ換算）は、約０．３（Ｈｚ／積分値）になる。１０秒程度の期間における再生クロック周波数の変動量が数Ｈｚ以内であれば、再生クロック周波数がある一定値に収束していると判断するものとした。よって、積分値の変動幅上限値の初期値を１６（０．３×１６＝４．８Ｈｚより）とした。また、判定タイミングを０．００００６２５秒（＝１／１６ｋＨｚ）毎とし、判定時間区間を１０秒とした。更に、積分値の変動値が変動幅上限値未満である場合に、比例係数、微分係数及び変動幅上限値を現在の値の０．９３７５倍（＝１５／１６）に変更するものとし、積分係数は変更しないものとした。なお、時間の測定にはクロック再生装置３０が再生するクロックを用いた。このクロックは精確なクロックと比較して最大２００ｐｐｍの誤差を含むが、時間の測定は周波数収束の程度を調べるための目安であるので、時間の精度のこの誤差は問題とならない。

図７は、本発明によるクロック再生方法で、ジッタを付加した場合の実験結果を示す図であり、横軸は時間を、縦軸はクロック再生装置３０が出力する再生クロック周波数の１．５４４ＭＨｚからの偏差を表している。なお、フレームジッタ付加装置３１は、最小１ｍｓ、最大３ｍｓのジッタを加えるように設定を行った。図７より、クロック再生開始初期においては、大きな周波数誤差を含むが、時間の経過と共にその誤差が減少して精確な周波数に徐々に収束していくのが分かる。また、係数を急激に変更するのではないため、変更時にクロック周波数が急激に変化することもない。

図８は、比例係数及び微分係数を変更しない、つまり全係数を一定とする条件で、ジッタを付加した場合の実験結果を示す図であり、比例係数及び微分係数を変更しないこと以外の条件は、図７での条件と同じである。図７と図８との比較より、比例係数及び微分係数を変更しない場合、時間が経過しても再生クロック周波数は大きな誤差を含み、大きく変動することが分かる。

図９は、本発明によるクロック再生方法で、ジッタを付加しない場合の実験結果を示す図であり、ジッタを付加しないこと以外は、図７での条件と同じである。図９より、ジッタが付加されない場合、再生クロックは、目標とすべきクロック周波数に急激に収束することが分かる。また、図１０は、比例係数及び微分係数を変更せず、更に、ジッタを付加しない場合の実験結果を示す図であり、その他の条件は図７と同じである。図９及び１０より、本発明によるクロック再生方法は、ジッタが無い場合においては、係数を変更しない従来技術と同程度の効果であることが分かる。つまり、本発明によるクロック再生方法は、ジッタが無い場合においては従来技術との差はあまりないが、ジッタがある場合においては、従来技術と比較して再生クロック周波数の誤差及びその変動をかなり抑圧することができるものであり、ＩＰ網等の非同期網では通常ジッタが発生するため、実際の通信網において本発明は大変有効である。

以上、比例係数と微分係数とを、或いは、比例係数と積分係数と微分係数とを順次減少させることで、ジッタが存在する場合でも、データ送信装置１０１の使用クロックを精度良く再生可能となる。各係数の変更は、蓄積データ量とその目標値との差分に対する積分値の変動に応じて判断し、各係数を徐々に減少させて行くことで、係数変更時のクロック周波数の変動を抑制する。

なお、上述した実施形態においては、再生クロック周波数の収束度を示す値として、蓄積データ量とその目標値との差分の積分値に基づく値、より詳しくは判定時間区間内の積分値の最大値と最小値の差を使用したが、クロック収束の程度を示す別の値により行うことも可能である。例えば、蓄積データ量と目標値との差分が０に一致し続けたならば、再生クロック周波数が、データ送信装置１０１のクロック周波数に一致しているので、差分に基づく値を使用することもできる。より具体的には、判定時間区間内における蓄積データ量とその目標値との差分の絶対値の最大値を収束度を示す値として使用し、その最大値が所定値未満又は以下であれば各係数の変更を行う構成とすることもできる。

本発明によるクロック再生方法を説明する図である。 本発明によるクロック再生装置を含む通信システムの構成図である。 本発明によるクロック再生装置の機能構成を示すブロック図である。 条件判定部の機能構成を示すブロック図である。 条件判定部での処理フロー図である。 本発明によるクロック再生方法による再生クロックの測定系を示す図である。 本発明によるクロック再生方法で、ジッタを付加した場合の実験結果を示す図である。 比例係数及び微分係数を変更しない条件で、ジッタを付加した場合の実験結果を示す図である。 本発明によるクロック再生方法で、ジッタを付加しない場合の実験結果を示す図である。 比例係数及び微分係数を変更せず、更に、ジッタを付加しない場合の実験結果を示す図である。

符号の説明

１ データバッファ
２ 差分計算部
３ 比例係数乗算部
４ 比例係数保持部
５ 積分計算部
６ 積分係数乗算部
７ 積分係数保持部
８ 微分計算部
９ 微分係数保持部
１０ 微分係数乗算部
１１ 条件判定部
１２ 周波数可変発振器
１３ 加算部
１４ オフセット保持部
１５ 積分値信号
１６ 指示信号
２１ 最大値最小値判定部
２２ 最大値保持部
２３ 最小値保持部
２４ タイマ
２５ 変動幅上限値保持部
２６ 比較演算部
３０ クロック再生装置
３１ フレームジッタ付加装置
３２ 周波数測定器
３３ 測定値収集装置
１００ データ受信装置
１０１ データ送信装置
１０２ 通信網

Claims (6)

1. 受信データをバッファに蓄積し、再生クロックの周波数に比例した速度でバッファからデータを読み出し、バッファの蓄積データ量に基づきクロック再生を行うクロック再生装置であって、
   バッファの蓄積データ量と、バッファの蓄積データ量の目標値との差分を計算する差分計算手段と、
   差分を積分して積分値を計算する積分計算手段と、
   差分を微分して微分値を計算する微分計算手段と、
   差分と比例係数の積である制御比例値を計算する比例係数乗算手段と、
   積分値と積分係数の積である制御積分値を計算する積分係数乗算手段と、
   微分値と微分係数の積である制御微分値を計算する微分係数乗算手段と、
   制御比例値、制御積分値及び制御微分値の和に基づき周波数可変発振手段を制御する加算手段と、
   判定時間区間内における再生クロック周波数の収束度を示す値を求め、閾値に基づき再生クロック周波数が収束しているか否かを判定する条件判定手段と、
   収束していると判定したときに、比例係数及び微分係数をより小さな値に変更する手段と、
   を備えていることを特徴とするクロック再生装置。
2. 収束していると判定したときに、積分係数をより小さな値に変更する手段と、
   積分係数変更による制御積分値の変動を相殺するオフセットを計算するオフセット保持手段とを備えており、
   加算手段は、制御比例値、制御積分値、制御微分値及びオフセットの和に基づき周波数可変発振手段を制御することを特徴とする請求項１に記載のクロック再生装置。
3. 条件判定手段は、再生クロック周波数が収束していると判定したときに、次の判定時間区間における再生クロック周波数収束の判定に使用する閾値を、より小さな値に変更することを特徴とする請求項１又は２に記載のクロック再生装置。
4. 再生クロック周波数の収束度を示す値は、判定時間区間内における積分値に基づく値であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のクロック再生装置。
5. 再生クロック周波数の収束度を示す値は、判定時間区間内における差分に基づく値であること特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のクロック再生装置。
6. 受信データをバッファに蓄積し、再生クロックの周波数に比例した速度でバッファからデータを読み出し、該再生クロックを、
   バッファの蓄積データ量と、バッファの蓄積データ量の目標値との差分を計算し、
   差分を積分した積分値及び差分を微分した微分値を計算し、
   差分と比例係数の積である制御比例値、積分値と積分係数の積である制御積分値、及び、微分値と微分係数の積である制御微分値を計算し、
   制御比例値、制御積分値及び制御微分値の和に基づき周波数可変発振器を制御することにより再生する方法であって、
   判定時間区間内における再生クロック周波数の収束度を示す値を求め、閾値に基づき再生クロック周波数が収束しているか否かを判定するステップと、
   収束していると判定したときに、比例係数及び微分係数をより小さな値に変更するステップと、
   を備えていることを特徴とするクロック再生方法。

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