JP2010109586A - クロック発生装置、クロック発生方法、通信装置、及び同期クロック伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの立ち上げ時間を短くする。
【解決手段】本発明のクロック発生装置は、送信間隔算出手段と、スレーブクロック生成手段と、受信タイムスタンプ生成手段と、受信間隔算出手段と、送受信タイムスタンプ差分算出手段と、送受信タイムスタンプ差分の平滑化を行い、送受信タイムスタンプ差分の平均値を求める平滑化手段と、送受信タイムスタンプ差分の平均値を用いて、スレーブクロックの周波数を補正を行うスレーブクロック補正手段と、所定の期待値を用いて、所定の算出区間における送受信タイムスタンプ差分の平均値の正常性を判定し、正常である場合に、送受信タイムスタンプ差分の平均値のスレーブクロック補正手段への供給を容認する送受信間隔差分平均値検証手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同期クロック伝送装置及び方法、同期クロック補正装置及び方法に関し、例えば、ＩＰ網におけるマスター装置とスレーブ装置との間の同期クロックを伝送する装置及び方法、スレーブ装置における同期クロックを補正する装置及び方法に適用し得るものである。

図２は、従来のＩＰ網における同期クロック伝送を実現する方法を説明する説明図である。

図２において、マスター装置２００は、時刻情報（以後、送信タイムスタンプという）とパケット順位番号（以後、シーケンス番号という）とを付与したパケットをスレーブ装置２１０に送信する。ここで、送信タイムスタンプには、マスタークロックを基にして、一定の規則で生成している連続した数列、例えば、マスタークロック発生部２０２が発生したマスタークロックに基づいて、タイムスタンプ生成用カウンタ部２０３が生成する数十ビットのカウンタ値を用いる。

スレーブ装置２１０は、マスター装置２００からパケットを受信する毎に、受信時の時刻情報（以後、受信タイムスタンプという）を生成し、これを記録する。ここで、受信タイムスタンプは、スレーブクロックを基にして、マスター装置２００と同様の規則で生成した数十ビットの数列である。例えば、スレーブクロック発生部２１１が発生したスレーブクロックに基づいて、受信タイムスタンプ生成用カウンタ２１４が生成するカウンタ値を用いる。

このスレーブクロックは、マスタークロックと同一、逓倍、若しくは分周した周波数であることが必要である（図３参照）。

そして、スレーブ装置２１０では、上述した送信タイムスタンプ、受信タイムスタンプ、及びシーケンス番号を用いて、送信間隔と受信間隔を算出し、マスタークロックとスレーブクロックの周波数差分を検出し、スレーブクロックの補正を行う。

まず、スレーブ装置２１０では、送信タイムスタンプ＆シーケンス番号抽出部２１２が受信パケットのヘッダから送信タイムスタンプ及びシーケンス番号を抽出し、この送信タイムスタンプ及びシーケンス番号から送信タイムスタンプ間隔算出部２１３が送信タイムスタンプ間隔を算出する。

また、受信タイムスタンプ間隔算出手段２１５が、受信タイムスタンプ生成用カウンタ２１４からの出力カウンタ値を用いて、受信タイムスタンプ間隔を算出する。

この送信タイムスタンプ間隔及び受信タイムスタンプ間隔に基づいて、送受信タイムスタンプ差分算出部２１６が、送受信タイムスタンプの差分（すなわち、（送信タイムスタンプ間隔）−（受信タイムスタンプ間隔））を算出する。

ＩＰ網上でのパケット到達遅延時間にはバラツキのない理想的なネットワークでは、パケットの送信間隔と受信間隔は同じである場合は、マスタークロックとスレーブクロックの周波数が完全に一致していれば、送信タイムスタンプ間隔と受信タイムスタンプ間隔が等しくなり、この差分は生じない。

逆に、この差分が生じた場合は、マスタークロックとスレーブクロックの周波数が不一致であることを意味し、差分がプラスのときにはマスタークロックよりもスレーブクロックの周波数が低いときであり、又差分がマイナスのときにはマスタークロックよりもスレーブクロックの周波数が高いときである。

このように、マスタークロックとスレーブクロックの周波数の不一致を検出した場合、スレーブ装置２１０では、送受信タイムスタンプ差分算出部２１６から送受信タイムスタンプ差分をフィルタ＆利得調整部２１７にフィードバックし、フィルタ＆利得調整部２１７がスレーブクロック発生部２１１のクロック周波数の補正を行う。

スレーブクロックがマスタークロックの周波数の逓倍とする場合は、図３（Ｄ）に示すように、送信タイムスタンプ間隔を逓倍した値と受信タイムスタンプ間隔とを比較して補正し、又スレーブクロックがマスタークロックの周波数の分周とする場合は、図３（Ｃ）に示すように、受信タイムスタンプ間隔に分周数の逆数を掛けた値と送信タイムスタンプ間隔と比較を行う。

しかし、図４に示すように、ＩＰ網上でのパケット到達遅延時間にはバラツキがあり（以降、ＩＰ網上のジッタという）、これによりミクロ的にはパケットの送信間隔と受信間隔は必ずしも同じにはならず、むしろ一致することはほとんどない。

従って、マスタークロックとスレーブクロックの周波数が完全に一致している場合でも、送信タイムスタンプ間隔と受信タイムスタンプ間隔が一致することはなく、周波数不一致として見えてしまう。

そのため、その都度、スレーブクロックの補正を行うと、誤った補正を行ってしまいジッタが大きくなってしまう。特に、図４のシーケンス番号１のパケットのように、バースト遅延が発生した場合や、図４のシーケンス番号４及び５のパケットのように、パケットの到達順序の逆転が発生した場合は影響が大きくなる。

従来、このような問題を解決する方法として、次に示すような２つの方法が用いられている。図５は、従来の方法を説明する構成図である。

第１の方法としては、送受信タイムスタンプの差分を平滑化し、その結果を用いて補正を行う方法である。つまり、平滑化部３１が一定区間の送信間隔と受信間隔との差分を平滑化する方法である。これは、長期的に見れば送信間隔と受信間隔が一致するため、受信パケット毎に算出した差分を長期間蓄積し平滑化を行うことで、ＩＰ網上のジッタによる影響を低減させることを目的としている。しかし、蓄積できる区間には限界があり、送信間隔と受信間隔を完全に一致させることはできず、ＩＰ網上のジッタによる影響を完全に拭い去ることはできない。

これに対して第２の方法としては、応答特性の遅いＰＬＬ（Phase Locked Loop）を使って、スレーブクロックの出力ジッタを抑制する方法が用いられている。つまり、図５の利得調整部３２が利得を小さくする方法である。これにより、送受信タイムスタンプ差分を検出しても、緩やかな補正を行うことで、ＩＰ網上のジッタによる影響を抑制させている。

特開２００７−２８２０９３号公報

しかしながら、ＩＰ網上のジッタが大きい場合、送受信タイムスタンプの差分の平均値を算出するためのデータのサンプル数を多くする必要があり、この平均値を算出する時間を長くする必要があった。

また、送受信タイムスタンプの平均値を算出する区間に大きなジッタが存在した場合、特に算出区間の先頭、若しくは最後のパケットの到達時間が通常時と大きく異なる場合、当該算出区間で得られた差分は、実際の周波数差分から乖離した値となり、サンプル数を増やしてもほとんど改善が見られず、実際の補正すべき制御電圧と異なる補正や収束方向と逆方向の補正を行うことがあり、収束するまで誤補正を繰り返すことがあった。

例えば、図６に示す説明図において、スレーブ装置２１０側のタイムチャートでは、斜線の四角は平均値算出区間の最初のパケットを示し、黒塗り四角は平均算出区間の最後のパケットを示す。

図６に例示する通常時の平均値の算出区間４１と比較し、ジッタの影響を受けて、受信区間が小さい場合には「４２」に示すように平均値の算出区間が小さくなり、又受信区間が大きい場合には「４３」に示すように平均値の算出区間が大きくなり、各算出区間の区間長が通常時と異なってしまい、送受信タイムスタンプの差分もばらつきが生じ得る。

さらに、ＰＬＬの応答特性を遅くすることにより、ＰＬＬがロックするまでの収束時間が長期化し、システムが安定状態となるまで時間が非常にかかっていた。

そのため、送受信タイムスタンプの差分の平均値の精度を向上させることができ、ＰＬＬの周波数引き込み時の補正の精度を改善させて、ＰＬＬの収束時間を短縮化し、システムの立ち上げ時間を短くすることができるクロック発生装置、クロック発生方法、通信装置、及び同期クロック伝送システムが求められている。

かかる課題を解決するために、第１の本発明のクロック発生装置は、（１）ネットワークを介してマスター装置から受信した受信パケットのヘッダに含まれる少なくともシーケンス番号を用いて、マスター装置における送信タイムスタンプの間隔を求める送信間隔算出手段と、（２）マスター装置におけるマスタークロックに従属するスレーブクロックを生成するスレーブクロック生成手段と、（３）スレーブクロックに基づいて所定規則で受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、（４）受信タイムスタンプ生成手段により生成された受信タイムスタンプの間隔を算出する受信間隔算出手段と、（５）送信タイムスタンプ間隔と受信タイムスタンプ間隔とに基づいて送受信タイムスタンプ差分を算出する送受信タイムスタンプ差分算出手段と、（５）所定の算出区間において送受信タイムスタイムスタンプ差分算出手段が算出した送受信タイムスタンプ差分の平滑化を行い、送受信タイムスタンプ差分の平均値を求める平滑化手段と、（６）送受信タイムスタンプ差分の平均値を用いて、スレーブクロックの周波数を補正を行うスレーブクロック補正手段と、（７）所定の期待値を用いて、所定の算出区間における送受信タイムスタンプ差分の平均値の正常性を判定し、正常である場合に、送受信タイムスタンプ差分の平均値のスレーブクロック補正手段への供給を容認する送受信間隔差分平均値検証手段とを備えることを特徴とする。

第２の本発明のクロック発生方法は、クロック発生装置のクロック発生方法において、（１）送信間隔算出手段が、ネットワークを介してマスター装置から受信した受信パケットのヘッダに含まれる少なくともシーケンス番号を用いて、マスター装置における送信タイムスタンプの間隔を求める送信間隔算出工程と、（２）スレーブクロック生成手段が、マスター装置におけるマスタークロックに従属するスレーブクロックを生成するスレーブクロック生成工程と、（３）受信タイムスタンプ生成手段が、スレーブクロックに基づいて所定規則で受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成工程と、（４）受信間隔算出手段が、受信タイムスタンプ生成手段により生成された受信タイムスタンプの間隔を算出する受信間隔算出工程と、（５）送受信タイムスタンプ差分算出手段が、送信タイムスタンプ間隔と受信タイムスタンプ間隔とに基づいて送受信タイムスタンプ差分を算出する送受信タイムスタンプ差分算出工程と、（６）平滑化手段が、所定の算出区間において送受信タイムスタイムスタンプ差分算出手段が算出した送受信タイムスタンプ差分の平滑化を行い、送受信タイムスタンプ差分の平均値を求める平滑化工程と、（７）スレーブクロック補正手段が、送受信タイムスタンプ差分の平均値を用いて、スレーブクロックの周波数を補正を行うスレーブクロック補正工程と、（８）送受信間隔差分平均値検証手段が、所定の期待値を用いて、所定の算出区間における送受信タイムスタンプ差分の平均値の正常性を判定し、正常である場合に、送受信タイムスタンプ差分の平均値のスレーブクロック補正手段への供給を容認する送受信間隔差分平均値検証工程とを有することを特徴とする。

第３の本発明の通信装置は、第１の本発明のクロック発生装置を備えることを特徴とする。

第４の本発明の同期クロック伝送システムは、マスタークロックを生成するマスタークロック生成手段を備えるマスター装置と、ネットワークを介してマスター装置のマスタークロックに同期させるスレーブクロックを生成するスレーブクロック生成手段を備える１又は複数のスレーブ装置とを備える同期クロック伝送システムにおいて、各スレーブ装置が第３の本発明の通信装置であることを特徴とする。

本発明によれば、送受信タイムスタンプ差分の平均値の精度を向上させることができ、ＰＬＬの周波数引き込み時の補正の精度を改善させて、ＰＬＬの収束時間を短縮化し、システムの立ち上げ時間を短くすることができる。

（Ａ）第１の実施形態
以下では、本発明のクロック発生装置、クロック発生方法、通信装置、及び同期クロック伝送システムの第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態では、本発明を利用して、ＩＰ網を介して通信可能なマスター装置と１又は複数のスレーブ装置との間の同期クロック伝送システムを実現する実施形態を例示して説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態のＩＰ網上での同期クロック伝送システムの構成を示す構成図である。

図１において、第１の実施形態の同期クロック伝送システム１０は、ＩＰ網１４を介して通信可能なマスター装置１１と複数のスレーブ装置１２−１〜１２−４とを少なくとも有して構成される。

マスター装置１１は、複数の装置間で同期させるための基準となるクロック（以後、マスタークロックという）を有する装置である。マスター装置１１は、マスタークロックを基にして生成した時刻情報（送信タイムスタンプ）をパケットに付与し、ＩＰ網を介して１又は複数のスレーブ装置１２−１〜１２−４にパケットを配信するものである。

スレーブ装置１２−１〜１２−４は、マスター装置１１のマスタークロックに従属させるクロック（以後、スレーブクロックという）を有するものである。

また、スレーブ装置１２−１〜１２−４は、マスター装置１１から受信したパケットに付与された時刻情報（送信タイムスタンプ）と、自装置のスレーブクロックを基にして生成した時刻情報（受信タイムスタンプ）とを用いて、マスタークロックの周波数（ｆ０）とスレーブクロックの周波数（ｆ１）との差分を検出し、この差分を用いてスレーブクロックの周波数（ｆ１）をマスタークロックの周波数（ｆ０）に一致させるように補正するものである。これにより、マスター装置１１とスレーブ装置１２−１〜２−４のクロック周波数を一致させることで、同期クロック伝送を実現する。

図７は、第１の実施形態のスレーブ装置１２−１〜１２−４の内部構成を示す内部構成図である。

図７において、スレーブ装置１２−１〜１２−４は、パケット受信部１０１、タイムスタンプ抽出部１０２、シーケンス番号抽出部１０３、送信タイムスタンプ履歴保持部１０４、送信タイムスタンプ間隔算出部１０５、受信タイムスタンプ生成部１０６、受信タイムスタンプ設定部１０７、受信タイムスタンプ履歴保持部１０８、受信タイムスタンプ間隔算出部１０９、送受信タイムスタンプ差分算出部１１０、先頭パケット差分判定部１１１、最後パケット差分判定部１１２、平滑化部１１３、差分平均値判定部１１４、スレーブクロック調整手段１１６を少なくとも有して構成される。

パケット受信部１０１は、ＩＰ網を介してマスター装置１１が送信したパケットを受信するものである。

タイムスタンプ抽出部１０２は、受信パケットのヘッダに含まれる送信タイムスタンプを抽出し、その送信タイムスタンプを送信タイムスタンプ間隔算出部１０５に与えるものである。また、タイムスタンプ抽出部１０２は、抽出した送信タイムスタンプを送信タイムスタンプ履歴保持部１０４に保持する。

シーケンス番号抽出部１０３は、受信パケットのヘッダに含まれるシーケンス番号を抽出し、そのシーケンス番号を送信タイムスタンプ間隔算出部１０５に与えるものである。また、シーケンス番号抽出部１０３は、抽出したシーケンス番号を送信タイムスタンプ履歴保持部１０４に保持する。

送信タイムスタンプ履歴保持部１０４は、送信タイムスタンプ及びシーケンス番号を一時的保持するものであり、一時的に保持した送信タイムスタンプ及びシーケンス番号を送信タイムスタンプ間隔算出部１０５に与えるものである。

例えば、タイムスタンプ抽出部１０２及びシーケンス番号抽出部１０３から新たに送信タイムスタンプ及びシーケンス番号が与えられたときに、送信タイムスタンプ履歴保持部１０４は前回の送信タイムスタンプ及びシーケンス番号を送信タイムスタンプ間隔算出部１０５に与える。これにより、前回の送信タイムスタンプを出力できるので、送信タイムスタンプ間隔算出部１０５に対して、今回の送信タイムスタンプと前回の送信タイムスタンプとの間隔を算出させることができる。

送信タイムスタンプ間隔算出部１０５は、タイムスタンプ抽出部１０２及びシーケンス番号抽出部１０３から送信タイムスタンプ及びシーケンス番号を受け取り、又送信タイムスタンプ履歴保持部１０４から一時的に保持された送信タイムスタンプ及びシーケンス番号を受け取り、両者の送信タイムスタンプ間隔を算出するものである。上記したように、送信タイムスタンプ履歴保持部１０４から例えば前回の送信タイムスタンプを受けると、今回の送信タイムスタンプと前回の送信タイムスタンプとの間隔を算出させることができる。

受信タイムスタンプ生成部１０６は、スレーブクロック調整手段１１６により生成されたスレーブクロックに基づいて所定の規則で連続した数列を出力するものである。例えば、受信タイムスタンプ生成部１０６は、スレーブクロックに基づいて数十ビットのカウンタ値を出力する。

受信タイムスタンプ設定部１０７は、パケットの受信時に打刻し、受信タイムスタンプ生成部１０６から出力されるカウンタ値を基にして受信タイムスタンプを生成し、受信タイムスタンプ間隔算出部１０９に与えるものである。また、受信タイムスタンプ設定部１０７は、受信タイムスタンプを受信タイムスタンプ履歴保持部１０８に保持する。

受信タイムスタンプ履歴保持部１０８は、受信タイムスタンプ設定部１０７からの受信タイムスタンプを一時的に保持するものである。受信タイムスタンプ履歴保持部１０８が保持期間は、送信タイムスタンプ履歴保持部１０４の保持期間と同じとする。

受信タイムスタンプ間隔算出部１０９は、受信タイムスタンプ設定部１０７から受信タイムスタンプを受け取り、又受信タイムスタンプ履歴保持部１０８から一時的に保持された受信タイムスタンプを受け取り、両者の受信タイムスタンプ間隔を算出するものである。

送受信タイムスタンプ差分算出部１１０は、送信タイムスタンプ間隔算出部１０５が算出した送信タイムスタンプ間隔を受け取り、又受信タイムスタンプ間隔算出部１０９が算出した受信タイムスタンプ間隔を受け取り、この送信タイムスタンプと受信タイムスタンプ間隔との差分を求めるものである。つまり、送受信タイムスタンプ差分算出部１１０は、（送信タイムスタンプ間隔）−（受信タイムスタンプ間隔）を行うことで、送受信タイムスタンプ差分を求める。

また、送受信タイムスタンプ差分算出部１１０は、算出した送受信タイムスタンプを、先頭パケット差分判定部１１１、最後パケット差分判定部１１２、平滑化部１１３に与えるものである。

平滑化部１１３は、送受信タイムスタンプ差分算出部１１０が算出した送受信タイムスタンプ差分を受け取り、所定の算出区間の送受信タイムスタンプ差分を平滑化した値（以後、これを平均値という）を求めるものである。

先頭パケット差分判定部１１１は、平滑化部１１３における平均値の算出区間の先頭パケットと、先頭パケットに前後するパケットとの間の送受信タイムスタンプ差分を送受信タイムスタンプ差分算出部１１０から受け取り、この送受信タイムスタンプ差分が期待値から乖離していないか否かを判定するものである。

最後パケット差分判定部１１２は、平滑化部１１３における平均値の算出区間の最後パケットと、最後パケットに前後するパケットとの間の送受信タイムスタンプ差分を送受信タイムスタンプ差分算出部１１０から受け取り、この送受信タイムスタンプ差分が期待値から乖離していないか否かを判定するものである。

差分平均値判定部１１４は、先頭パケット差分判定部１１１及び最後パケット差分判定部１１２の判定結果が正常である場合に、平滑化部１１３が算出した送受信タイムスタンプ差分の平均値が期待値から乖離していないか否かを判定するものである。

スレーブクロック調整手段１１６は、スレーブクロックを生成するものであり、又スレーブクロックの周波数を補正するものである。スレーブクロック調整手段１１６の構成の詳細については後述する。

ここで、上述した本願発明が解決しようとする課題は、ＩＰ網上のジッタの影響を受けて、算出した送受信タイムスタンプの差分の平均値の精度が悪いこと、周波数引き込み時のＰＬＬの応答特性が遅いことが要因である。

そこで、算出した送受信タイムスタンプの差分の平均値の精度を向上させ、周波数引き込み時のＰＬＬの応答特性を改善すれば、ＰＬＬの収束時間の短縮化を図ることができる。

先ず、第１の要因である送受信タイムスタンプの差分の平均値の精度を向上させるため、第１の実施形態では、上記の先頭パケット差分判定部１１１、最後パケット差分判定部１１２及び差分平均値判定部１１４を備える。これは、算出した当該平均値の妥当性を検証するためである。

上記のようにして、先頭パケット差分判定部１１１及び最後パケット差分判定部１１２は、平均値の差分区間の先頭パケット及び最後パケットと、これら先頭パケット及び最後パケットのそれぞれに相前後するパケットとの間の到達間隔が期待値から乖離していない否かを判定する。

そして、先頭パケット差分判定部１１１及び最後パケット差分判定部１１２の判定結果が正常だった場合、差分平均値判定部１１４は、平滑化部１１３で算出した送受信タイムスタンプ差分の平均値が期待値と乖離していないかを判定する。

また、先頭パケット差分判定部１１１、最後パケット差分判定部１１２及び差分平均値判定部１１４の３つの判定部のいずれかで期待値と乖離していると判定した場合は、当該平均値は信頼性に欠けると判断し、当該平均値ではスレーブクロックの補正を行わないこととする。

次に、第２の要因である周波数引き込み時のＰＬＬの応答特性を改善する方法について述べる。

これは、スレーブクロックを生成するＶＣＸＯ（Voltage Controlled Xtal Oscillator：電圧制御発振器）の制御電圧と周波数の関係を測定し、送受信タイムスタンプの差分からマスタークロックとスレーブクロックの周波数差分を算出し、この周波数差分から補正すべき制御電圧を算出し、算出した制御電圧から求めた補正量で周波数を変更するようにする。これにより、周波数の引き込み時間を短くすることが可能となる。

図８は、スレーブクロック調整手段１１６の内部構成を示す内部構成図である。図８において、スレーブクロック調整手段１１６は、周波数測定制御電圧コントロール部８０１、ＤＡＣ８０２、スレーブクロック発生部８０３、カウンタ部８０４、リファレンスクロック発生部８０５、カウンタ部８０６、周波数差分検出部８０７、制御電圧周波数測定部８０８を少なくとも有する。

周波数測定制御電圧コントロール部８０１は、クロック信号を生成するクロック発生部の制御電圧を制御するものである。周波数測定制御電圧コントロール部８０１は、システム立ち上げの際、スレーブ装置のＰＬＬが周波数の引き込みを開始する前に、変換前のディジタルコード（以後、制御電圧コードという）を変化させて、ＤＡＣ（ディジタルアナログコンバータ）８０２を介してスレーブクロック発生部８０３に出力する。また、周波数測定制御電圧コントロール部８０１は、制御電圧周波数測定部８０８にも制御電圧コードを与える。

例えば、周波数測定電圧コントロール部８０１が、制御電圧コードとして「0000」を出力する。その後、別の制御電圧コード「FFFF」、「8000」、…のように制御電圧コードを変化させて出力する。このように、複数の制御電圧コードを出力し、この制御電圧コードに応じた周波数のクロックをスレーブクロック発生部８０４が生成することにより、制御電圧周波数測定部８０８は制御電圧コードとクロック周波数との関係を測定することができる。

また、周波数測定制御電圧コントロール部８０１は、スレーブ装置のＰＬＬが周波数引き込み状態である場合には、後述する制御電圧と周波数差分との対応関係を基にして、周波数差分に対する制御電圧値を出力して周波数補正を行う。これにより、周波数差分を一気に補正することができるので、ＰＬＬの応答性を改善することができる。

ＤＡＣ８０２は、周波数測定制御電圧コントロール部８０１から、スレーブクロック発生部８０３の生成するクロック周波数を制御するディジタルコード（制御電圧コード）をアナログ制御電圧に変換してスレーブクロック発生部８０３に与えるものである。

スレーブクロック発生部８０３は、ＤＡＣ８０２からの制御電圧に応じてスレーブクロックを生成するものである。スレーブクロック発生部８０３としては、例えば、電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）を適用することができる。

カウンタ部８０４は、スレーブクロック発生部８０３が生成したスレーブクロックの周波数を計数するものである。カウンタ部８０４は、周波数測定制御電圧コントロール部８０１からのカウンタリセットでカウンタ値をリセットする。

リファレンスクロック発生部８０５は、スレーブクロック発生部８０４が生成するスレーブクロックに対する参照クロックを生成するものである。

また、カウンタ部８０６は、リファレンスクロック発生部８０５が生成したクロックの周波数を計数するものであり、周波数測定制御電圧コントロール部８０１からのカウンタリセットでカウンタ値をリセットする。

周波数差分検出部８０７は、所定時間におけるスレーブクロックと参照クロックとの周波数差分を求めるものである。具体的に、周波数差分検出部８０７は、カウンタ部８０４からスレーブクロックのカウンタ値と、カウンタ部８０５から参照クロックのカウンタ値との比較を行い、所定時間におけるこれらのカウンタ値の差分を求める。周波数差分検出部８０７は、求めた所定時間における周波数差分を制御電圧周波数測定部８０８に与える。

制御電圧周波数測定部８０８は、周波数制御電圧コントロール部８０１からの制御電圧コードと、周波数差分検出部８０７からの所定時間における周波数差分とに基づいて、制御電圧コードの変化量と出力クロックの周波数変動量の関係を求める。これにより、上記制御電圧と周波数差分との対応関係から、周波数差分検出部８０７が求めた周波数差分に対して、補正すべき制御電圧を導き出すことができる。

ＰＬＬが周波数引き込み中の状態であれば、周波数測定制御電圧コントロール部８０１が、上記制御電圧と周波数差分との対応関係から取得した制御電圧値で補正することにより、周波数差分を一気に補正することができる。

上述のように、送受信タイムスタンプの差分の平均値の精度を向上させ、周波数差分に応じたＶＣＸＯの制御電圧コードの補正量を把握することで、ＰＬＬの収束時間の短縮化を図ることができる。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の送受信タイムスタンプの差分の平均値の精度を向上させる処理の動作について説明する。

まず、マスター装置１１からパケットを受信すると、タイムスタンプ抽出部１０２が送信タイムスタンプを受信パケットのヘッダから抽出し、シーケンス番号抽出部１０３がシーケンス番号を受信パケットのヘッダから抽出し、送信タイムスタンプ及びシーケンス番号は、送信タイムスタンプ間隔算出部１０５及びタイムスタンプ履歴保持部１０４に与えられる。

送信タイムスタンプ間隔算出部１０５では、今回受信したパケットの送信タイムスタンプ及びシーケンス番号と、前回受信したパケットの送信タイムスタンプ及びシーケンス番号とに基づいて、送信タイムスタンプ間隔が求められる。

一方、受信タイムスタンプ設定部１０７は、パケット受信により打刻し、スレーブ装置のスレーブクロックの周波数に応じた受信タイムスタンプを設定する。

受信タイムスタンプ間隔算出部１０９では、今回の受信タイムスタンプと、受信タイムスタンプ履歴保持部１０８から受け取った前回の受信タイムスタンプとに基づいて、受信タイムスタンプ間隔が求められる。

そして、送信タイムスタンプ間隔算出部１０５からの送信タイムスタンプ間隔と、受信タイムスタンプ間隔算出部１０９からの受信タイムスタンプ間隔とが、送受信タイムスタンプ差分算出部１１０に与えられると、送受信タイムスタンプ差分算出部１１０により、（送信タイムスタンプ間隔）−（受信タイムスタンプ間隔）が行われて、送受信タイムスタンプ差分が求められる。

この送受信タイムスタンプ差分は、平滑化部１１３に与えられ、所定の算出区間における送受信タイムスタンプ差分の平均値が求められる。

このとき、先頭パケット差分判定部１１１は、平滑化部１１３が算出する算出区間における、先頭パケットと、この先頭パケットに相前後するパケットとの間の送受信タイムスタンプの差分を算出する。

そして、先頭パケット差分判定部１１１は、この先頭パケットと相前後するパケットとの送受信タイムスタンプ差分が期待値から乖離していない否かを判定する。

つまり、先頭パケット差分判定部１１１は、先頭パケットと相前後するパケットとの送受信タイムスタンプ差分が、スレーブクロックを生成する電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）の可変範囲内であるか否かを判定する。

ここで、ＶＣＸＯの可変範囲とは、制御電圧と周波数との対応関係を測定して得られたデータを用いることとする。

この送受信タイムスタンプ差分がＶＣＸＯの可変範囲内である場合、平滑化部１１３は、所定時間における送受信タイムスタンプの差分の平均値を算出するためにデータの蓄積を行い、可変範囲外である場合、平滑化部１１３は、送受信タイムスタンプ差分の平均化を算出する区間をシフトする。

その後、最後パケット差分判定部１１２は、平滑化部１１３が算出する算出区間における、最後パケットと、この最後パケットに相前後するパケットとの間の送受信タイムスタンプの差分を算出する。

そして、最後パケット差分判定部１１２は、この最後パケットと相前後するパケットとの送受信タイムスタンプ差分が期待値から乖離していない否かを判定する。

つまり、最後パケット差分判定部１１２は、最後パケットと相前後するパケットとの送受信タイムスタンプ差分が、スレーブクロックを生成する電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）の可変範囲内であるか否かを判定する。

この送受信タイムスタンプ差分がＶＣＸＯの可変範囲外である場合、平滑化部１１３は、送受信タイムスタンプの差分の平均値を算出する区間のデータを無効として破棄するか、又は算出区間を延長し、パケットの到達間隔が安定したところで算出区間を終了し、この算出区間の送受信タイムスタンプ差分の平均値を求める。

一方、ＶＣＸＯの可変範囲内である場合、当該算出区間のデータは有効であるとして、平滑化部１１３は、当該算出区間の送受信タイムスタンプ差分の平均値を算出する。

差分平均値判定部１１４は、先頭パケットと最後パケットの到達間隔が正常である場合、平滑化部１１３からの送受信タイムスタンプ差分の平均値が期待値から乖離していないか否かを判定する。

つまり、差分平均値判定部１１４は、送受信タイムスタンプ差分の平均値が、ＶＣＸＯの可変範囲内か否かを判定する。

そして、送受信タイムスタンプ差分の平均値がＶＣＸＯの可変範囲内であれば、算出区間のデータは有効であると判定し、スレーブクロック調整手段１１６に対して周波数の補正を行う。一方、可変範囲外であれば、データを無効として破棄するか、算出区間を延長し、平均値が有効となった時点で算出区間を終了させる。

次に、第１の実施形態の周波数引き込み時のＰＬＬの応答特性を改善させる処理の動作について説明する。

始めに、スレーブクロックを生成する電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）の制御電圧と周波数との対応関係を求める。

システム立ち上げ時に、周波数測定制御電圧コントロール部８０１が、ＶＸＣＯの制御電圧コードを変化させて出力する。

ディジタルの制御電圧コードが、ＤＡＣ８０２によりアナログ変換され、スレーブクロック発生部８０４に与えられると、スレーブクロック発生部８０４からスレーブクロックが生成される。

生成されたスレーブクロックはカウンタ部８０４により計数されて、スレーブクロックのカウンタ値が周波数差分検出部８０７に与えられる。

また、リファレンスクロック発生部８０５から生成された参照クロックはカウンタ部８０６により計数されて、参照クロックのカウンタ値が周波数差分検出部８０７に与えられる。

周波数差分検出部８０７では、スレーブクロックのカウンタ値と参照クロックのカウンタ値とを比較して、それらの差分を求める。そして、制御電圧周波数測定部８０８では、制御電圧コードを受けており、周波数差分検出部８０７からの周波数差分と、制御電圧コードとの対応関係を測定する。

このようにして、予めシステム立ち上げ時に、スレーブクロックを生成するＶＣＸＯへの制御電圧と周波数との対応関係を求めておく。

図９及び図１０は、スレーブクロック調整手段１１６における制御電圧と周波数差分との関係を説明する説明図である。

図９は、ＶＣＸＯの制御電圧が高い場合の周波数差分検出結果を示し、図１０は、ＶＣＸＯの制御電圧が低い場合の周波数差分検出結果を示す。また、図９及び図１０では、リファレンスクロックのカウンタ部８０６が「10，000，000」をカウントする時点でのカウンタ値を比較した場合を例示する。

図９の場合、スレーブクロックの周波数がリファレンスクロックの周波数よりも低く、リファレンスクロックのカウンタ値が「10，000，000」のときに、周波数差分検出部８０７が「＋３０」の周波数差分検出結果を測定する。

図１０の場合、スレーブクロックの周波数がリファレンスクロックの周波数よりも高く、リファレンスクロックのカウンタ値が「10，000，000」のときに、周波数差分検出部８０７が「−３０」の周波数差分検出結果を測定する。このようにして、ＶＣＸＯの制御電圧と周波数との対応関係を求める。

その後、スレーブ装置のＰＬＬの周波数引き込み動作を開始し、周波数測定制御電圧コントロール部８０１は、ＶＣＸＯの制御電圧と周波数との対応関係を参照し、差分平均値判定部１１４が算出したマスタークロックとスレーブクロックとの周波数差分（送受信タイムスタンプ差分の平均値）に対応する制御電圧値で補正する。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、送受信タイムスタンプの差分の平均値の精度を向上させることと、スレーブクロック生成用ＶＣＸＯの制御電圧と出力クロックの周波数の関係を測定することによる、ＰＬＬの周波数引き込み時の補正の精度を改善させることで、ＰＬＬの収束時間を短縮化し、システムが安定するまでの立ち上げ時間を短くすることができる。

（Ｂ）他の実施形態
第１の実施形態では、タイムスタンプ、シーケンス番号を利用したＩＰ綱での同期クロック伝送方式について説明したが、マスター装置の送信間隔を一定とすることで送信タイムスタンプ間隔も一定となるため、シーケンス番号情報だけで同期クロック伝送が実現可能となる。

また、送受信タイムスタンプの差分の検証をスレーブクロック生成用のＶＣＸＯの可変範囲内か否かで有効無効の判定を行ったが、周波数の補正の微分結果から、送受信タイムスタンプの差分の期待値の範囲を狭めることで、より有効な差分の取捨選択をすることも可能である。

第１の実施形態の同期クロック伝送システムの全体構成を示す構成図である。 従来の同期クロック伝送方法のメカニズムを示す構成図である。 マスタークロックとスレーブクロックの周波数の送受信タイムスタンプを説明する説明図である。 ＩＰ網上でのパケット到着遅延を説明する説明図である。 従来のＩＰ網上での同期クロック伝送方法を説明する説明図である。 送受信タイムスロット差分の平均値の算出区間のジッタを説明する説明図である。 第１の実施形態のスレーブ装置のスレーブクロックを生成する内部構成を示す内部構成図である。 第１の実施形態のスレーブクロック調整手段の内部構成を示す内部構成図である。 第１の実施形態のスレーブクロック生成手段の制御電圧と周波数との関係を測定する処理を説明する説明図である。 第１の実施形態のスレーブクロック生成手段の制御電圧と周波数との関係を測定する処理を説明する説明図である。

符号の説明

１１…マスター装置、１２−１〜１２−４…スレーブ装置、
１０１…パケット受信部、１０２…タイムスタンプ抽出部、１０３…シーケンス番号抽出部、１０４…タイムスタンプ履歴保持部、１０５…送信タイムスタンプ間隔算出部、１０６…受信タイムスタンプ生成部、１０７…受信タイムスタンプ設定部、１０８…受信タイムスタンプ履歴保持部、１０９…受信タイムスタンプ間隔算出部、１１０…送受信タイムスタンプ差分算出部、１１１…先頭パケット差分判定部、１１２…最後パケット差運判定部、１１３…平滑化部、１１４…差分平均値判定部、１１６…スレーブクロック調整手段、
８０１…周波数測定制御電圧コントロール部、８０２…ＤＡＣ（Digital Analog Converter）、８０３…スレーブクロック発生部、８０４…カウンタ部、８０５…リファレンスクロック発生部、８０６…カウンタ部、８０７…周波数差分検出部、８０８…制御電圧周波数測定部８０８。

Claims (10)

1. ネットワークを介してマスター装置から受信した受信パケットのヘッダに含まれる少なくともシーケンス番号を用いて、上記マスター装置における送信タイムスタンプの間隔を求める送信間隔算出手段と、
   上記マスター装置におけるマスタークロックに従属するスレーブクロックを生成するスレーブクロック生成手段と、
   上記スレーブクロックに基づいて所定規則で受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
   上記受信タイムスタンプ生成手段により生成された上記受信タイムスタンプの間隔を算出する受信間隔算出手段と、
   上記送信タイムスタンプ間隔と上記受信タイムスタンプ間隔とに基づいて送受信タイムスタンプ差分を算出する送受信タイムスタンプ差分算出手段と、
   所定の算出区間において上記送受信タイムスタイムスタンプ差分算出手段が算出した上記送受信タイムスタンプ差分の平滑化を行い、上記送受信タイムスタンプ差分の平均値を求める平滑化手段と、
   上記送受信タイムスタンプ差分の平均値を用いて、上記スレーブクロックの周波数を補正を行うスレーブクロック補正手段と、
   所定の期待値を用いて、上記所定の算出区間における上記送受信タイムスタンプ差分の平均値の正常性を判定し、正常である場合に、上記送受信タイムスタンプ差分の平均値の上記スレーブクロック補正手段への供給を容認する送受信間隔差分平均値検証手段と
   を備えることを特徴とするクロック発生装置。
2. 上記送受信間隔差分平均値検証手段が、
   上記所定の算出区間における、先頭パケット及び最後パケットと、先頭パケット及び最後パケットのそれぞれに相前後するパケットとの到達間隔が、上記所定の期待値を用いた範囲内である場合に、上記送受信タイムスタンプ差分の平均値が正常であると判定する到達間隔判定部と、
   上記送受信タイムスタンプ差分の平均値が、上記所定の期待値を用いた範囲である場合に、当該送受信タイムスタンプ差分の平均値を上記スレーブクロック補正手段に与える差分平均値判定部と
   を有することを特徴とする請求項１に記載のクロック発生装置。
3. 上記スレーブクロック補正手段が、上記スレーブクロック生成手段への制御電圧値の変化と、この変化に応じて生成される上記スレーブクロックの周波数変動値との対応関係を保持し、上記送受信タイムスタンプ差分の平均値に応じた制御電圧で上記スレーブクロックの周波数補正を行うものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のクロック発生装置。
4. 上記期待値を用いた範囲が、上記スレーブクロック生成手段への制御電圧値の可変範囲であることを特徴とする請求項３に記載のクロック発生装置。
5. 上記期待値を用いた範囲が、上記スレーブクロックの周波数の補正の微分結果であることを特徴とする請求項３に記載のクロック発生装置。
6. 上記送信間隔算出手段が、上記受信パケットのヘッダに含まれる送信時刻情報に基づいて、上記送信タイムスタンプの間隔を求めるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のクロック発生装置。
7. 上記送信間隔算出手段が、パケット送信間隔を一定とする上記マスター装置の当該パケット送信間隔を認識しており、上記シーケンス番号だけを用いて上記送信タイムスタンプの間隔を求めるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のクロック発生装置。
8. クロック発生装置のクロック発生方法において、
   送信間隔算出手段が、ネットワークを介してマスター装置から受信した受信パケットのヘッダに含まれる少なくともシーケンス番号を用いて、上記マスター装置における送信タイムスタンプの間隔を求める送信間隔算出工程と、
   スレーブクロック生成手段が、上記マスター装置におけるマスタークロックに従属するスレーブクロックを生成するスレーブクロック生成工程と、
   受信タイムスタンプ生成手段が、上記スレーブクロックに基づいて所定規則で受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成工程と、
   受信間隔算出手段が、上記受信タイムスタンプ生成手段により生成された上記受信タイムスタンプの間隔を算出する受信間隔算出工程と、
   送受信タイムスタンプ差分算出手段が、上記送信タイムスタンプ間隔と上記受信タイムスタンプ間隔とに基づいて送受信タイムスタンプ差分を算出する送受信タイムスタンプ差分算出工程と、
   平滑化手段が、所定の算出区間において上記送受信タイムスタイムスタンプ差分算出手段が算出した上記送受信タイムスタンプ差分の平滑化を行い、上記送受信タイムスタンプ差分の平均値を求める平滑化工程と、
   スレーブクロック補正手段が、上記送受信タイムスタンプ差分の平均値を用いて、上記スレーブクロックの周波数を補正を行うスレーブクロック補正工程と、
   送受信間隔差分平均値検証手段が、所定の期待値を用いて、上記所定の算出区間における上記送受信タイムスタンプ差分の平均値の正常性を判定し、正常である場合に、上記送受信タイムスタンプ差分の平均値の上記スレーブクロック補正手段への供給を容認する送受信間隔差分平均値検証工程と
   を有することを特徴とするクロック発生方法。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載のクロック発生装置を備えることを特徴とする通信装置。
10. マスタークロックを生成するマスタークロック生成手段を備えるマスター装置と、
    ネットワークを介して上記マスター装置の上記マスタークロックに同期させるスレーブクロックを生成するスレーブクロック生成手段を備える１又は複数のスレーブ装置とを備える同期クロック伝送システムにおいて、上記各スレーブ装置が請求項９に記載の通信装置であることを特徴とする同期クロック伝送システム。

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