JP4347003B2 - 時刻情報検出方法、時刻情報検出装置および電波修正時計 - Google Patents

Description

本発明は、長波標準電波を受信して時刻情報を検出し、時刻を修正する時刻情報検出方法、時刻情報検出装置および電波修正時計に関する。

現在、日本国内において、独立行政法人通信総合研究所の管轄下で、時刻コードを含んだ長波標準電波が送信されている。この信号は、１分間を１フレームとして、年（西暦の下二桁）、通算日（１月１日からの累積日数）、曜日、時、分などの時刻データが、バイナリーコードとして直列に送出されている。より具体的には、１ビットを１Hzの矩形パルスとし、“１”、“０”はそれぞれパルス幅を500ms、800msとすることにより表し、各時刻データをバイナリーコードで表している。さらに、１フレームのデータの開始を識別するマーカーＭ、および各データ群の開始を識別するポジションマーカーＰ０〜Ｐ５をパルス幅200msとしている。また、搬送波としては、４０KHzおよび６０KHzの長波が用いられている。

このような長波標準電波から時刻情報を取得するには、最初の矩形パルスのパルス継続時間を測定する際の基準として用いる１秒の時間間隔を有する秒フレーム（時間フレーム）の開始タイミングを矩形パルスの立ち上がり、つまり矩形パルスの前端の発生タイミングに同期もしくはほぼ同期するようにし、この開始タイミングを基準に秒フレームを刻んでいき、各秒フレームにおける上記矩形パルスのパルス継続時間（ハイレベルの継続時間）を計測してマーカーＰの連続する正分のタイミングを取得する。続いて各秒フレームにおける矩形パルスのパルスの継続時間を計測して“０”、“１”、“Ｐ”のビットデータを取得し、取得したビットデータをデコードして時刻情報を得る、という手段を一般にとっている。

また、上記矩形パルスの立ち上がり（もしくは立ち下がり）タイミングを補正したタイミングを内部秒フレームの開始タイミングとしているのものもある（特許文献１）。
特開2002-286876号公報

しかし、このような長波標準電波を受信する環境の中においては、いわゆる都市ノイズや家電製品が発生するノイズなどの影響により、長波標準電波に含まれる矩形パルスの立ち上がり検出タイミングがずれてしまうことがある。

このような矩形パルス検出タイミングずれの影響を補正するために特許文献１では、矩形パルスが１秒に対して所定範囲内であるかどうかを検出し、かつ所定範囲内の矩形パルスを連続して複数回検出できたときに、矩形パルスの周期と１秒との差を求め、その差の平均値を用いて、最後に検出した矩形パルスの立ち上がりまたは立ち下がりから矩形パルス検出タイミングを補正して、補正した後の矩形パルス検出タイミングを内部秒フレームの開始タイミングとする方法が用いられている。

しかしながらこの方法によると、最後に検出した矩形パルスの立ち上がりまたは立ち下がりタイミングが最終的な基準となるため、それ以前に検出した時間差の平均値により補正しても、最後の矩形パルスによって秒フレームの開始タイミングが大きく左右されてしまう。

本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたもので、受信信号に揺らぎが発生している場合でも時刻情報の検出精度の低下を防止できる電波修正時計を提供することを目的とする。

この目的を達成するために時刻情報検出方法に関する本発明は、所定の基本周期で出力される矩形パルスのパルス幅により規定される情報に基づいた時刻情報を含む電波信号を受信手段で受信し、前記各矩形パルスのパルス幅から時刻情報を検出して時刻修正する時刻情報検出方法であって、前記矩形パルスの基本周期と同一周期の内部基準周期を発生し、前記受信した矩形パルスの立ち上がりエッジと前記基準周期の発生タイミングとの時間差を求め、前記測定した信号周期が所定範囲内である矩形パルスを複数回連続して検出したときに、前記時間差の平均値を求め、該平均値に基づいて前記内部基準周期の発生タイミングを補正するものであり、前記基準周期に対して前記受信した矩形パルスの位相が進んでいるか遅れているかを判定し、前記複数回の連続検出において前記位相の進みと遅れとが混在したときに前記時間差に補正値を加えて前記平均値を求めることに特徴を有する。

時刻情報検出装置に関する本発明は、所定の基本周期で出力される矩形パルスのパルス幅により規定される情報に基づいた時刻情報を含む電波信号を受信手段で受信し、前記各矩形パルスのパルス幅から時刻情報を検出して時刻修正する時刻情報検出装置であって、前記矩形パルスの基本周期と同一周期の内部基準周期を発生する内部基準周期発生手段と、前記受信した矩形パルスの信号周期を測定する周期測定手段と、前記受信した矩形パルスの立ち上がりエッジと前記基準周期の発生タイミングとの時間差を求める時間差検出手段と、前記測定した信号周期が所定範囲内である矩形パルスを複数回連続して検出したときに、前記時間差の平均値を求め、該平均値に基づいて前記内部基準周期の発生タイミングを補正する補正手段とを備え、前記補正手段は、前記基準周期に対して前記受信した矩形パルスの位相が進んでいるか遅れているかを判定し、前記複数回の連続検出において前記位相の進みと遅れとが混在したときに前記時間差に補正値を加えて前記平均値を求めることに特徴を有する。

電波修正時計に関する本発明は、所定の基本周期で出力される矩形パルスのパルス幅により規定される情報に基づいた時刻情報を含む電波信号を受信手段で受信し、前記各矩形パルスのパルス幅から時刻情報を検出して時刻修正する電波修正時計であって、前記矩形パルスの基本周期と同一周期の内部基準周期を発生する内部基準周期発生手段と、前記受信した矩形パルスの信号周期を測定する周期測定手段と、前記受信した矩形パルスの立ち上がりエッジと前記基準周期の発生タイミングとの時間差を求める時間差検出手段と、前記測定した信号周期が所定範囲内である矩形パルスを複数回連続して検出したときに、前記時間差の平均値を求め、該平均値に基づいて前記内部基準周期の発生タイミングを補正する補正手段と、前記補正手段により発生タイミングが補正された後の前記内部基準周期を基準にして前記矩形パルスのパルス幅を検出するパルス幅検出手段とを備え、前記補正手段は、前記基準周期に対して前記受信した矩形パルスの位相が進んでいるか遅れているかを判定し、前記複数回の連続検出において前記位相の進みと遅れとが混在したときに前記時間差に補正値を加えて前記平均値を求めることに特徴を有する。

本発明は、測定した信号周期が所定範囲内である矩形パルスを複数回連続して検出したときに、信号周期と内部基準周期との時間差の平均値を求め、該平均値に基づいて前記内部基準周期の発生タイミングを補正するので、最後に検出した矩形パルスの立ち上がりタイミングにかかわらず、矩形パルスの立ち上がりと内部基準周期との誤差が小さくなり、長波標準電波の送信信号に対して正確な秒フレームの開始タイミングを求めることが可能となる。

また、基準周期と長波標準電波の送信信号の周期が近接し、送れ位相と進み位相の信号が混在している状況でも、正確な秒フレームの開始タイミングを求めることが可能になる。

図を参照して本発明について詳細に説明する。図１は、本発明を適用した電波修正時計の主要部をブロックで示す図である。

受信管理部１０３は、受信開始時刻または修正スイッチＳＷの押し下げ（オン）を検出して、長波標準電波の受信、検出、修正および終了を制御する。長波標準電波は、アンテナ１０１により受信する。受信回路１０２は、アンテナ１０１で受信した長波標準電波を増幅した後、１分間を１フレームとし、１ビットを１Hzの矩形パルスとする時刻信号を検波する。

ビットデータ変換部１０４は、基準周期発生部１１２が出力する基準周期をもとに、受信回路１０２で検波された１Hzの矩形パルスのパルス幅を検出して、“１”、“０”、のマーカーからなる時刻コードに変換する。

時刻情報取得部１０５は、ビットデータ変換部１０４で変換された時刻コード中のマーカーＭから、１フレームの始まりを検出した後に、バイナリーコードを検出して、長波標準電波で規定されているタイムコード情報のフォーマットに基づいた時分などの時刻情報への変換や正否判定、ならびに時刻計時部１０６の時刻修正を行う。

時刻計時部１０６は、時刻修正するとともに、秒・分・時・日・月・年・曜日を計時し、計時した秒・分・時・日・月・年・曜日を時刻表示部１１３に表示する。

エッジ検出部１０７は、受信回路１０２で生成した矩形パルス信号の立ち上がりエッジを検出し、周期測定部１０８と時間差測定部１１０に出力する。

周期測定部１０８は、エッジ検出部１０７で検出した矩形パルス信号の立ち上がりエッジの周期を測定する。

周期判定部１０９は、周期測定部１０８で測定したエッジ周期を測定順に複数個記憶するとともに、各測定した周期と基準周期との時間差の平均値を求め、その平均値で基準周期発生部１１２の基準周期の発生タイミングを修正する。

基準周期発生部１１２は、時間差判定部１１１とビットデータ変換部１０４に、基準周期を出力する。この基準周期の周期は、長波標準電波で送信される１周期６０秒６０ビットの１Hzのビットパルスと同一周期である。

時間差判定部１１１は、前記エッジ検出部１０７が検出したエッジ周期と基準周期との時間差を測定する。

以下、本実施形態の説明で使用する符号の一覧を示す。

ｎ；正の整数であって、積和および連続したパルス検出時の、対象とするパルス番号を表す。

ＴＳ；長波標準電波の送信所で送信している送信信号のパルス周期に相当する所定時間である。

ＴＲｎ；長波標準電波を受信・検波して得られた受信信号のエッジ周期である。

ΔＴＳｎ；所定時間ＴＳとエッジ周期ＴＲｎの時間差である。

ＴＢ；内部基準周期である。

ΔＴＳＢ0；長波標準電波を受信・検波して得られた受信信号のエッジをトリガーとして基準周期を出力するまでの遅延時間である。

ＴＢｎ；内部基準周期ＴＢとエッジ周期ＴＲｎの時間差である。

ＴＤＲ；内部基準周期ＴＢとエッジ周期ＴＲｎの時間差ＴＢｎから求めた、内部基準周期ＴＢの出力タイミングを補正する補正値である。

ΔＴ；内部基準周期ＴＢを補正値ＴＤＲで補正した補正内部基準周期ある。

ΔＴＳＢ；所定時間ＴＳと補正値ＴＤＲで補正した後の内部基準周期ＴＢの時間差（補正誤差）である。

ΣＴＢｎ；ｎ個の時間差ＴＢｎの積和である。

なお、所定時間ＴＳ、内部基準周期ＴＢおよび遅延時間ΔＴＳＢ０は定数、エッジ周期ＴＲｎおよび時間差ＴＢｎが測定値である。

次に本発明を適用した電波修正時計の受信、修正動作について、図２に示したフローチャートを参照して説明する。この受信、修正動作は、電池（図示せず）が装填された状態で、主に受信管理部１０３による管理下で動作する処理である。また、時刻計時部１０６および時刻表示部１１３は、電池が装填された状態で常時動作している。

受信管理部１０３は、受信時刻になるか修正スイッチＳＷが押下されたことを検出するまで受信信号待ち状態で待機する（Ｓ２０１）。ここで、受信時刻とは、予め設定された時刻である。例えば、午前２時、午前５時といった、１日に１個または複数個設定した時刻、または、午前０時を基準にして所定時間毎、例えば３時間毎の時刻でもよい。

受信時刻になるか、修正スイッチＳＷが押下されたことを検出すると、受信回路１０２に長波標準電波の受信開始を指示する（Ｓ２０２）。長波標準電波の受信開始指示を受けた受信回路１０２は、アンテナ１０１で受けた標準電波信号から１KHzの矩形パルスを検波し、エッジ検出部１０７に出力する。

受信回路１０２で検波された矩形パルスは、エッジ検出部１０７によって立ち上がりエッジが検出され、周期測定部１０８および時間差測定部１１０にその立ち上がりエッジのタイミングが出力される（Ｓ２０３）。

なお、本実施形態の基準周期は、図３のタイミングチャートに示したように、立ち上がりエッジ検出時から僅かながら遅延（ΔＴＳＢ０）を生じた場合のものである。

エッジ検出部１０７が検出した立ち上がりエッジタイミングから、周期測定部１０８でエッジ周期ＴＲｎを測定し（Ｓ２０４）、時間差測定部１１０でエッジの発生タイミングと基準周期発生部１１２が発生する基準周期ＴＢとの時間差ΔＴＢｎを測定する（Ｓ２０５）。それぞれの測定結果、つまりエッジ周期ＴＲｎは周期判定部１０９のメモリに、時間差ΔＴＢｎは時間差判定部１１１のメモリに逐次記憶する。

そうして、周期判定部１０９は、エッジ周期ＴＲｎの記憶と共に、そのエッジ周期が長波標準電波の送信所が送信する送信信号の所定時間ＴＳに対し、ある一定の誤差範囲±α内であるエッジ周期ＴＲｎが複数個（ｎ個）連続しているか否かを判定し、この条件を満足すると、時間差判定部１１１に時間差判定要求を出力する（Ｓ２０６）。前記条件とは、例えば、所定時間ＴＳを１秒（1000ms）、誤差範囲αを±62.5msとし、パルスの立ち上がりエッジを1000ms±62.5ms間隔で連続して４個検出することである。なお、ｎは変数であって、この実施形態では１〜４の整数である。

時間差判定要求が時間差判定部１１１に入力されると、周期判定部１０９で判定に使用したｎ個目のエッジ周期ＴＲｎと同一の時期に測定された時間差ΔＴＢｎの時間差判定を実行する（Ｓ２０７）。

ここで、ΔＴＢｎ＝ＴＢ - ＴＲｎ である。

この時間差測定方法（Ｓ２０５）では、パルスの立ち上がりエッジと基準周期ＴＢとの時間差ΔＴＢｎを測定するので、例えば、基準周期ＴＢに対して矩形パルスが遅れ位相の場合（図３においてエッジ周期ＴＲ1、ＴＲ3、ＴＲ4の矩形パルスの場合）の時間差ΔＴＢｎはＴＳに近い大きな値となるが、基準周期ＴＢに対して矩形パルスが進み位相の場合（図３においてエッジ周期ＴＲ2の矩形パルスの場合）の時間差ΔＴＢｎは小さな値になる。そこで本実施形態では、上記各場合を、下記の条件１、条件２によって場合分けし、時間差判定をしている。

時間差判定では、まず、前記時間差ΔＴＢｎが、条件１（０≦ΔＴＢｎ≦２α）を満足するか否かの判定、および条件２（ＴＳ−２α≦ΔＴＢｎ＜ＴＳ）を満足するか否かの判定をし、双方の条件の一致数をそれぞれ、ＣＬ、ＣＵとしてカウントする。

カウントした結果、全てが条件１、２のいずれかを満足し、ＣＬ≠０かつＣ≠０であった場合には、基準周期ＴＢの近傍で受信信号のエッジが検出されていると判定し、時間差補正値ＴＤＲ＝ＣＬ×ＴＳを求める。この状況は、基準周期ＴＢに対し遅れ位相と進み位相の受信信号が混在していることを意味する。このような場合は、単純な時間差ＴＲｎの平均値から基準周期ＴＢの修正値を求めることができないため、その補正値ＴＤＲを求めている。

なお、ＣＬ≠０かつＣＵ≠０でない場合の、時間差補正値ＴＤＲは０である。つまり、基準周期ＴＢに対して、全て遅れ位相、または全て進み位相の場合である。また、条件１と条件２の係数αは、先に説明した所定時間ＴＳの誤差範囲（±65ms）と同じである。

時間差補正値ＴＤＲが求められると、時間差補正値ＴＤＲとｎ個の時間差ΔＴＢｎとで基準周期ＴＢに対する修正時間ＴＢＲ＝（ΣＴＢｎ＋ＴＤＲ）／ｎを求め、時間差補正値ＴＢＲで基準周期ＴＢを補正した周期ΔＴ＝ＴＢ＋ＴＢＲで基準周期発生部１１２の発生タイミングを補正する（Ｓ２０８）。つまり基準周期発生部１１２は、一度、周期ΔＴの周期を刻んだ後に、元の周期である基準周期ＴＢで基準周期の発生を再開し、ビットデータ変換部１０４へ基準周期ＴＢを出力する。

このように本実施形態では、ｎ＝４回分の矩形パルスの立ち上がりエッジと基準周期との差の平均値を求めて基準周期の発生タイミングを補正するので、４回目の矩形パルスの立ち上がりタイミングが大きくずれても、全体として受信した矩形パルスの立ち上がり周期との誤差が少ない基準周期を出力できる。

ビットデータ変換部１０４は、基準周期発生部１１２が発生する基準周期ＴＢを基準にして、つまり、基準周期発生時から、矩形パルスの立ち下がりエッジまでの時間をパルス幅として測定し、パルス幅が500msと800ms近傍の矩形パルスはそれぞれ２進数の“１”と“０”のバイナリーコードとし、200ms近傍の矩形パルスはポジションマーカーとする時刻コードに変換する（Ｓ２０９）。

ビットデータ変換部１０４で変換された時刻コードは時刻情報取得部１０５で解析し、１フレームの始まりである連続した２つのポジションマーカーを検出し、その間のバイナリーコードから長波標準電波で規定されているタイムコード情報のフォーマットに基づいた時や分などの時刻情報へ変換し、ビットパターンとして成立するか否かの判定や、時刻情報として成立するか否かの判定、例えば分なら００〜５９のＢＣＤであるかどうかの判定を行い（Ｓ２１０）、正常と判定される時刻情報が全て揃うまで、時刻情報の取得を繰り返す（Ｓ２１１；Ｎ、Ｓ２０９）。

正常と判定される時刻情報が全て揃ったら、時刻情報取得部１０５は時刻計時部１０６に対して、時刻の修正を行い、受信管理部１０３に時刻情報取得完了通知を出力する（Ｓ２１２）。

受信管理部１０３は、時刻情報取得部１０５から時刻情報取得完了通知を受け取ると、受信回路１０２の受信動作を中止させて長波標準電波による時刻修正動作を完了し、受信開始待ち処理（Ｓ２０１）に戻る。なお、この実施形態は、一定時間を経過しても、例えば２０分経過しても時刻情報取得部１０５から時刻情報取得完了通知を受け取らなかった場合は、長波標準電波受信を無理と判断し、時刻修正動作を強制終了させる機能も有する。

本発明の実施の形態では、所定範囲内のエッジ周期ＴＲｎを連続して検出する回数を４回としたがこの回数に限定されず、３回または５回以上でもよい。誤差範囲を±62.5msとしたが、許容誤差範囲はこれ以上でも未満でもよい。

なお基準周期発生部１１２は、エッジ検出部１０７に対して非同期の構成としたが、エッジ検出部１０７が検出した矩形パルス信号の立ち上がりエッジを基準周期発生タイミングとして基準周期の発生を開始する構成としてもよい。また、初回のみ同期をとる構成としてもよい。

本発明の実施形態である電波修正時計の主要構成部材をブロックで示す図である。 同電波修正時計の主要動作をフローチャートで示す図である。 同電波修正時計のタイミングチャートを示す図である。 従来の電波修正時計のタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１０１ アンテナ
１０２ 受信回路（受信手段）
１０３ 受信管理部
１０４ ビットデータ変換部（パルス幅検出手段）
１０５ 時刻情報取得部
１０６ 時刻計時部
１０７ エッジ検出部
１０８ 周期測定部（周期測定手段）
１０９ 周期判定部
１１０ 時間差測定部（時間差測定手段）
１１１ 時間差判定部（補正手段）
１１２ 基準周期発生部（内部基準周期発生手段）
１１３ 時刻表示部
ＳＷ 修正スイッチ
ＴＢ 基準周期
ＴＲｎ エッジ周期
ΔＴＢｎ 時間差
ＴＳ 所定時間
ＴＢＲ 修正時間
ＴＤＲ 時間差補正値

Claims (3)

1. 所定の基本周期で出力される矩形パルスのパルス幅により規定される情報に基づいた時刻情報を含む電波信号を受信手段で受信し、前記各矩形パルスのパルス幅から時刻情報を検出して時刻修正する時刻情報検出方法であって、
   前記矩形パルスの基本周期と同一周期の内部基準周期を発生し、
   前記受信した矩形パルスの信号周期を測定し、
   前記受信した矩形パルスの立ち上がりエッジと前記基準周期の発生タイミングとの時間差を求め、
   前記測定した信号周期が所定範囲内である矩形パルスを複数回連続して検出したときに、前記時間差の平均値を求め、該平均値に基づいて前記内部基準周期の発生タイミングを補正するものであり、
   前記基準周期に対して前記受信した矩形パルスの位相が進んでいるか遅れているかを判定し、前記複数回の連続検出において前記位相の進みと遅れとが混在したときに前記時間差に補正値を加えて前記平均値を求めることを特徴とする時刻情報検出方法。
2. 所定の基本周期で出力される矩形パルスのパルス幅により規定される情報に基づいた時刻情報を含む電波信号を受信手段で受信し、前記各矩形パルスのパルス幅から時刻情報を検出して時刻修正する時刻情報検出装置であって、
   前記矩形パルスの基本周期と同一周期の内部基準周期を発生する内部基準周期発生手段と、
   前記受信した矩形パルスの信号周期を測定する周期測定手段と、
   前記受信した矩形パルスの立ち上がりエッジと前記基準周期の発生タイミングとの時間差を求める時間差検出手段と、
   前記測定した信号周期が所定範囲内である矩形パルスを複数回連続して検出したときに、前記時間差の平均値を求め、該平均値に基づいて前記内部基準周期の発生タイミングを補正する補正手段とを備え、
   前記補正手段は、前記基準周期に対して前記受信した矩形パルスの位相が進んでいるか遅れているかを判定し、前記複数回の連続検出において前記位相の進みと遅れとが混在したときに前記時間差に補正値を加えて前記平均値を求めることを特徴とする時刻情報検出装置。
3. 請求項２記載の時刻情報検出装置と、前記補正手段により発生タイミングが補正された後の前記内部基準周期を基準にして前記矩形パルスのパルス幅を検出するパルス幅検出手段とを備えた電波修正時計。

Images