JP2014086857A - 周波数同期精度監視方法、周波数同期精度監視装置、通信方法、及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、環境に左右されず安定して周波数同期制度を監視できる周波数同期精度監視方法及び周波数同期精度監視装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る周波数同期精度監視方法は、マスタとスレーブとの間で送受信される時刻情報信号を利用して、前記スレーブのクロックで計測した前記時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻を前記マスタで受信し、前記時刻情報信号に基づいて設定される特定の時間について、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値とを前記マスタで比較し、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値との差分が所定の閾値以上である場合に前記マスタのクロックに対する前記スレーブのクロックの周波数同期精度が劣化したと前記マスタで判断する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、マスタのクロックに対するスレーブのクロックの周波数同期精度を監視する周波数同期精度監視方法、周波数同期精度監視装置、通信方法、及び通信システムに関する。

マスタとスレーブとの間でデータ信号のみを伝送し、クロック信号を伝送しない場合、スレーブにおいて、マスタの内部クロックに同期したクロックを得るには、例えばＰｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ（ＰＬＬ）を用いて、送信信号からクロックを抽出する必要がある。

図１は、ＰＬＬのブロック図である。位相比較器１１は、データ列と分周された内部クロックとの位相比較を行い、内部クロックとの位相誤差を検出して誤差に比例したパルス幅の誤差信号を出力する。フィルタ１２は、誤差に比例したパルス幅の誤差信号を平坦化し、位相誤差の大きさに比例した振幅の制御信号として出力する。

電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１３は、入力される制御信号に応じて出力する内部クロックの周波数及び位相を調整する。分周器１４は、出力される内部クロックを、位相比較に適切な周波数にまで逓倍するなどして、周波数の変更を行う。

分周器１４が出力するクロックは再度位相比較器１１に入力され、位相比較される。これらの一連のループにより受信器の内部クロックの周波数、及び位相を入力されるデータ信号の周波数及び位相に同期させる。このようにＰＬＬによる周波数同期によって、送信器の内部クロックに受信器の内部クロックを同期できる。

ここで、例えばＶＣＯ１３に含まれるトランジスタの性能の低下、または位相比較器１１に含まれるトランジスタの性能の低下といった経年劣化等でデバイスの性能劣化が生ずることがある。このデバイスの性能劣化で、スレーブとしてのＯＮＵのＰＬＬで生成された内部クロックの周波数が、マスタとしてのＯＬＴの内部クロックの周波数からずれることが考えられる。

そもそもＶＣＯの出力周波数はＶＣＯの制御電圧に対して、例えば図２に示すようにある特性によって一意に定められる。またＶＣＯの制御電圧は位相比較器、フィルタによって主に定められ、ある一定の範囲でしか変化させることができない。

デバイスの経年劣化などがない、正常な場合には、所望のＶＣＯの出力周波数に対応するＶＣＯの制御電圧が、ＶＣＯの制御電圧範囲の中に含まれるため、位相比較器及びフィルタによって制御電圧を適切に調整する（例えば図２の場合は点Ａの条件で動作させる）ことで、所望の周波数がＰＬＬから出力される。

しかしながら、例えばＶＣＯ内のトランジスタの性能が劣化する場合、ＶＣＯの出力周波数のＶＣＯの制御電圧に対する特性が変化する可能性がある。このとき、所望のＶＣＯの出力周波数に対応するＶＣＯの制御電圧が、ＶＣＯの制御電圧の調整可能な範囲にあれば（例えば図２の異常時（ａ）の場合）、ＰＬＬのフィードバックループにより負帰還がかかるため、所望のＶＣＯの出力周波数が出力される（例えば図２の点Ｂの条件で動作するようフィードバックがかかる）。

しかしながら、大幅なデバイスの性能劣化などにより、所望のＶＣＯの出力周波数に対応するＶＣＯの制御電圧が、ＶＣＯの制御電圧の調整可能な範囲になくなる場合（例えば図２の異常時（ｂ）の場合）に、ＰＬＬのフィードバックループにより負帰還をかけても、制御電圧の調整範囲を超えて制御電圧を調整することはできないため、所望のＶＣＯの出力周波数が出力されず、周波数ずれが生じてしまい、ＶＣＯの出力周波数の同期精度が劣化する懸念がある。

このようにデバイスの性能劣化などによって劣化する可能性がある周波数同期に対しては、劣化したか否かを判定するため、同期精度を常に監視する必要がある。２つのクロックの間の周波数同期精度を監視する一つの方法として、マスタとスレーブの内部クロックそれぞれと、共通する安定なクロックとの間の周波数同期精度を測定する方法がある。

２つのクロック間の周波数同期精度を算出する方法として、例えば２つのクロックのＭａｘｉｍｕｍ Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｒｖａｌ Ｅｒｒｏｒ（ＭＴＩＥ）を測定し、その値から周波数同期精度を算出する方法がある。Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｒｖａｌ Ｅｒｒｏｒ（ＴＩＥ）は２つのクロックの立ち上りエッジの間の位相差を表しており、ある測定時間において、ＴＩＥの最大変動量をＭＴＩＥとして表す。測定時間Ｔにおいて、ＭＴＩＥがＡという値であったときに、測定時間における周波数同期精度は、Ａ／Ｔであると評価できる（例えば測定時間が１００秒でＭＴＩＥが１ｎｓであった場合、周波数同期精度は１＊１０^−１１と算出できる。）。

ここでマスタ、スレーブに対して例えばＧｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）が提供する共通世界時（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｉｍｅ， ＵＴＣ）に同期したクロックをレファレンスとして入力し、このクロックとマスタの内部クロック、スレーブの内部クロックをマスタ、スレーブ各々にてＭＴＩＥにて比較し、スレーブにて得られたＭＴＩＥの情報を、マスタに送信することで、マスタにおいてスレーブの内部クロックとマスタの内部クロックの周波数差を測定する手法が考えられる（例えば、特許文献１を参照。）。

特許文献１の場合にはマスタ及びスレーブ各々にＧＰＳ信号のレシーバを設置し、ＧＰＳ信号を受信する必要がある。

特開２０１０−２８８０８５号公報

しかしながら、ＧＰＳ信号のレシーバの受信状況は天候の変化、例えば落雷などの影響により劣化する可能性があり、定常的に安定して周波数同期精度の監視を行うことは難しいという課題がある。

また、受信器を地下などに設置する必要があり、ＧＰＳレシーバをＧＰＳ信号の受信できる環境に設置するのが難しい場合、ＵＴＣに同期したクロックが得られず、周波数同期精度の監視を行うことは難しいという課題もある。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、環境に左右されず安定して周波数同期制度を監視できる周波数同期精度監視方法、周波数同期精度監視装置、通信方法、及び通信システムを提供することを目的とする。

上記目標を達成するために、本発明は、スレーブから送付されるタイムスタンプを元に、マスタとスレーブにおけるクロックの周波数差をマスタで監視することとした。

具体的には、本発明に係る周波数同期精度監視方法は、マスタとスレーブとの間で送受信される時刻情報信号を利用して、前記スレーブのクロックで計測した前記時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻を前記マスタで受信し、
前記時刻情報信号に基づいて設定される特定の時間について、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値とを前記マスタで比較し、
前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値との差分が所定の閾値以上である場合に前記マスタのクロックに対する前記スレーブのクロックの周波数同期精度が劣化したと前記マスタで判断する。

また、本発明に係る周波数同期精度監視装置は、マスタ側に配置されており、
前記マスタとスレーブとの間で送受信される時刻情報信号を利用して、前記スレーブのクロックで計測した前記時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻を前記マスタで受信する時刻情報受信機能と、
前記時刻情報信号に基づいて設定される特定の時間について、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値とを前記マスタで比較する比較機能と、
前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値との差分が所定の閾値以上である場合に前記マスタのクロックに対する前記スレーブのクロックの周波数同期精度が劣化したと前記マスタで判断する判断機能と、
を備える。

本発明は、スレーブで計測された時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻がマスタに通知され、これらの時刻に基づいて特定の時間を設定する。特定の時間をマスタのクロックで測定した値とスレーブのクロックで計測した値とを比較することでマスタとスレーブにおけるクロックの周波数差を検出することができる。このように、本発明は、ＧＰＳ信号を使用せずにマスタとスレーブにおけるクロックの周波数差を検出することができる。従って、本発明は、環境に左右されず安定して周波数同期制度を監視できる周波数同期精度監視方法及び周波数同期精度監視装置を提供することができる。

前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で一往復する時間又は複数回往復する時間から前記時刻情報信号の往復遅延時間を除外した時間とすることができる。

前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で一往復する時間又は複数回往復する時間とすることができる。

前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間から、前記時刻情報信号の送受信が完了した後から前記時刻情報信号の送受信を再度開始するまでの時間を除外した時間とすることができる。

前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間から、前記時刻情報信号の送受信が完了した後から前記時刻情報信号の送受信を再度開始するまでの時間及び前記時刻情報信号の往復遅延時間を除外した時間とすることができる。

本発明に係る周波数同期精度監視方法は、前記差分を前記マスタのクロックと前記スレーブのクロックとの周波数誤差として前記マスタから出力することができる。本発明は、周波数同期制度を常時監視することができる。

また、本発明は、前記周波数同期精度監視方法を所定時に行い、前記スレーブの内部クロックと前記マスタの内部クロックとの間の周波数同期精度を前記マスタにおいて監視しつつ、前記マスタと前記スレーブとの間でデータ信号を送受信する通信方法及び通信システムである。マスタが所定時に前記周波数同期精度監視方法を行うことで、スレーブの内部クロックの周波数同期精度をマスタで監視することができ、周波数同期精度が規定値内であればデータの送受信を継続し、周波数同期精度が規定値外であればデータの送受信を停止することができる。

本発明は、ＧＰＳレシーバが不要で、環境に左右されず安定して周波数同期制度を監視できる周波数同期精度監視方法、周波数同期精度監視装置、通信方法、及び通信システムを提供することができる。

ＰＬＬのブロック図の一例を説明する図である。 ＶＣＯの出力周波数と制御電圧の関係を説明する図である。 本発明に係る周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る周波数同期精度監視方法における時刻情報信号のマスタとスレーブでの時刻を説明する図である。 本発明に係る周波数同期精度監視装置を説明するブロック図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
本実施形態は、内部クロックを持ち、タイムスタンプを送受信するマスタと、マスタの内部クロックの周波数に同期した内部クロックを持ち、タイムスタンプを送受信するスレーブとの間で、スレーブの内部クロックとマスタの内部クロック間の周波数同期精度が劣化しているかどうかをマスタにおいて監視する方式である。

本実施形態は、マスタとスレーブとの間で送受信される時刻情報信号を利用して、前記スレーブのクロックで計測した前記時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻を前記マスタで受信し、
前記時刻情報信号に基づいて設定される特定の時間について、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値とを前記マスタで比較し、
前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値との差分が所定の閾値以上である場合に前記マスタのクロックに対する前記スレーブのクロックの周波数同期精度が劣化したと前記マスタで判断する周波数同期精度監視方法である。

ここで、タイムスタンプとは、時刻情報信号の送信や受信の時刻のことである。また、タイムスタンプを送信する、又は受信する、とは、送信時刻や受信時刻を時刻情報信号で送信する、又は受信する、ことを意味する。

本実施形態をより詳細に説明すれば、マスタの送信部よりランダム或いは定期的な間隔でパケットの送出する時刻Ｔ_ｋをタイムスタンプに打刻し、打刻したタイムスタンプをスレーブに対して送信し、マスタから送付されるタイムスタンプをスレーブの受信部にて受信した時刻ｔ_ｋを読み取り、スレーブの送信部よりマスタの受信部にむけてタイムスタンプを送信する時刻ｔ_ｋ’をスレーブ内でタイムスタンプに打刻し、前記ｔ_ｋ及びｔ_ｋ’或いは（ｔ_ｋ’−ｔ_ｋ）をスレーブ送信部からマスタ受信部に送信し、スレーブ送信部からマスタ受信部にて受信した時刻Ｔ_ｋ’をタイムスタンプに打刻し、１つ又は複数の（Ｔ_ｋ，Ｔ_ｋ’，ｔ_ｋ，ｔ_ｋ’）の組からマスタとスレーブの間の一往復の遅延時間（以下ＲＴＴ）を算出し、複数の（Ｔ_ｋ，Ｔ_ｋ’，ｔ_ｋ，ｔ_ｋ’）の組と前記一往復の遅延時間とから、ある特定の時間を、マスタ、スレーブそれぞれの内部クロックで動作するカウンタそれぞれにてカウントした値を算出し、それらの値をもとにマスタとスレーブの間の周波数差を算出し、事前に設定した閾値以上の差異がある場合に、マスタとクロックとスレーブのクロックの間の周波数同期精度が劣化したと判定する。また、前記送信器と受信器のクロックの間の周波数差を受信器外部に出力してもよい。

本実施形態において、伝送路の遅延がある場合には、周波数同期精度が劣化していない場合でも、送信時刻の間隔と受信時刻の間隔が異なってくるため、伝送路の遅延は一定であることが望ましい。ただし、通常マスタとスレーブの間にスイッチやルータなどを介さない接続の場合、伝送路の遅延はほぼ一定と考えられる。

図３〜図５は、本実施形態の周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。

図３を用いてマスタの送信部及び監視部の動作を説明する。マスタの送信部及び監視部は、まず変数Ｋに対して１を代入し（ステップＳ３２）、ある時間待機してから（ステップＳ３３）、タイムスタンプの送付を行い、タイムスタンプの値を保存し（ステップＳ３４）、ＫにＫ＋１を代入する（ステップＳ３５）こと繰り返す。ここで待機時間は、タイムスタンプの送信間隔に相当するパラメータである。この待機時間は、ある固定の時間でもよいし、ランダムな時間でもよい。またここで、Ｋとはスタートから該当のタイムスタンプを送出するときまでに送出した全タイムスタンプ数に相当する。

図４を用いてスレーブの動作を説明する。スレーブは、まず変数Ｋに対して１を代入し（ステップＳ４２）、次にマスタからのタイムスタンプを受信するまで待機する（ステップＳ４３）。ここで、Ｋとはスタートから該当のタイムスタンプを受信するときまでに受信した全タイムスタンプ数に相当する。送信器と受信器とを同時にスタートし、送信したタイムスタンプをロスなく、全て受信できた場合にはマスタ側で管理するＫの値と一致する。ここでは便宜上、送信器と受信器とでＫの値をもとに周波数同期精度を監視するフローを説明するが、本実施形態においてＫは必ずしも必要ない。これは、周波数監視においては、マスタとスレーブとの間でやりとりされるタイムスタンプの組み合わせがマスタにおいてひもづけられていれば十分なためである。

次にマスタからのタイムスタンプＴ_ｋをスレーブにて受信し、その際、スレーブにてスレーブにおけるタイムスタンプｔ_ｋを打刻する（ステップＳ４４）。次にスレーブからマスタにむけて、タイムスタンプｔ_ｋ及びその送信時刻ｔ_ｋ’をタイムスタンプとして送付する（ステップＳ４５）。ここではｔ_ｋとｔ_ｋ’を個別に送付することを述べているが、後述するように必要である値はこれらの差（ｔ_ｋ’−ｔ_ｋ）であるので、ｔ_ｋとｔ_ｋ’を個別に送付する代わりに、（ｔ_ｋ’−ｔ_ｋ）を送付してもよい。その後ＫにＫ＋１を代入し（ステップＳ４６）、マスタからタイムスタンプを受信するまで待機する。

図５を用いてマスタの受信部及び監視部の動作を説明する。マスタの受信部及び監視部は、スレーブの送信部からのタイムスタンプｔ_ｋ及びその送信時刻ｔ_ｋ’を受信した際、マスタにてタイムスタンプＴ_ｋ’を打刻する（ステップＳ５０２）。ここでＫが１であるか判断を行う（ステップＳ５０３）。

Ｋが１であればマスタとスレーブの間の一往復の遅延時間（ＲＴＴ：Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ）を（（Ｔ_ｋ’− Ｔ_ｋ）−（ｔ_ｋ−ｔ_ｋ’））として算出する（ステップＳ５０４）。ここではＫが１の場合に、一組の（Ｔ_ｋ，Ｔ_ｋ’，ｔ_ｋ，ｔ_ｋ’）をもとにＲＴＴを求める方式を述べたが、複数のタイムスタンプのやりとりにより、複数の（Ｔ_ｋ，Ｔ_ｋ’，ｔ_ｋ，ｔ_ｋ’）を得て、それらの平均値よりＲＴＴを求めてもよい。

Ｋが１でない（２以上）であれば、スレーブのクロックのマスタのクロックに対する周波数差を計算により求め（ステップＳ５０５）、算出された周波数誤差をマスタ外部に通知する（ステップＳ５０６）。

ここでステップＳ５０５についてさらに説明を加える。
マスタのクロックと、スレーブのクロックの周波数差を算出するにあたっては、スタートして最初にマスタからタイムスタンプＴ_１を送信したときから、スレーブにてタイムスタンプ値Ｔ_Ｎ’を受信するまでの間に、周波数差が一定で、かつマスタとスレーブの間の伝搬遅延が一定であると仮定する。また送信器でのクロックの周波数をｆ１、受信器のクロックの周波数をｆ２と表す。

マスタとスレーブの間に周波数誤差が生じている場合には、それぞれの装置において時刻のカウントの速さが異なるために、カウンタの値がずれていく。このカウンタの値のずれから周波数誤差を算出する。

このときマスタとスレーブの時刻の関係は図９に示すようなものを想定している。マスタにおける各時刻Ｔ_ｋとＴ_ｋ’、スレーブにおける時刻ｔ_ｋとｔ_ｋ’はそれぞれ、マスタのクロックの周波数ｆ１，スレーブのクロックの周波数ｆ２によって刻まれている。

周波数差の割合（ｆ２−ｆ１）／ｆ１は例えば以下で算出される。ここで、周波数差を算出する際に用いる前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で一往復する時間から前記時刻情報信号の往復遅延時間を除外した時間である。

また、波数差の割合（ｆ２−ｆ１）／ｆ１は以下でも算出することもできる。ここで、周波数差を算出する際に用いる前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で一往復する時間である。

また、上記では周波数差の割合を例にとって説明しているが、周波数差の割合の代わりに周波数誤差そのものを計算してもよい。ここで、ｆ１はスレーブにて受信したい所望の周波数を表しており、スレーブにおいて既知であるとすれば、周波数差は、周波数差の割合にｆ１をかけることで算出される。数１及び数２に対応する周波数誤差の計算式は、それぞれ数３及び数４である。

このようにして得られた周波数差の割合、或いは周波数差が、予め定められた周波数差の割合の閾値（例えば５×１０^−８など）、或いは周波数差（例えば５Ｈｚなど）と比較して小さいか否かの判定を行う（ステップＳ５０７）。

差分が閾値より小さい場合（ステップＳ５０７においてＹｅｓ）には、周波数同期精度が劣化していないと判断し、次のタイムスタンプを受信するまで再び待機する（ステップＳ５０１）。一方、差分が閾値より大きい場合（ステップＳ５０７においてＮｏ）には、周波数同期精度が劣化したと判断し（ステップＳ５０８）、受信器外部に周波数誤差が劣化したことを通知する（ステップＳ５０９）。

上記方法では、周波数差の割合、或いは周波数差をもとに、周波数同期精度が劣化したか否かを判定することを例に挙げたが、実際の運用の場合には、周波数差の割合、或いは周波数差を求めなくとも、位相差から周波数同期精度が劣化したか否かを判定することは可能である。例えば（Ｔ_Ｋ’−Ｔ_Ｋ）−（ｔ_Ｋ−ｔ_Ｋ’）の絶対値とＲＴＴを比較することで、周波数同期精度が劣化したか否かを判定することも可能である。

また、上記方法では、マスタ及びスレーブのそれぞれについてｋとｋ＋１のタイムスタンプ値をもとに周波数差の割合等を算出することを例に挙げたが、ｋとｋ＋２やｋとｋ＋３など任意のタイムスタンプ値をもとに周波数差の割合等を算出してもよい。

例えばｋ＝ｍからｋ＝ｎ（ｎ＞ｍ）までのタイムスタンプの組み合わせをもとに周波数差の割合を算出する式は以下のようになる。ここで、周波数差を算出する際に用いる前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間から、前記時刻情報信号の送受信が完了した後から前記時刻情報信号の送受信を再度開始するまでの時間及び前記時刻情報信号の往復遅延時間を除外した時間である。

周波数差を算出する際に用いる前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間から、前記時刻情報信号の送受信が完了した後から前記時刻情報信号の送受信を再度開始するまでの時間を除外した時間としてもよい。

周波数差を算出する際に用いる前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間としてもよい。

周波数差を算出する際に用いる前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間から前記時刻情報信号の往復遅延時間を除外した時間としてもよい。

以上の方式により、ＧＰＳからの信号を用いずに、マスタ−スレーブ間の信号のみで周波数同期精度の監視を行うことができるため、天候の変化に依存せず、定常的に安定して周波数同期精度の監視を行うことが可能である。またＧＰＳ信号の受信が困難な地下へマスタ及びスレーブを設置する際にも、周波数同期精度の監視を行うことが可能である。

（実施形態２）
図６〜図８は、本実施形態の周波数同期精度監視方法を説明するフローチャートである。実施形態１の周波数同期精度監視方法との違いは、周波数同期精度が劣化した際に同期精度が劣化したことを受信器外部に通知し、その後制御フローを終了せず、継続的に監視を行う点にある。これによって一度周波数同期精度が劣化した場合でも、その後の周波数同期精度を継続的に監視することができる。

（実施形態３）
本実施形態の周波数同期精度監視装置は、実施形態１及び実施形態２で説明した周波数同期精度監視方法を実現するマスタに備えられる装置である。本実施形態の周波数同期精度監視装置は、マスタ側に配置されており、
前記マスタとスレーブとの間で送受信される時刻情報信号を利用して、前記スレーブのクロックで計測した前記時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻を前記マスタで受信する時刻情報受信機能と、
前記時刻情報信号に基づいて設定される特定の時間について、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値とを前記マスタで比較する比較機能と、
前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値との差分が所定の閾値以上である場合に前記マスタのクロックに対する前記スレーブのクロックの周波数同期精度が劣化したと前記マスタで判断する判断機能と、
を備える。

図１０は本実施形態の周波数同期精度監視装置の構成を説明する図である。

本実施形態をより詳細に説明すれば、内部クロック２１を持ち、データ信号及びタイムスタンプを送受信するマスタ１００と、マスタ１００の内部クロック２１の周波数に同期したクロックを持ち、データ信号及びタイムスタンプを送受信するスレーブ２００との間で動作するマスタ１００における周波数同期精度監視装置であって、マスタ１００の送信部２２よりランダム或いは定期的な間隔でパケットの送出する時刻Ｔ_ｋをタイムスタンプに打刻する機能（タイムスタンプ生成部２３）と、打刻したタイムスタンプをスレーブに対して送信する機能（タイムスタンプ送信部２４）と、マスタ１００から送付されるタイムスタンプをスレーブ２００の受信部にて受信した時刻ｔ_ｋを読み取る機能と、スレーブ２００の送信部よりマスタ１００の受信部２５にむけてタイムスタンプを送信する時刻ｔ_ｋ’をスレーブ２００内でタイムスタンプに打刻する機能と、前記ｔ_ｋ及びｔ_ｋ’をスレーブ送信部からマスタ受信部２５に送信する機能と、スレーブ送信部からマスタ受信部２５にて受信した時刻Ｔ_ｋ’をタイムスタンプに打刻する機能（タイムスタンプ生成部２３）と、１つ又は複数の（Ｔ_ｋ，Ｔ_ｋ’，ｔ_ｋ，ｔ_ｋ’）の組とからマスタ１００とスレーブ２００の間の一往復の遅延時間を算出する機能と、複数の（Ｔ_ｋ，Ｔ_ｋ’，ｔ_ｋ，ｔ_ｋ’）の組と前記一往復の遅延時間とから、ある特定の時間間隔を、マスタ、スレーブそれぞれの内部クロックで動作するカウンタそれぞれにてカウントした値を算出する機能と、それらの値をもとにマスタとスレーブの間の周波数差を算出し、事前に設定した閾値以上の差異がある場合に、マスタとクロックとスレーブのクロックの間の周波数同期精度が劣化したと判定する機能（周波数差検出部２６）とを有する。周波数差検出部２６が比較機能と判断機能を有する。

送信部２２は、タイムスタンプ送信部２４とデータ送信部３１からなる。外部より入力されたデータはデータ送信部３１に入力され、マスタ−スレーブ間のデータの送受信可能なフォーマットに変換され、スレーブ２００へと送信される。送信するタイミングでタイムスタンプ生成部２３へと、タイムスタンプを生成するよう制御信号を送る。

これによってタイムスタンプ生成部２３ではタイムスタンプを生成し、タイムスタンプ送信部２４へとタイムスタンプを送付する。得られたタイムスタンプをもとにタイムスタンプ送信部２４にてマスタ−スレーブ間のデータの送受信可能なフォーマットに変換され、スレーブ２００へと送信される。

受信部２５はタイムスタンプ読み取り部３２とデータ読み取り部３３により構成される。タイムスタンプ読み取り部３３ではスレーブ２００から得られたタイムスタンプの値を読み出し、またタイムスタンプが受信された際、タイムスタンプ生成部２３へと、タイムスタンプ生成するよう制御信号を送る。また読み出したタイムスタンプの値をタイムスタンプ保持部３４へと送付し、タイムスタンプ保持部３４にて保持する。データ読み取り部３３では、スレーブ２００から送付されたデータを読み出し、マスタ外部へと出力する。

監視部３５はカウンタ３６、タイムスタンプ生成部２３、タイムスタンプ保持部３４、周波数差検出部２６からなる。カウンタ３６は、マスタ１００の内部クロック２１（例えば水晶振動子）から供給されたクロックをもとにカウンタを動作させる。このカウンタ値は常にタイムスタンプ生成部２３へと送付され、タイムスタンプ生成部２３にてタイムスタンプを生成する際に利用される。

タイムスタンプ生成部２３は、タイムスタンプ送信部２４及びタイムスタンプ読み取り部３２が生成する制御信号が送られてきた場合に、カウンタから得られるカウンタ値を基としてタイムスタンプを生成する。タイムスタンプ送信部２４が生成した制御信号が送付された際は、生成したタイムスタンプをタイムスタンプ送信部２４へ送付するとともにタイムスタンプ保持部３４へと送付する。タイムスタンプ生成部２３は、タイムスタンプ読み取り部３２が生成した制御信号が送付された際は、生成したタイムスタンプをタイムスタンプ保持部３４へと送付する。

タイムスタンプ保持部３４は、タイムスタンプ生成部２３より送付されたタイムスタンプを保持し、周波数差検出部２６へと保持しているタイムスタンプを必要に応じて送付する。周波数差検出部２６は、タイムスタンプ保持部３４より送付されたタイムスタンプをもとに、数１〜数８を用いて、周波数差の割合、周波数差、或いは位相差等の周波数同期精度が劣化したか否かを判断するために必要な値を算出する。そして、周波数差検出部２６は、算出した値とあらかじめ定められた閾値と比較することで、同期精度が劣化したか否かを判定し、周波数誤差と同期精度が劣化したか否かを装置外部へ出力する。また周波数差検出部２６は、マスタ外部へと周波数誤差（例えば周波数差の割合、或いは周波数差等）を出力する。

ここで内部クロック２１として、例えば恒温槽付水晶発振器（Ｏｖｅｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｘｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ＯＣＸＯ）を用いることが考えられる。内部クロック２１の周波数とカウンタ３６に入力すべきクロックの周波数が異なる場合は、逓倍器或いは分周器等のクロック抽出部を用いることで、周波数を合わせて入力してもよい。

また図３〜図８のような監視フローは、クロック抽出部が出力するクロックの周波数が安定してからをスタートするのが望ましい。例えばＯＣＸＯの場合、恒温槽が十分温まることで出力クロックが安定するため、オーブンを温めるのにかかる時間に比べて十分長い時間待機することで、マスタの内部クロック２１を安定させることができる。

また本実施形態ではマスタ内の周波数差検出部２６において、タイムスタンプの値をもとに、マスタ内部で周波数同期精度が劣化したか否かを判定し、周波数誤差等を算出することを例に挙げたが、タイムスタンプの値をマスタ外部に通知して、マスタ外部にて周波数同期精度の劣化したか否かを判定する、或いは周波数誤差等を算出するような構成も考えられる。

このようなマスタによれば、ＧＰＳからの信号を用いずに、マスタ−スレーブ間の信号のみで周波数同期精度の監視を行うことができるため、天候の変化に依存せず、定常的に安定して周波数同期精度の監視を行うことが可能である。またＧＰＳ信号の受信が困難な地下へマスタ及びスレーブを設置する際にも、周波数同期精度の監視を行うことが可能である。

（実施形態４）
本実施形態は、実施形態１又は２で説明した周波数同期精度監視方法を所定時に行い、スレーブ２００の内部クロックとマスタ１００の内部クロックとの間の周波数同期精度をマスタ１００において監視しつつ、マスタ１００とスレーブ２００との間でデータ信号を送受信する通信方法及び通信システムである。マスタ１００が所定時に周波数同期精度監視方法を行うことで、スレーブ２００の内部クロックの周波数同期精度をマスタ１００で監視することができる。マスタ１００及びスレーブ２００は、周波数同期精度が規定値内であればデータの送受信を継続し、周波数同期精度が規定値外であればデータの送受信を停止する。その際に、マスタ１００は、スレーブ２００の内部クロックの同期精度が劣化している旨のアラームを上げることができる。

以下は、本実施形態の周波数同期精度監視方法及び周波数同期精度監視装置を説明したものである。

（１）：時刻情報のやりとりを行う、対向する送受信器の間で動作するマスタにおける周波数同期精度の監視方式であって、ランダム或いは定期的な間隔でタイムスタンプをマスタから送信し、前記タイムスタンプの送信時刻をマスタにて保持し、またマスタからスレーブに送付されたタイムスタンプをスレーブにおいて受け取った際のスレーブにおけるタイムスタンプの受信時刻と、スレーブからマスタに対してタイムスタンプを送信する際の送信時刻とをスレーブからタイムスタンプとしてマスタに送付された際、マスタにおいてスレーブから送信されたタイムスタンプの値を読み出し、マスタにおいて保持し、またスレーブからタイムスタンプを受信した時刻をマスタにおいて保持し、保持されている複数のタイムスタンプ値からマスタ−スレーブ間の一往復の遅延時間を算出し、複数のタイムスタンプ値とマスタ−スレーブ間の一往復の遅延時間から、ある特定の時間間隔を、マスタ、スレーブそれぞれのクロックで動作するカウンタにてカウントした値を算出し、そのカウント差からマスタ、スレーブの周波数差を算出し、事前に設定した閾値以上の差異がある場合に、マスタのクロックとスレーブのクロックの間の周波数同期精度が劣化したと判定し、外部に劣化したことを通知する周波数同期精度の監視方式。

（２）：前記のある特定の時間間隔として、一往復、或いは複数往復のタイムスタンプのやりとりにかかる時間から、タイムスタンプの伝送遅延を引いた時間を用いることを特徴とする上記（１）に記載の周波数同期精度の監視方式。

（３）：前記のある特定の時間間隔として、一往復、或いは複数往復のタイムスタンプのやりとりにかかる時間を用いることを特徴とする上記（１）に記載の周波数同期精度の監視方式。

（４）：前記のある特定の時間間隔として、タイムスタンプの往復のやりとりを終えた後、次に再度往復のやりとりを始めるまでにかかる時間を、複数往復のタイムスタンプのやりとりにかかる時間から引いた時間を用いることを特徴とする上記（１）に記載の周波数同期精度の監視方式。

（５）：前記のある特定の時間間隔として、タイムスタンプの一往復のやりとりを終えてから、次に再度一往復のやりとりを行うまでにかかる時間と、タイムスタンプの伝搬遅延を引いた時間とを、複数往復のタイムスタンプのやりとりにかかる時間から引いた時間を用いることを特徴とする上記（１）に記載の周波数同期精度の監視方式。

（６）：前記マスタとスレーブのクロックの間の周波数差を、受信器外部に周波数差を出力することを特徴とする、上記（１）−（５）に記載の周波数同期精度の監視方式。

（７）：時刻情報のやりとりを行う、対向する送受信器の間で動作するマスタにおける周波数同期精度の監視装置であって、ランダム或いは定期的な間隔でタイムスタンプをマスタから送信する機能と、その送信時刻をマスタにて保持する機能と、またマスタからスレーブに送付されたタイムスタンプをスレーブにおいて受け取った際のスレーブにおけるタイムスタンプの受信時刻と、スレーブからマスタに対してタイムスタンプを送信する時刻とをスレーブからタイムスタンプとして送付された際、マスタにおいてスレーブから送信されたタイムスタンプの値を読み出す機能と、マスタにおいて保持する機能と、またスレーブからタイムスタンプを受信した時刻をマスタにおいて保持する機能と、保持されている複数のタイムスタンプ値からマスタ−スレーブ間の一往復の遅延時間を算出する機能と、複数のタイムスタンプ値とマスタ−スレーブ間の一往復の遅延時間から、ある特定の時間間隔を、マスタ、スレーブそれぞれのクロックで動作するカウンタにてカウントした値を算出する機能と、そのカウント差からマスタ、スレーブの周波数差を算出する機能と、事前に設定した閾値以上の差異がある場合に、マスタのクロックとスレーブのクロックの間の周波数同期精度が劣化したと判定する機能と、外部に劣化したことを通知する機能とを有する、周波数同期精度の監視装置。

これによってＧＰＳからの信号を用いずに、マスタ−スレーブ間の信号のみで周波数同期精度の監視を行うことができるため、天候の変化に依存せず、定常的に安定して周波数同期精度の監視を行うことが可能である。またＧＰＳ信号の受信が困難な地下へマスタ及びスレーブを設置する際にも、周波数同期精度の監視を行うことが可能である。

１１：位相比較器
１２：フィルタ
１３：電圧制御発振器
１４：分周器
２１：内部クロック
２２：送信部
２３：タイムスタンプ生成部
２４：タイムスタンプ送信部
２５：受信部
２６：周波数差検出部
３１：データ送信部
３２：タイムスタンプ読み取り部
３３：データ読み取り部
３４：タイムスタンプ保持部
３５：監視部
１００：マスタ
２００：スレーブ

Claims (9)

1. マスタとスレーブとの間で送受信される時刻情報信号を利用して、前記スレーブのクロックで計測した前記時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻を前記マスタで受信し、
   前記時刻情報信号に基づいて設定される特定の時間について、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値とを前記マスタで比較し、
   前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値との差分が所定の閾値以上である場合に前記マスタのクロックに対する前記スレーブのクロックの周波数同期精度が劣化したと前記マスタで判断する周波数同期精度監視方法。
2. 前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で一往復する時間又は複数回往復する時間から前記時刻情報信号の往復遅延時間を除外した時間であることを特徴とする請求項１に記載の周波数同期精度監視方法。
3. 前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で一往復する時間又は複数回往復する時間であることを特徴とする請求項１に記載の周波数同期精度監視方法。
4. 前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間から、前記時刻情報信号の送受信が完了した後から前記時刻情報信号の送受信を再度開始するまでの時間を除外した時間であることを特徴とする請求項１に記載の周波数同期精度監視方法。
5. 前記特定の時間は、前記時刻情報信号が前記マスタと前記スレーブとの間で複数回往復する時間から、前記時刻情報信号の送受信が完了した後から前記時刻情報信号の送受信を再度開始するまでの時間及び前記時刻情報信号の往復遅延時間を除外した時間であることを特徴とする請求項１に記載の周波数同期精度監視方法。
6. 前記差分を前記マスタのクロックと前記スレーブのクロックとの周波数誤差として前記マスタから出力することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の周波数同期精度監視方法。
7. マスタ側に配置されており、
   前記マスタとスレーブとの間で送受信される時刻情報信号を利用して、前記スレーブのクロックで計測した前記時刻情報信号の受信時刻及び送信時刻を前記マスタで受信する時刻情報受信機能と、
   前記時刻情報信号に基づいて設定される特定の時間について、前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値とを前記マスタで比較する比較機能と、
   前記マスタのクロックでの計測値と前記スレーブのクロックでの計測値との差分が所定の閾値以上である場合に前記マスタのクロックに対する前記スレーブのクロックの周波数同期精度が劣化したと前記マスタで判断する判断機能と、
   を備える周波数同期精度監視装置。
8. 請求項１から６のいずれかに記載の周波数同期精度監視方法を所定時に行い、前記スレーブの内部クロックと前記マスタの内部クロックとの間の周波数同期精度を前記マスタにおいて監視しつつ、前記マスタと前記スレーブとの間でデータ信号を送受信する通信方法。
9. マスタとスレーブとの間でデータ信号を送受信する通信システムであって、
   前記マスタは、請求項７に記載の周波数同期精度監視装置を有し、前記スレーブの内部クロックと前記マスタの内部クロックとの間の周波数同期精度を所定時に監視することを特徴とする通信システム。

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