JP2018023037A - 周波数差検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】設定周波数に対する使用クロックの周波数の周波数差を高精度で検出することが可能な周波数差検出器を提供する。【解決手段】周波数差検出器１４は、伝送信号の送受信処理に使用する使用クロック信号の実際の周波数と、設定周波数との周波数差に対応する量を検出し、クロックラッチ部２２は、周波数安定度が高く、使用クロック信号と設定周波数が同じで基準クロック信号の逓倍クロック信号により、使用クロック信号をラッチしてクロックラッチ信号を出力する。カウント信号出力部２４は、所定のビット数のカウント信号を出力し、カウント信号ラッチ部２５は、クロックラッチ信号に基づき、カウント信号をラッチしてカウント信号値を出力する。累積加算部２４は、このカウント信号値の偏差量を累積加算し、所定のカウント期間中に得られた累積加算値を、前記周波数差に対応する量として出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、放送機器や通信機器などの伝送信号の送受信に利用される使用クロック信号の周波数の設定周波数に対する周波数差を検出する技術に関する。

地上ディジタル放送やスマートフォン・セルラーフォンなどの伝送ネットワークシステムにおいては、基地局内（親局−中継局間や中継局−中継局間など）における伝送信号品質を維持するため、送受信処理に使用するクロック信号（以下、「使用クロック信号」という）の周波数を一定偏差以内に抑える必要がある。そのため装置内部で用いる使用クロック信号の周波数偏差量を正確に把握したいという要請もある。

ここで特許文献１には、２つのクロック間の位相差の量をパルス幅で抽出し、この位相差量をカウントアップ、またはカウントダウンして、一方のクロックの遅延量を制御する技術が記載されている。

特開２００８−９２３５９号公報：請求項１、段落００４０〜００４９、００６４〜００６５、図３

しかしながら、特許文献１に例示されている２つのクロックの周波数差は、３０ＭＨｚ／３２ＭＨｚ、３０ＭＨｚ／３０．７２ＭＨｚや７０ｋＨｚ／７１ｋＨｚであり、比較されるクロック間の周波数差が大きい。
基地局などで用いる使用クロックには、例えば１０^−９程度の周波数安定度が要求され、このように、高度の周波数安定性が要求されているクロックの周波数のずれ量を高精度に検出する技術は引用文献１には開示されていない。

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、設定周波数に対する使用クロックの周波数の周波数差を高精度で検出することが可能な周波数差検出器を提供することにある。

本発明に係る周波数差検出器は、伝送信号の送受信処理に使用される使用クロック信号の周波数と、当該使用クロック信号の設定周波数との周波数差に対応する量を検出する周波数差検出器であって、
前記使用クロック信号と同等以上の周波数安定度を有し、当該使用クロック信号と設定周波数が同じである基準クロック信号を逓倍した逓倍クロック信号により、前記使用クロック信号をラッチして得られたクロックラッチ信号を出力するクロックラッチ部と、
前記逓倍クロック信号に同期して、予め設定されたビット数のカウント信号を出力するカウント信号出力部と、
前記クロックラッチ部から出力されたクロックラッチ信号に基づき、前記カウント信号出力部から出力されたカウント信号をラッチして得られたカウント信号値を出力するカウント信号ラッチ部と、
前記カウント信号ラッチ部から取得したカウント信号値について、今回取得したカウント信号値と、前回取得したカウント信号値との偏差量を累積加算する累積加算部と、を備え、
予め設定されたカウント期間中に前記偏差量を累積加算して得られた累積加算値を、前記周波数差に対応する量として出力することを特徴とする。

上述の周波数差検出器は、前記伝送信号の周波数変換に用いられる機器の動作クロックが、前記使用クロック信号に基づいて生成され、前記周波数差に対応する量は、前記動作クロックに基づいて動作する機器の動作を補正するための補正値として利用してもよい。

本発明によれば、使用クロック信号と同等以上の周波数安定度を有し、当該使用クロック信号と設定周波数が同じである基準クロック信号を逓倍した逓倍クロック信号を利用するので、前記設定周波数に対する使用クロック信号の周波数差を比較的短い時間で正確に検出することができる。

実施の形態に係る周波数差検出器が設けられている送受信装置のブロック図である。 前記周波数差検出器の構成を示すブロック図である。 前記周波数差検出器の作用を示す第１のタイムチャートである。 前記周波数差検出器の作用を示す第２のタイムチャートである。 前記周波数差検出器の作用を示す第３のタイムチャートである。

図１は、放送機器や通信機器などの伝送ネットワークシステムの基地局に設けられ、本実施の形態に係る周波数差検出器１４を備えた送受信装置１のブロック図を示している。
親局や他の中継局から送信され、受信アンテナ１０２にて受信された伝送信号は、高周波変復調部１１にて、例えばマイクロ波帯の送受信周波数の伝送信号が、ベースバンド帯（例えば数十ＭＨｚ）のベースバンド復調信号に復調された後、ベースバンド変復調部１２に入力される。ベースバンド変復調部１２では、ベースバンド復調信号をさらに復調して放送用のＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信号などを得る（ベースバンド受信信号）。

一方、基地局を介して中継されるＯＦＤＭ信号は、パイロット信号の付加などが行われたうえでベースバンド変復調部１２にてベースバンド変調信号に変調された後（ベースバンド送信信号）、さらに高周波変復調部１１にて送受信周波数の伝送信号に変調され、中継アンテナ１０１より送信される。
ベースバンド変復調部１２においては、例えば不図示の数値制御発振器（ＮＣＯ（Numerically Controlled Oscillator）。ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）ともいう）などを利用してベースバンド変調信号の生成が行われる。

本例の送受信装置１において、基地局にて使用する使用クロック（設定周波数ｆ０１＝１０ＭＨｚ）は、ＰＬＬ（Phased Locked Loop）を含む動作クロック生成部１３の基準周波数信号などとして用いられる。動作クロック生成部１３からは、既述のベースバンド変調信号を生成する際に利用される、ベースバンド変復調部１２内の機器の動作クロック（ｆ_ｃｌｋ）が出力される。

ここで例えば、使用クロックを外部から取得する場合には、各基地局に分配される過程において信号の劣化が蓄積されている場合もあり、送受信装置１に入力された時点における実際の周波数ｆ１が、設定周波数ｆ０１から変動している可能性もある。また、基地局内で使用クロックを発生させる場合であっても、高精度の発振器を多数、設けることができない場合もある。そして、変動した周波数ｆ１の使用クロックに基づいて得られた動作クロックを用いてベースバンド変調を行うと、伝送信号の劣化を引き起こす要因となるおそれもある。

そこで本例の送受信装置１は、使用クロックと同等（例えば１０^−９）以上の周波数安定度を有し、当該使用クロックの設定周波数が同じである基準クロック（ｆ０２＝１０ＭＨｚ）を用いて、使用クロックと基準クロックとの周波数差に対応する量を検出する周波数差検出器１４を備えている。基準クロックとしては、例えば送受信装置１と共通の基地局内で得られた外部基準信号を利用する例が挙げられる。基地局内で得られた外部基準信号を利用することにより、例えば基地外から取得した外部基準信号を用いる場合と比較して、分配の過程における劣化のない、周波数安定度の高い基準クロックを利用できる。なお、基準クロックの供給源は、特定の種類の発振器に限定されるものではなく、高精度のＯＣＸＯ（Oven Controlled Oscillator）や水素メーザー原子発振器、セシウム原子発振器、ルビジウム発振器、ＴＣＸＯなどを用いてよい。また、使用クロックと同等以上の周波数安定度が得られれば、基地外から外部基準信号を取得してもよいことは勿論である。

図２に示すように周波数差検出器１４は、基準クロックを逓倍する逓倍器２１と、使用クロックを前記逓倍クロックにてラッチするクロックラッチ部２２と、逓倍された基準クロック（逓倍クロック）に同期して、２ビットのカウント信号を出力するカウント信号出力部２４と、使用クロックを前記逓倍クロックにてラッチした結果に基づき、前記カウント信号の信号値をさらにラッチするカウント信号ラッチ部２５と、カウント信号ラッチ部２５から出力されたカウント信号値の偏差量を累積加算する累積加算部２６と、累積加算部２６にて累積加算された累積加算値の出力タイミングを制御するカウント期間制御部２９と、を備えている。

逓倍器２１は、基準クロックを１６逓倍し、逓倍クロック（Ｂ）を出力する。逓倍器２１にて基準クロックを逓倍する逓倍数は、「１６逓倍」に限定されるものではなく、２逓倍以上の逓倍数を選択することができる。逓倍数を大きくするに連れて、使用クロックと基準クロックとの周波数差の検出分解能が向上し、より短い時間でずれ量を検出することができる。一方で、逓倍数が大きくなりすぎると、高速処理が可能なハードウェアが必要となり、ハードウェアの処理速度に制約がある場合には、周波数差検出精度との間にトレードオフが生じる場合もある。具体的な逓倍数の設定手法については、後述のカウント信号ラッチ部２５におけるカウント信号値のビット数の設定と合わせて説明する。
使用クロックの設定周波数ｆ０１＝１０ＭＨｚ、基準クロックの逓倍数が１６逓倍の場合、約６．４［ｐｐｔ／ｂｉｔ］の周波数差分解能が得られ、最小の周波数差を約１６分で検出することができる。

クロックラッチ部２２は、使用クロック（Ａ）を逓倍クロック（Ｂ）にてラッチしたクロックラッチ信号（Ｃ）を出力する。パルス化部２３は、クロックラッチ信号の立ち上がりのタイミングでパルス信号（Ｄ）を出力する。

カウント信号出力部２４は、逓倍クロック（Ｂ）に同期して作動する２ビットの遅延回路２４２と、遅延回路２４２に対する入力値を「１」ずつ増加させる加算器２４１とを含む積算器として構成されている。カウント信号出力部２４からは、「０（００）→１（０１）→２（１０）→３（１１）」のカウント信号値（Ｅ）がこの順で繰り返し出力される。

ここでカウント信号値のビット数は２ビットに限定されるものではない。例えば既述の逓倍器２１における逓倍数Ｎとの関係において、以下の（１）式を満たすビット数を選択することができる。
Ｎ＝ｎ＊（ｆ１／ｆ０２）＊２^ｍ … （１）
ここでＮは逓倍器２１の逓倍数、ｍはカウント信号値のビット数、係数ｎは自然数（１、２、３、…）である。また、（１）式が適用できる条件として、送受信装置１の使用温度範囲における使用クロックｆ１の周波数変動量をΔｆ１としたとき、Δｆ１＜＜ｆ１（基準クロックを１６逓倍する場合は、Δｆ１が使用クロックｆ１の６．２５％（１／１６）以下）であることが必要である。

上記（１）式によると、（ｆ１／ｆ０２）≒１であるとき、図２に示す逓倍器２１の逓倍数（Ｎ＝１６）は、カウント信号値のビット数ｍ＝２、係数ｎ＝４の場合であることが分かる。実際には逓倍器２１の逓倍数やカウント信号値のビット数は、後述のカウント信号ラッチ部２５の出力（Ｆ）の変動量やハードウェアの処理速度などを考慮して所望の周波数差検出精度を得られる値が選択される。
カウント信号ラッチ部２５は、パルス化部２３からパルス信号が出力されたタイミングにてカウント信号出力部２４から出力されたカウント信号値をラッチする（Ｆ）。

累積加算部２６は、さらに偏差量パルス化部２６１と偏差量カウント部２６２とを備える。偏差量パルス化部２６１は、カウント信号ラッチ部２５から取得したカウント信号値について、今回取得したカウント信号値と、前回取得したカウント信号値との偏差量（Ｇ）を出力する。偏差量カウント部２６２は、偏差量パルス化部２６１から出力された偏差量を累積加算する。

さらに周波数差検出器１４には、予め設定された時間間隔（カウント期間）に基づき、カウント期間制御部２９から出力されるラッチ信号（Ｋ）が入力されたタイミングにて、偏差量カウント部２６２から入力された偏差量の累積加算値（Ｈ）をラッチして出力する累積加算値ラッチ部２７と、累積加算値ラッチ部２７の出力値中の不要成分を除去するフィルタ部２８とを備えている。

以上の構成を備えた周波数差検出器１４の作用について、図３、図４を参照しながら説明する。
図３、図４は、周波数差検出器１４に入力された使用クロックの実際の周波数ｆ１が、設定周波数（ｆ０１＝１０ＭＨｚ）よりも小さい（使用クロック間隔が長い）ケースを示している。

使用クロック（Ａ）を逓倍クロック（Ｂ：基準クロックの１６逓倍クロック）でラッチすると、クロックラッチ信号（Ｃ）が得られる。具体的には、逓倍クロックの立ち上がり時の使用クロックの値をラッチし、クロックラッチ信号として出力する。
さらにこのクロックラッチ信号の立ち上がりのタイミングで、パルス化部２３よりパルス信号（Ｄ）を出力する。

一方、カウント信号出力部２４においては、逓倍クロック信号に同期して、カウント信号値（Ｅ：０、１、２、３）がこの順で繰り返し出力されている。そして、パルス化部２３よりパルス信号が出力されたタイミングでラッチされたカウント信号値（Ｆ）がカウント信号ラッチ部２５から偏差量パルス化部２６１へと出力される。

偏差量パルス化部２６１は、カウント信号ラッチ部２５からカウント信号値を取得したとき、今回取得したカウント信号値と、前回取得したカウント信号値との偏差量（Ｇ）を出力する。
例えば図３において、パルス信号Ｄ２が出力されたタイミングの前後では、偏差量パルス化部２６１が取得するカウント信号値は「１→２」へ変化し、偏差量「１」が出力されている。また、パルス信号Ｄ３が出力されたタイミングの前後では、偏差量パルス化部２６１が取得するカウント信号値は「２→２」のまま変化なく、偏差量パルス化部２６１から出力される偏差量は「０」である。そして、パルス信号Ｄ４が出力されたタイミングの前後では、偏差量パルス化部２６１が取得するカウント信号値は「２→３」へ変化し、偏差量「１」が出力されている。
なお、２ビットのカウント信号値を出力するカウント信号出力部２４において、カウント信号値が「３→０」に変化したときの偏差量は「１」である。

偏差量カウント部２６２は、偏差量パルス化部２６１から取得した偏差量を累積加算した累積加算値を出力する（Ｈ）。ここで図３に示すように、偏差量カウント部２６２から出力される偏差量の累積加算値が「＋１」変化するのに要するパルス信号Ｄ２〜Ｄ４の時間間隔は、下記（２）式で計算できることが分かっている。
時間間隔ｔ＝ａｂｓ（ｆ１／（ｆ１−ｆ０１）／ｆ０２）
＝（ｆ１／｜ｆ１−ｆ０１｜）＊（１／ｆ０２） … （２）

（２）式によると、設定周波数（ｆ０１）に対する使用クロックの実際の周波数（ｆ１）のずれ量（周波数差：ｆ１−ｆ０１）が大きくなるに連れて、時間間隔ｔは小さくなる。一方、上記ずれ量が小さくなるに連れて、時間間隔ｔは大きくなる傾向がある。使用クロックの周波数が設定周波数と一致している場合には、累積加算値は、ゼロのまま変化しない。

以上の関係から、あるカウント期間を設定したとき、前記ずれ量が大きい場合には、当該カウント期間中に累積加算される累積加算値は大きくなり、ずれ量が小さい場合には、当該カウント期間中に累積加算される累積加算値は小さくなる関係が導き出される。即ち、累積加算値は、設定周波数（ｆ０１）に対する使用クロックの周波数（ｆ１）のずれ量に対応する量であるといえる。

そこで図４に示すように、本例の周波数＿差検出器１４は、カウント期間制御部２９からラッチ信号（Ｋ）が入力されたタイミングにて偏差量カウント部２６２から入力される累積加算値（Ｈ）をラッチし、前記ずれ量に対応する量（Ｌ：使用クロックの実際の周波数と、設定周波数との周波数差に対応する量）として出力する。図４に示す例では、先のラッチ信号が入力されたタイミングと、後のラッチ信号が入力されたタイミングとでＬの値が「７８５→７８６」に増加しているので、ずれ量が増加していることが分かる。
なお、カウント期間制御部２９からラッチ信号を出力する間隔（カウント期間）の設定例については後述する。また、累積加算値ラッチ部２７からずれ量に対応する量を出力するタイミングにて、偏差量カウント部２６２の累積加算値はリセットされる。

以上、図３、図４を参照しながら、使用クロックの周波数ｆ１が、設定周波数（ｆ０１＝１０ＭＨｚ）よりも小さいケースを説明した。これに対して図５は、使用クロックの実際の周波数ｆ１が、設定周波数よりも大きい（使用クロックが短い）ケースを示している。

この場合には、パルス化部２３よりパルス信号が出力されたタイミングでラッチされたカウント信号値（Ｆ）は、次第に減少していく。即ち、パルス信号Ｄ２が出力されたタイミングの前後では、偏差量パルス化部２６１が取得するカウント信号値は「１→０」へ変化し、偏差量「−１」が出力されている。パルス信号Ｄ３が出力されたタイミングの前後では、偏差量パルス化部２６１が取得するカウント信号値は「０→０」のまま変化なく、偏差量パルス化部２６１から出力される偏差量は「０」である。そして、パルス信号Ｄ４が出力されたタイミングの前後では、偏差量パルス化部２６１が取得するカウント信号値は「０→３」へ変化する。ここで、２ビットのカウント信号値を出力するカウント信号出力部２４において、カウント信号値が「０→３」に変化したときの偏差量（３−０）は２の補数で「−１」とする。

そして、偏差量パルス化部２６１から負の偏差量（Ｇ）が出力された場合には、偏差量カウント部２６２にて算出される累積加算値も次第に負の方向へ減少していく（図５のＨ）。
このように、本例の周波数差検出器１４は、設定周波数（ｆ０１）に対する使用クロックの周波数（ｆ１）のずれ量に対応する量を出力する際に、使用クロックの周波数のずれ方向に応じて、符号の異なる値を出力することができる。

図１を用いて説明したように、本例の送受信装置１は、ベースバンド変復調部１２内の機器にてベースバンド変調信号を生成するにあたり、動作クロック生成部１３から出力された動作クロックを利用する。この動作クロック生成部１３は、使用クロックに基づいて動作クロックを生成するので、使用クロックにずれ量が含まれる場合には、当該ずれ量の影響が動作クロックにも含まれることとなり、ベースバンド変調を実行するベースバンド変復調部１２内の機器の動作も前記ずれ量の影響を受ける。そこで、周波数差検出器１４にて使用クロックの正確なずれ量を把握し、ベースバンド変調を実行する機器の動作を補正する補正値として利用することにより、高精度のベースバンド変調を実行することができる。

本実施の形態に係る周波数差検出器１４によれば以下の効果がある。使用クロックと同等以上の周波数安定度を有し、当該使用クロックと設定周波数が同じである、外部基準信号などから得られた基準クロックを用い、この基準クロックを逓倍して得られた逓倍クロックを利用するので、前記設定周波数に対する使用クロック信号の周波数差を比較的短い時間で正確に検出することができる。

ここで、図２〜図４を用いて説明した周波数差検出器１４においては、カウントアップ型のカウント信号出力部２４を用いる例を示したが、カウント信号値をカウントダウン（３→２→１→０）する構成を採用してもよい。この場合には、累積加算値（Ｈ）の符号と、使用クロックの周波数のずれ方向との対応関係が、図２〜図４を用いて説明した例とは反対になる。

１ 送受信装置
１２ ベースバンド変復調部
１２１ ＮＣＯ
１３ 動作クロック生成部
１４ 周波数差検出器
２１ 逓倍器
２２ クロックラッチ部
２３ パルス化部
２４ カウント信号出力部
２５ カウント信号ラッチ部
２６ 累積加算部
２９ カウント期間制御部
３１ 周波数補正部

Claims (2)

1. 伝送信号の送受信処理に使用される使用クロック信号の周波数と、当該使用クロック信号の設定周波数との周波数差に対応する量を検出する周波数差検出器であって、
   前記使用クロック信号と同等以上の周波数安定度を有し、当該使用クロック信号と設定周波数が同じである基準クロック信号を逓倍した逓倍クロック信号により、前記使用クロック信号をラッチして得られたクロックラッチ信号を出力するクロックラッチ部と、
   前記逓倍クロック信号に同期して、予め設定されたビット数のカウント信号を出力するカウント信号出力部と、
   前記クロックラッチ部から出力されたクロックラッチ信号に基づき、前記カウント信号出力部から出力されたカウント信号をラッチして得られたカウント信号値を出力するカウント信号ラッチ部と、
   前記カウント信号ラッチ部から取得したカウント信号値について、今回取得したカウント信号値と、前回取得したカウント信号値との偏差量を累積加算する累積加算部と、を備え、
   予め設定されたカウント期間中に前記偏差量を累積加算して得られた累積加算値を、前記周波数差に対応する量として出力することを特徴とする周波数差検出器。
2. 前記伝送信号の周波数変換に用いられる機器の動作クロックが、前記使用クロック信号に基づいて生成され、
   前記周波数差に対応する量は、前記動作クロックに基づいて動作する機器の動作を補正するための補正値として利用されることを特徴とする請求項１に記載の周波数差検出器。

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