JP4515646B2 - 基準周波数発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて生成される協定世界時（ＵＴＣ）に同期した基準信号を利用する基準周波数発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＰＨＳや携帯電話等の基地局において基地局間の同期をとったり、測定器の校正を行う時の基準となる信号を生成するために、ＧＰＳ（Global Positioning System ）受信機を利用する方法が知られている。
【０００３】
即ち、ＧＰＳ受信機は、一般に、現在位置や移動速度の他に、協定世界時（ＵＴＣ）に高精度で同期した１０ｋＨｚの信号や１秒周期の１ｐｐｓ（Pulse Per Second）と呼ばれるパルス信号を出力するように構成されているため、これを利用するものである。但し、ＧＰＳ受信機が出力するこれらの基準信号（１０ｋＨｚ信号，又は１ｐｐｓ）は、長期安定度は極めて優れているものの、短期安定度は必ずしも十分に満足できるものではなく、突発的に大きな誤差を含んだ信号が出力されることが知られている。
【０００４】
これに対して、例えば、特開平８−５６１５３号公報には、ＧＰＳ受信機から１ｐｐｓが出力される毎に、制御すべき理想的な周波数（例えば１０ｋＨｚ）を有する信号にて１ｐｐｓ（即ち１秒）をカウントした際に得られるべきカウント値（期待値）Ｃと、出力信号となる電圧制御発振器（ＶＣＯ）の出力にて１ｐｐｓの周期を実際にカウントしたカウント値（実測値）Ｃ＋Δとの誤差Δを算出し、この誤差Δの累積加算値から誤差平均値Δａｖを算出し、この誤差平均値Δａｖに基づいてＶＣＯの制御電圧を求めるように構成された発振回路が開示されている。
【０００５】
つまり、ＧＰＳ受信機から出力される長期安定度に優れた基準信号を利用して、ＶＣＯの出力周波数の誤差を検出し、その誤差を縮小するようにＶＣＯを制御することにより高精度な発振周波数を得ると共に、検出した誤差ΔをそのままＶＣＯの制御電圧に反映させるのではなく、過去の検出値を用いて平均化した誤差平均値Δａｖを制御電圧に反映させることにより、突発的な基準信号の変動に基づいて発生する大きな周波数誤差の影響を緩和するようにされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この装置では、１ｐｐｓの周期を測定するためのカウンタクロックとしてＶＣＯの出力を使用しているため、測定の分解能を向上させるには、ＶＣＯの発振周波数を高くしなければならない。また、発振周波数を高精度に制御するには、このＶＣＯとして、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）や温度補償回路付水晶発振器（ＴＣＸＯ）等を用いる必要があり、ＶＣＯの発振周波数を高くすると装置が非常に高価なものとなってしまうという問題があった。
【０００７】
また、基準信号の変動の影響を緩和するために、誤差平均値Δａｖに基づいてＶＣＯの制御電圧を設定しているが、換言すれば、基準信号の変動の影響がＶＣＯの制御電圧に長期間に渡って残ることになり、周波数の制御を高精度に行うことができないという問題もあった。例えば、誤差平均値Δａｖを過去２００個の検出値によって求める場合、突発的に生じた基準信号の変動（誤差）は、平均化することで１／２００に緩和されることになるが、その１／２００に緩和された誤差が、以後、２００回の検出が行われる間、即ち２００秒間に渡って残ってしまうことになり、誤差を含んだ電圧制御が行われてしまうのである。
【０００８】
また、検出された誤差に基づいてＶＣＯが制御されると、その発振周波数が変化し、１ｐｐｓの周期を測定するためのカウンタクロックが、その測定中に変化してしまうことになる。その結果、周波数誤差の検出が正確に行われないため、周波数が収束しにくいという問題もあった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するために、ＧＰＳ受信機が出力する基準信号を使用する基準周波数発生装置において、周波数誤差の測定分解能を安価に向上させることを第１の目的とし、基準信号に突発的に含まれる大きな誤差の影響を受けることなく周波数を高精度に制御可能とすることを第２の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明である請求項１記載の基準周波数発生装置では、ＧＰＳ受信手段が、ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて協定世界時に同期した基準信号を出力し、誤差検出手段が、発振周波数を制御可能な発振手段が生成する出力信号の前記基準信号に対する周波数誤差を繰り返し検出する。
【００１１】
なお、誤差検出手段では、分周手段が、基準信号及び出力信号を分周して、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号を生成し、この分周基準信号及び分周出力信号の周期を、カウント手段が、予め設定されたカウンタクロックを用いてそれぞれカウントし、誤差算出手段が、カウント手段でのカウント値の比に基づいて周波数誤差を求める。
【００１２】
そして、制御手段が、誤差検出手段にて検出された周波数誤差に基づき、その周波数誤差が減少するように発振手段の発振周波数を制御する。
このように、本発明の基準周波数発生装置によれば、周波数誤差を検出するための測定を、周波数の制御対象である出力信号とは別途用意されたカウンタクロックを用いて行っている。従って、検出された周波数誤差に基づいて発振手段の発振周波数が変化したとしても、測定の基準となるカウンタクロックに何等影響を与えることがなく、常に正確な周波数誤差の検出を行うことができ、発振手段の発振周波数、ひいては出力信号の周波数を、高精度に制御でき、しかも速やかに収束させることができる。
【００１３】
また、本発明の基準周波数発生装置では、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号の周期を、カウンタクロックを用いてそれぞれカウントし、そのカウント値の比から周波数誤差を求めるようにされている。
従って、本発明の基準周波数発生装置によれば、カウンタクロックの周波数を高くするか、或いは分周手段での分周比を大きくすることで、発振手段の発振周波数を高くすることなく、周波数誤差の測定における分解能を簡単且つ安価に向上させることができる。
【００１４】
即ち、本発明では、周波数誤差を、カウント値そのものではなく、カウント値の比から求めており、カウンタクロック自身の持つ誤差分はカウント値の比を求める際に相殺されるため、カウンタクロック用の発振器としては高精度なものを用いる必要はないのである。また、カウンタクロックの周波数を高くしなくても、分周手段での分周比を大きくして、カウント対象である分周基準信号及び分周出力信号の周期を長くすれば、測定時間は長くなるものの、カウンタクロックの周波数を高くした場合と同じ効果が得られるのである。
【００１５】
なお、分周手段での分周比は、請求項２記載のように、分周基準信号及び分周出力信号の１周期が１秒を越えるように、即ち一般にＧＰＳ受信機（ＧＰＳ受信手段）が出力する１ｐｐｓの周期より大きくなるように設定することが望ましい。
【００１６】
次に、請求項３記載の基準周波数発生装置では、ＧＰＳ受信手段が、ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて協定世界時に同期した基準信号を出力し、誤差検出手段が、発振周波数を制御可能な発振手段が生成する出力信号の前記基準信号に対する周波数誤差を繰り返し検出する。そして、制御手段が、誤差検出手段にて検出された周波数誤差に基づき、その周波数誤差が減少するように発振手段の発振周波数を制御する。
【００１７】
但し、誤差検出手段にて検出された周波数誤差が、予め設定されたノイズ判定しきい値より大きい場合には、その周波数誤差を表す誤差データをデータ排除手段が排除するようにされている。
従って、本発明の基準周波数発生装置によれば、突発的に生じた基準信号の変動に基づいて検出される大きな周波数誤差は、確実に排除されることになり、発振手段の制御に影響を与えてしまうことがないため、周波数の制御を高精度に行うことができる。
【００１８】
また、請求項３に記載の基準周波数発生装置では、ノイズ判定しきい値は、判定しきい値設定手段が、データ排除手段にて排除されたものを除く過去に検出された所定個の誤差データに基づいて動的に設定する。
つまり、過去の平均的な周波数誤差を考慮することにより、ノイズ判定しきい値を可能な限り低く設定することが可能となり、ノイズ排除能力が向上するため、より安定した制御を行うことができる。
【００１９】
但し、装置の起動直後や周囲温度が変化する等して、回路の状態が安定していない場合、判定しきい値が低すぎると、回路状態の変化を反映した的確な周波数誤差の検出値（制御量）であっても排除されてしまうことになる。
そこで、判定しきい値設定手段は、請求項４記載のように、当該装置の起動後、予め設定された一定時間を経過するまでの間、或いは請求項５記載のように、制御手段にて求められる制御量が予め設定された上限値を上限回数以上連続して越えた場合に、その制御量が上限値以下となるまでの間、ノイズ判定しきい値を予め設定された一定値に固定するようにしてもよい。なお、一定値は、判定しきい値設定手段にて設定される値より充分に大きくする必要がある。
【００２０】
この場合、回路状態の変化に応答性よく追従することができ、出力信号の周波数を速やかに安定させることができる。
ところで、誤差検出手段は、請求項６記載のように、分周手段が、基準信号及び出力信号を分周して、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号を生成し、カウント手段が、分周手段にて生成された分周基準信号及び分周出力信号の周期を、予め設定されたカウンタクロックを用いてそれぞれカウントし、誤差算出手段が、カウント手段でのカウント値の比に基づいて周波数誤差を求めるようにすることが望ましい。
【００２１】
即ち、請求項１記載の構成を組み合わせることで、より一層、周波数を高精度に制御することが可能となる。なお、この構成に、更に請求項２に記載の構成を組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、周波数が１０ＭＨｚの信号を生成する実施形態の基準周波数発生装置の構成を表すブロック図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の基準周波数発生装置１０は、ＧＰＳ衛星から送出された信号を受信するＧＰＳアンテナ１１と、ＧＰＳアンテナ１１からの受信信号に基づいて、協定世界時（ＵＴＣ）に同期した基準信号を含む各種信号を生成して出力するＧＰＳ受信機１２と、１０ＭＨｚ近傍で発振し発振周波数を制御可能な発振手段としての電圧制御発振器（ＶＣＯ）１３と、ＧＰＳ受信機１２が出力する基準信号を分周する分周器１４ａ、及びＶＣＯ１３にて生成される出力信号を分周する分周器１４ｂからなる分周部１４と、分周器１４ａにより生成された分周基準信号の周期をカウンタクロックにてカウントするカウンタ１５ａ、分周器１４ｂにより生成された分周出力信号の周期をカウンタクロックにてカウントするカウンタ１５ｂ、及びカウンタ１５ａ，１５ｂにカウントクロック（本実施形態では約１０ＭＨｚ）を供給する発振器１５ｃからなるカウント部１５と、ＶＣＯ１６の周囲温度を検出する温度センサ１６と、ＧＰＳ受信機１２からの信号、カウント部１５を構成する各カウンタ１５ａ，１５ｂでのカウント値、及び温度センサ１６での検出温度等に基づいて、ＶＣＯ１３を制御するための制御データを生成する演算処理部１７と、演算処理部１７にて生成された制御データを、ＶＣＯ１３を制御するための電圧信号に変換するＤ／Ａコンバータ１８とを備えている。
【００２４】
このうち、ＧＰＳ受信機１２から分周器１４ａに供給される基準信号は、１秒周期を有する１ｐｐｓ（puls per second ）、或いは１０ｋＨｚ信号（いずれも周知）からなり、また、演算処理部１７に対して出力する信号は、受信信号の受信状態を表す状態信号，及び受信信号を復調してなるシリアルデータを少なくとも含んでいる。
【００２５】
ＶＣＯ１３は、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）を中心に構成され、周囲温度の変化によって、制御電圧に対する発振周波数の特性が変化しないようにされている。なお、ＯＣＸＯの代わりに、周囲温度の変化に基づく影響を補償する温度補償回路を付加した水晶発振器（ＴＣＸＯ）等を用いてもよい。
【００２６】
分周部１４を構成する各分周器１４ａ，１４ｂは、分周基準信号及び分周出力信号の周期が所望の長さ（本実施形態では１０秒）となるように分周比が設定されている。具体的には、分周器１４ａでは、基準信号として１ｐｐｓを用いる場合には１０分周、１０ｋＨｚの信号を用いる場合には、１０5 分周するように分周比が設定され、また、分周器１４ｂでは、１０ＭＨｚの出力信号を１０8 分周するように分周比が設定されている。
【００２７】
カウント部１５を構成する各カウンタ１５ａ，１５ｂは、それぞれ対応する信号（分周基準信号，分周出力信号）の１周期が終了する毎、即ち立上がりエッジ（立下がりエッジでも可）が入力される毎に、カウント値をレジスタ（図示せず）に保存して演算処理部１７に対して割込信号を出力すると共に、カウント値をリセットし、直ちに次の周期のカウントを開始するように構成されている。また、発振器１５ｃは、ＶＣＯ１３とは異なり、高精度を必要とせず安価なものが用いられている。
【００２８】
Ｄ／Ａコンバータ１８は、２０ビットのデジタル信号を、０〜５Ｖの電圧信号に変換するように構成されたものであり、１Ｖを２０９７１５段階で表す分解能を有している。
なお、ＶＣＯ１３は、制御電圧を４．０Ｖ〜４．５Ｖの間で変化させると、発振周波数が、９９９９９９４．５４Ｈｚ〜１００００００３．５２Ｈｚの間で変化するものが用いられており、制御電圧に対して１７．９６Ｈｚ／Ｖの感度を有している。つまり、２０ビットで表された制御データの値を１変化させると、ＶＣＯ１３の発振周波数は、８．６×１０-5Ｈｚ変化するように構成されている。
【００２９】
次に、演算処理部１７は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成されており、ＧＰＳ受信機１２の受信状態を監視する監視処理の他、カウント部１５でのカウント値に基づいて、ＶＣＯ１３を制御するための制御データを生成する制御データ生成処理等を実行する。
【００３０】
ここで、演算処理部１７が実行する制御データ生成処理を、図２に示すフローチャートに沿って説明する。
図２に示すように、本処理が起動すると、まずカウント部１５から割込信号が入力されるまで待機し（Ｓ１１０）、割込信号の入力があると、その送出元のカウンタ１５ａ又は１５ｂのカウント値が格納されたレジスタからカウントデータを読み込む（Ｓ１２０）。
【００３１】
両カウンタ１５ａ，１５ｂのカウントデータＴgps，Ｔvcoが取得されているか否かを判断し（Ｓ１３０）、まだ、いずれか一方のカウントデータしか取得していない場合には、Ｓ１１０に戻る。一方、両方のカウントデータが取得されていれば、両カウントデータの比Ｒ（＝Ｔgps／Ｔvco）を算出し、これを周波数に換算することにより、出力信号の推定周波数、即ちＶＣＯ１３の発振周波数を求める（Ｓ１４０）。つまり、出力信号の周波数は、Ｒ＝１であれば１０ＭＨｚであり、Ｒ＞０であれば１０ＭＨｚより小、Ｒ＜０であれば１０ＭＨｚより大となる。
【００３２】
そして、基準信号の周波数に対する推定周波数の周波数誤差を表す誤差データＥを算出し（Ｓ１５０）、当該装置の動作モードの判定（Ｓ１６０）を行う。その結果、動作モードがホールドオーバモード（後述する）であるか否かを判断し（Ｓ１７０）、ホールドオーバモードでなければ、引込み／精密制御処理を実行し（Ｓ１８０）、ホールドオーバモードであれば、ホールドオーバ制御処理を実行して（Ｓ１９０）、Ｓ１１０に戻る。
【００３３】
ここでＳ１６０にて実行される動作モード判定処理の詳細を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
本処理が起動すると、まず、当該装置１０への電源投入後１時間以内であるか否かを判断し（Ｓ２１０）、１時間を越えていれば、今度は、Ｄ／Ａコンバータ１８に現在供給している制御データが、予め設定された上限値以上（本実施形態では８９１２８８）であるか否かを判断し（Ｓ２２０）、上限値以上であれば、更にこの上限値以上の設定が、予め設定された制限回数Ｎ１（本実施形態では１０回）以上続けて検出された否かを判断する（Ｓ２３０）。
【００３４】
そして、現在設定されている制御データが上限値以上であり、且つその状態が制限回数Ｎ１以上続けて検出された場合（Ｓ２３０−ＹＥＳ）、或いは電源投入後１時間以内である場合（Ｓ２１０−ＹＥＳ）には、当該装置１０は不安定な動作状態にあるものとして、動作モードを引込み制御モードに設定して（Ｓ３００）本処理を終了する。
【００３５】
一方、現在設定されている制御データが上限値より小さい（Ｓ２２０−ＮＯ）か、或いは上限値より大きくても、その状態の検出回数が未だ制限回数Ｎ１に達していない（Ｓ２３０−ＮＯ）場合には、当該装置１０は安定した動作状態にあるものとして、今度は、ＧＰＳ受信機１２からの状態信号（１秒毎に得られる）に基づき、衛星信号を受信しているか否かを判断し（Ｓ２４０）、受信していなければ、その受信していない状態が、予め設定された制限回数Ｎ２（本実施形態では１０回，即ち１０秒）以上続けて検出されたか否かを判断する（Ｓ２５０）。
【００３６】
そして、衛星信号を受信しているか（Ｓ２４０−ＹＥＳ）、或いは受信していなくても、その状態の検出回数が未だ制限回数Ｎ２に達していない場合（Ｓ２５０−ＮＯ）には、更にＧＰＳ受信機１２が出力する１ｐｐｓ信号が有効であるか否かを判断し（Ｓ２６０）、有効でなければその状態が、予め設定された制限回数Ｎ３（本実施形態では１０回，即ち１０秒）以上続けて検出されたか否かを判断する（Ｓ２７０）。
【００３７】
そして、１ｐｐｓ信号が有効であるか（Ｓ２６０−ＹＥＳ）、或いは無効であっても、その状態の検出回数が未だ制限回数Ｎ３に達していない場合（Ｓ２７０−ＮＯ）には、検出された誤差データＥに基づいて高精度な周波数制御を行うことが可能であるものとして、動作モードを精密制御モードに設定して（Ｓ２８０）本処理を終了する。なお、１ｐｐｓ信号が有効であるか否かの判定は、例えば、ＧＰＳ受信機１２が出力するシリアルデータの内容を解読し、データに含まれる情報から判断できる。
【００３８】
一方、衛星信号を受信できない状態が、制限回数Ｎ２以上続けて検出された場合（Ｓ２５０−ＹＥＳ）、又は１ｐｐｓ信号が無効である状態が、制限回数Ｎ３以上続けて検出された場合（Ｓ２７０−ＹＥＳ）には、検出された誤差データＥの信頼性が低く、これに基づいて、高精度な周波数制御を行うことができないものとして、動作モードをホールドオーバモードに設定して（Ｓ２９０）本処理を終了する。
【００３９】
なお、動作モードがホールドオーバーモードである場合に実行されるホールドオーバ制御処理（Ｓ１９０）では、温度センサ１６を介してＶＣＯ１３の周囲温度を検出し、予め設定された変換テーブルに従って、検出された周囲温度に対応する制御データを出力する。この処理は、周知のものであり、本発明の主要部分とも関係がないため、これ以上の説明は省略する。
【００４０】
次に、動作モードがホールドオーバモードではない場合に実行される引込み／精密制御処理（Ｓ１８０）の詳細を、図４に示すフローチャートに沿って説明する。
本処理が起動されると、まず動作モードが引込み制御モードであるか否かを判断し（Ｓ３１０）、引込み制御モードであれば、ノイズ判定しきい値ＴＨとして、予め用意された一定値Ｃ（本実施形態では１１６２）を設定する（Ｓ３２０）。なお、一定値Ｃは、引込み制御モードに入った理由（Ｓ２１０−ＹＥＳ／Ｓ２３０−ＹＥＳ）に応じて異なる値を用いてもよい。
【００４１】
一方、動作モードが引込み制御モードではない場合、即ち精密制御モードである場合には、今回の処理で先のＳ１５０にて検出された誤差データをＥ（ｎ）とし、過去に検出された新しい方からｍ個の誤差データＥ（ｎ−１）〜Ｅ（ｎ−ｍ−１）に基づき、その絶対値の平均値ＡＶを算出する（Ｓ３３０）。
【００４２】
そして、算出された平均値ＡＶが非零であるか否かを判断し（Ｓ３４０）、非零であれば、算出された平均値ＡＶに、係数Ｋ（≧１）を乗じたものを、ノイズ判定しきい値ＴＨとして設定する（Ｓ３５０）。また、算出された平均値ＡＶが零であれば、過去にＳ３５０にてノイズ判定しきい値が設定されたことがあれば、Ｓ３５０にて最後に設定されたノイズ判定しきい値を、また、過去にＳ３５０にてノイズ判定しきい値が設定されたことがなければ、予め用意された初期値を、ノイズ判定しきい値ＴＨとして設定する（Ｓ３６０）。
【００４３】
このようにしてノイズ判定しきい値ＴＨが設定（Ｓ３２０又はＳ３５０又はＳ３６０）されると、次に、誤差データＥ（ｎ）の絶対値が、設定されたノイズ判定しきい値ＴＨより小さいか否かを判断し（Ｓ３７０）、ノイズしきい値ＴＨ以上であれば、この誤差データＥ（ｎ）が、制御データの算出や、次回以降のノイズ判定しきい値ＴＨの算出にて使用されることのないように排除して本処理を終了する。
【００４４】
一方、誤差データＥ（ｎ）の絶対値が、設定されたノイズ判定しきい値ＴＨより小さければ、今回の誤差データを含む過去ｐ個の誤差データＥ（ｎ）〜Ｅ（ｎ−ｐ）に基づき、その平均値Ｅavを算出する（Ｓ３８０）。
そして、この平均値Ｅavに、係数Ａ（≦１）を乗じたものを、ループフィルタ（ローパスフィルタ）を通すことで制御データに変換し（Ｓ３９０）、この制御データをＤ／Ａコンバータ１８に出力して（Ｓ４００）、本処理を終了する。
【００４５】
なお、Ｄ／Ａコンバータ１８に供給された制御データは、電圧信号に変換されてＶＣＯ１３に供給され、ＶＣＯ１３の発振周波数、ひいては出力信号の周波数を変化させる。
以上説明したように、本実施形態の基準周波数発生装置１０においては、精密制御モード及び引込み制御モードのいずれの場合にも、｜Ｅ（ｎ）｜＜ＴＨとなる誤差データＥ（ｎ）を用いて制御データを生成しており、特に、精密制御モードでは、ノイズ判定しきい値ＴＨを、過去の誤差データＥ（ｎ−１）〜Ｅ（ｎ−ｍ）を用いて必要最小限の大きさに設定し、一方、引込み制御モードでは、ノイズ判定しきい値ＴＨを、精密制御モードにて設定される値より充分に大きな一定値Ｃに設定するようにされている。
【００４６】
従って、本実施形態の基準周波数発生装置１０によれば、精密制御モードでは、異常な誤差データを排除する能力が最大限に引き出されるため、高精度な周波数制御を安定して行うことができる。また、装置の起動後や周囲温度が変化した場合等、装置の状態が変化していく過程にある時には、比較的大きな誤差データＥ（ｎ）が検出されるが、引込みモードでは、この正当な誤差データＥ（ｎ）を排除してしまうことがなく、周波数の制御を追従性よく行うことができる。
【００４７】
例えば、図５（ａ）は、誤差データの絶対値｜Ｅ｜の時間的な変化を模式的に表した説明図であり、ＧＰＳ受信機１２からの基準信号に突発的な変動が生じると（時点Ｘ）、誤差データの絶対値｜Ｅ｜は、非常に大きなものとなる。
そして、従来装置の場合、制御データは、過去ｐ回の誤差データＥの平均値に基づいて算出されるため、異常な基準信号に基づく誤差データの影響は１／ｐに低減されるものの、少なくとも以後、ｐ回の制御では、この大きな誤差を含んだ制御データが使用され続けるため、その間は、図５（ｂ）中の一点鎖線にて示すように、誤差を含んだ制御データが生成されることになる。しかし、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、このような異常な基準信号に基づく誤差データＥは排除されるため、図中実線にて示すように、その影響を受けることなく、制御データを生成することができ、高精度な制御を実現できる。また、精密制御モードでは、ノイズ判定しきい値ＴＨを必要最小限の大きさに設定することにより、図５（ｂ）の時点Ｙに示すように、誤差データＥが、平均的なものより少しだけはずれているような場合にも、これを確実に排除することができる。
【００４８】
また、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、基準信号を周波数の制御対象である出力信号にてカウントするのではなく、基準信号及び出力信号をそれぞれ分周してなる分周基準信号及び分周出力信号を、ＶＣＯ１３とは別途設けた発振器１５ｃの出力によりカウントし、両カウント値の比Ｒ（＝Ｔgps／Ｔvco）から誤差データＥ（ｎ）、ひいては制御データを求めるようにされている。
【００４９】
従って、本実施形態の基準周波数発生装置１０によれば、検出された誤差データＥ（ｎ）に基づいてＶＣＯ１３の発振周波数が変化したとしても、測定の基準となるカウンタクロックに何等影響を与えることがなく、常に正確な誤差データＥ（ｎ）の検出を行うことができ、ＶＣＯ１３の発振周波数、ひいては出力信号の周波数を、高精度に制御でき、しかも速やかに収束させることができる。
【００５０】
また、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、カウンタクロックの周波数（発振器１５ｃの発振周波数）を高くするか、或いは分周器１４ａ，１４ｂでの分周比を大きくすることで、ＶＣＯ１３の発振周波数を高くすることなく、誤差データＥ（ｎ）の測定における分解能を簡単且つ安価に向上させることができる。
【００５１】
ここで、図６、図７は、制御データの生成に使用される誤差データＥの変化を実測した結果を表すグラフであり、特に図７は、１００００秒，１２０００秒に１回ずつ、及び１３０００秒の付近で３回連続して異常な誤差データＥが発生した場合を表している。また、図６，図７のいずれも、（ａ）が本実施形態の基準周波数発生装置１０、（ｂ）がＶＣＯからの出力信号をカウンタクロックとする従来装置である。
【００５２】
図６からは、検出される誤差データＥの範囲が、従来装置では±０．０２Ｈｚ程度であるのに対し、本実施形態の基準周波数発生装置１０では±０．００５Ｈｚ程度となり、従来装置と比較して、高精度かつ安定した制御が行われることがわかる。また、図７からは、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、異常な誤差データＥが検出されても、これに影響されることなく、高精度な制御が維持されていることがわかる。
【００５３】
なお、本実施形態において、ＧＰＳ受信機１２が受信手段、ＶＣＯ１３が発振手段、分周部１４が分周手段、カウント部１５がカウント手段、Ｓ１４０，Ｓ１５０が誤差算出手段、Ｓ１６０〜Ｓ１９０が制御手段、Ｓ３７０がデータ排除手段、Ｓ３１０〜Ｓ３６０が判定しきい値設定手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態の基準周波数発生装置の構成を表すブロック図である。
【図２】 演算処理部が実行する制御データ生成処理の内容を表すフローチャートである。
【図３】 動作モード判定処理の詳細な内容を表すフローチャートである。
【図４】 引込み／精密制御処理の詳細な内容を表すフローチャートである。
【図５】 ノイズ判定しきい値の効果を表す説明図である。
【図６】 誤差データを測定した結果を表すグラフである。
【図７】 誤差データを測定した結果を表すグラフである。
【符号の説明】
１０…基準周波数発生装置 １１…ＧＰＳアンテナ １２…ＧＰＳ受信機
１３…電圧制御発振器（ＶＣＯ） １４…分周部 １４ａ，１４ｂ…分周器
１５…カウント部 １５ａ，１５ｂ…カウンタ １５ｃ…発振器
１６…温度センサ １７…演算処理部 １８…Ｄ／Ａコンバータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて生成される協定世界時（ＵＴＣ）に同期した基準信号を利用する基準周波数発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＰＨＳや携帯電話等の基地局において基地局間の同期をとったり、測定器の校正を行う時の基準となる信号を生成するために、ＧＰＳ（Global Positioning System ）受信機を利用する方法が知られている。
【０００３】
即ち、ＧＰＳ受信機は、一般に、現在位置や移動速度の他に、協定世界時（ＵＴＣ）に高精度で同期した１０ｋＨｚの信号や１秒周期の１ｐｐｓ（Pulse Per Second）と呼ばれるパルス信号を出力するように構成されているため、これを利用するものである。但し、ＧＰＳ受信機が出力するこれらの基準信号（１０ｋＨｚ信号，又は１ｐｐｓ）は、長期安定度は極めて優れているものの、短期安定度は必ずしも十分に満足できるものではなく、突発的に大きな誤差を含んだ信号が出力されることが知られている。
【０００４】
これに対して、例えば、特開平８−５６１５３号公報には、ＧＰＳ受信機から１ｐｐｓが出力される毎に、制御すべき理想的な周波数（例えば１０ｋＨｚ）を有する信号にて１ｐｐｓ（即ち１秒）をカウントした際に得られるべきカウント値（期待値）Ｃと、出力信号となる電圧制御発振器（ＶＣＯ）の出力にて１ｐｐｓの周期を実際にカウントしたカウント値（実測値）Ｃ＋Δとの誤差Δを算出し、この誤差Δの累積加算値から誤差平均値Δａｖを算出し、この誤差平均値Δａｖに基づいてＶＣＯの制御電圧を求めるように構成された発振回路が開示されている。
【０００５】
つまり、ＧＰＳ受信機から出力される長期安定度に優れた基準信号を利用して、ＶＣＯの出力周波数の誤差を検出し、その誤差を縮小するようにＶＣＯを制御することにより高精度な発振周波数を得ると共に、検出した誤差ΔをそのままＶＣＯの制御電圧に反映させるのではなく、過去の検出値を用いて平均化した誤差平均値Δａｖを制御電圧に反映させることにより、突発的な基準信号の変動に基づいて発生する大きな周波数誤差の影響を緩和するようにされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この装置では、１ｐｐｓの周期を測定するためのカウンタクロックとしてＶＣＯの出力を使用しているため、測定の分解能を向上させるには、ＶＣＯの発振周波数を高くしなければならない。また、発振周波数を高精度に制御するには、このＶＣＯとして、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）や温度補償回路付水晶発振器（ＴＣＸＯ）等を用いる必要があり、ＶＣＯの発振周波数を高くすると装置が非常に高価なものとなってしまうという問題があった。
【０００７】
また、基準信号の変動の影響を緩和するために、誤差平均値Δａｖに基づいてＶＣＯの制御電圧を設定しているが、換言すれば、基準信号の変動の影響がＶＣＯの制御電圧に長期間に渡って残ることになり、周波数の制御を高精度に行うことができないという問題もあった。例えば、誤差平均値Δａｖを過去２００個の検出値によって求める場合、突発的に生じた基準信号の変動（誤差）は、平均化することで１／２００に緩和されることになるが、その１／２００に緩和された誤差が、以後、２００回の検出が行われる間、即ち２００秒間に渡って残ってしまうことになり、誤差を含んだ電圧制御が行われてしまうのである。
【０００８】
また、検出された誤差に基づいてＶＣＯが制御されると、その発振周波数が変化し、１ｐｐｓの周期を測定するためのカウンタクロックが、その測定中に変化してしまうことになる。その結果、周波数誤差の検出が正確に行われないため、周波数が収束しにくいという問題もあった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するために、ＧＰＳ受信機が出力する基準信号を使用する基準周波数発生装置において、周波数誤差の測定分解能を安価に向上させることを第１の目的とし、基準信号に突発的に含まれる大きな誤差の影響を受けることなく周波数を高精度に制御可能とすることを第２の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明である請求項１記載の基準周波数発生装置では、ＧＰＳ受信手段が、ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて協定世界時に同期した基準信号を出力し、誤差検出手段が、発振周波数を制御可能な発振手段が生成する出力信号の前記基準信号に対する周波数誤差を繰り返し検出する。
【００１１】
なお、誤差検出手段では、分周手段が、基準信号及び出力信号を分周して、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号を生成し、この分周基準信号及び分周出力信号の周期を、カウント手段が、予め設定されたカウンタクロックを用いてそれぞれカウントし、誤差算出手段が、カウント手段でのカウント値の比に基づいて周波数誤差を求める。
【００１２】
そして、制御手段が、誤差検出手段にて検出された周波数誤差に基づき、その周波数誤差が減少するように発振手段の発振周波数を制御する。
このように、本発明の基準周波数発生装置によれば、周波数誤差を検出するための測定を、周波数の制御対象である出力信号とは別途用意されたカウンタクロックを用いて行っている。従って、検出された周波数誤差に基づいて発振手段の発振周波数が変化したとしても、測定の基準となるカウンタクロックに何等影響を与えることがなく、常に正確な周波数誤差の検出を行うことができ、発振手段の発振周波数、ひいては出力信号の周波数を、高精度に制御でき、しかも速やかに収束させることができる。
【００１３】
また、本発明の基準周波数発生装置では、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号の周期を、カウンタクロックを用いてそれぞれカウントし、そのカウント値の比から周波数誤差を求めるようにされている。
従って、本発明の基準周波数発生装置によれば、カウンタクロックの周波数を高くするか、或いは分周手段での分周比を大きくすることで、発振手段の発振周波数を高くすることなく、周波数誤差の測定における分解能を簡単且つ安価に向上させることができる。
【００１４】
即ち、本発明では、周波数誤差を、カウント値そのものではなく、カウント値の比から求めており、カウンタクロック自身の持つ誤差分はカウント値の比を求める際に相殺されるため、カウンタクロック用の発振器としては高精度なものを用いる必要はないのである。また、カウンタクロックの周波数を高くしなくても、分周手段での分周比を大きくして、カウント対象である分周基準信号及び分周出力信号の周期を長くすれば、測定時間は長くなるものの、カウンタクロックの周波数を高くした場合と同じ効果が得られるのである。
【００１５】
なお、分周手段での分周比は、請求項２記載のように、分周基準信号及び分周出力信号の１周期が１秒を越えるように、即ち一般にＧＰＳ受信機（ＧＰＳ受信手段）が出力する１ｐｐｓの周期より大きくなるように設定することが望ましい。
【００１６】
次に、請求項３記載の基準周波数発生装置では、ＧＰＳ受信手段が、ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて協定世界時に同期した基準信号を出力し、誤差検出手段が、発振周波数を制御可能な発振手段が生成する出力信号の前記基準信号に対する周波数誤差を繰り返し検出する。そして、制御手段が、誤差検出手段にて検出された周波数誤差に基づき、その周波数誤差が減少するように発振手段の発振周波数を制御する。
【００１７】
但し、誤差検出手段にて検出された周波数誤差が、予め設定されたノイズ判定しきい値より大きい場合には、その周波数誤差を表す誤差データをデータ排除手段が排除するようにされている。
従って、本発明の基準周波数発生装置によれば、突発的に生じた基準信号の変動に基づいて検出される大きな周波数誤差は、確実に排除されることになり、発振手段の制御に影響を与えてしまうことがないため、周波数の制御を高精度に行うことができる。
【００１８】
また、請求項３に記載の基準周波数発生装置では、ノイズ判定しきい値は、判定しきい値設定手段が、データ排除手段にて排除されたものを除く過去に検出された所定個の誤差データに基づいて動的に設定する。
つまり、過去の平均的な周波数誤差を考慮することにより、ノイズ判定しきい値を可能な限り低く設定することが可能となり、ノイズ排除能力が向上するため、より安定した制御を行うことができる。
【００１９】
但し、装置の起動直後や周囲温度が変化する等して、回路の状態が安定していない場合、判定しきい値が低すぎると、回路状態の変化を反映した的確な周波数誤差の検出値（制御量）であっても排除されてしまうことになる。
そこで、判定しきい値設定手段は、請求項４記載のように、当該装置の起動後、予め設定された一定時間を経過するまでの間、或いは請求項５記載のように、制御手段にて求められる制御量が予め設定された上限値を上限回数以上連続して越えた場合に、その制御量が上限値以下となるまでの間、ノイズ判定しきい値を予め設定された一定値に固定するようにしてもよい。なお、一定値は、判定しきい値設定手段にて設定される値より充分に大きくする必要がある。
【００２０】
この場合、回路状態の変化に応答性よく追従することができ、出力信号の周波数を速やかに安定させることができる。
ところで、誤差検出手段は、請求項６記載のように、分周手段が、基準信号及び出力信号を分周して、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号を生成し、カウント手段が、分周手段にて生成された分周基準信号及び分周出力信号の周期を、予め設定されたカウンタクロックを用いてそれぞれカウントし、誤差算出手段が、カウント手段でのカウント値の比に基づいて周波数誤差を求めるようにすることが望ましい。
【００２１】
即ち、請求項１記載の構成を組み合わせることで、より一層、周波数を高精度に制御することが可能となる。なお、この構成に、更に請求項２に記載の構成を組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、周波数が１０ＭＨｚの信号を生成する実施形態の基準周波数発生装置の構成を表すブロック図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の基準周波数発生装置１０は、ＧＰＳ衛星から送出された信号を受信するＧＰＳアンテナ１１と、ＧＰＳアンテナ１１からの受信信号に基づいて、協定世界時（ＵＴＣ）に同期した基準信号を含む各種信号を生成して出力するＧＰＳ受信機１２と、１０ＭＨｚ近傍で発振し発振周波数を制御可能な発振手段としての電圧制御発振器（ＶＣＯ）１３と、ＧＰＳ受信機１２が出力する基準信号を分周する分周器１４ａ、及びＶＣＯ１３にて生成される出力信号を分周する分周器１４ｂからなる分周部１４と、分周器１４ａにより生成された分周基準信号の周期をカウンタクロックにてカウントするカウンタ１５ａ、分周器１４ｂにより生成された分周出力信号の周期をカウンタクロックにてカウントするカウンタ１５ｂ、及びカウンタ１５ａ，１５ｂにカウントクロック（本実施形態では約１０ＭＨｚ）を供給する発振器１５ｃからなるカウント部１５と、ＶＣＯ１６の周囲温度を検出する温度センサ１６と、ＧＰＳ受信機１２からの信号、カウント部１５を構成する各カウンタ１５ａ，１５ｂでのカウント値、及び温度センサ１６での検出温度等に基づいて、ＶＣＯ１３を制御するための制御データを生成する演算処理部１７と、演算処理部１７にて生成された制御データを、ＶＣＯ１３を制御するための電圧信号に変換するＤ／Ａコンバータ１８とを備えている。
【００２４】
このうち、ＧＰＳ受信機１２から分周器１４ａに供給される基準信号は、１秒周期を有する１ｐｐｓ（puls per second ）、或いは１０ｋＨｚ信号（いずれも周知）からなり、また、演算処理部１７に対して出力する信号は、受信信号の受信状態を表す状態信号，及び受信信号を復調してなるシリアルデータを少なくとも含んでいる。
【００２５】
ＶＣＯ１３は、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）を中心に構成され、周囲温度の変化によって、制御電圧に対する発振周波数の特性が変化しないようにされている。なお、ＯＣＸＯの代わりに、周囲温度の変化に基づく影響を補償する温度補償回路を付加した水晶発振器（ＴＣＸＯ）等を用いてもよい。
【００２６】
分周部１４を構成する各分周器１４ａ，１４ｂは、分周基準信号及び分周出力信号の周期が所望の長さ（本実施形態では１０秒）となるように分周比が設定されている。具体的には、分周器１４ａでは、基準信号として１ｐｐｓを用いる場合には１０分周、１０ｋＨｚの信号を用いる場合には、１０5 分周するように分周比が設定され、また、分周器１４ｂでは、１０ＭＨｚの出力信号を１０8 分周するように分周比が設定されている。
【００２７】
カウント部１５を構成する各カウンタ１５ａ，１５ｂは、それぞれ対応する信号（分周基準信号，分周出力信号）の１周期が終了する毎、即ち立上がりエッジ（立下がりエッジでも可）が入力される毎に、カウント値をレジスタ（図示せず）に保存して演算処理部１７に対して割込信号を出力すると共に、カウント値をリセットし、直ちに次の周期のカウントを開始するように構成されている。また、発振器１５ｃは、ＶＣＯ１３とは異なり、高精度を必要とせず安価なものが用いられている。
【００２８】
Ｄ／Ａコンバータ１８は、２０ビットのデジタル信号を、０〜５Ｖの電圧信号に変換するように構成されたものであり、１Ｖを２０９７１５段階で表す分解能を有している。
なお、ＶＣＯ１３は、制御電圧を４．０Ｖ〜４．５Ｖの間で変化させると、発振周波数が、９９９９９９４．５４Ｈｚ〜１００００００３．５２Ｈｚの間で変化するものが用いられており、制御電圧に対して１７．９６Ｈｚ／Ｖの感度を有している。つまり、２０ビットで表された制御データの値を１変化させると、ＶＣＯ１３の発振周波数は、８．６×１０-5Ｈｚ変化するように構成されている。
【００２９】
次に、演算処理部１７は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成されており、ＧＰＳ受信機１２の受信状態を監視する監視処理の他、カウント部１５でのカウント値に基づいて、ＶＣＯ１３を制御するための制御データを生成する制御データ生成処理等を実行する。
【００３０】
ここで、演算処理部１７が実行する制御データ生成処理を、図２に示すフローチャートに沿って説明する。
図２に示すように、本処理が起動すると、まずカウント部１５から割込信号が入力されるまで待機し（Ｓ１１０）、割込信号の入力があると、その送出元のカウンタ１５ａ又は１５ｂのカウント値が格納されたレジスタからカウントデータを読み込む（Ｓ１２０）。
【００３１】
両カウンタ１５ａ，１５ｂのカウントデータＴgps，Ｔvcoが取得されているか否かを判断し（Ｓ１３０）、まだ、いずれか一方のカウントデータしか取得していない場合には、Ｓ１１０に戻る。一方、両方のカウントデータが取得されていれば、両カウントデータの比Ｒ（＝Ｔgps／Ｔvco）を算出し、これを周波数に換算することにより、出力信号の推定周波数、即ちＶＣＯ１３の発振周波数を求める（Ｓ１４０）。つまり、出力信号の周波数は、Ｒ＝１であれば１０ＭＨｚであり、Ｒ＞０であれば１０ＭＨｚより小、Ｒ＜０であれば１０ＭＨｚより大となる。
【００３２】
そして、基準信号の周波数に対する推定周波数の周波数誤差を表す誤差データＥを算出し（Ｓ１５０）、当該装置の動作モードの判定（Ｓ１６０）を行う。その結果、動作モードがホールドオーバモード（後述する）であるか否かを判断し（Ｓ１７０）、ホールドオーバモードでなければ、引込み／精密制御処理を実行し（Ｓ１８０）、ホールドオーバモードであれば、ホールドオーバ制御処理を実行して（Ｓ１９０）、Ｓ１１０に戻る。
【００３３】
ここでＳ１６０にて実行される動作モード判定処理の詳細を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
本処理が起動すると、まず、当該装置１０への電源投入後１時間以内であるか否かを判断し（Ｓ２１０）、１時間を越えていれば、今度は、Ｄ／Ａコンバータ１８に現在供給している制御データが、予め設定された上限値以上（本実施形態では８９１２８８）であるか否かを判断し（Ｓ２２０）、上限値以上であれば、更にこの上限値以上の設定が、予め設定された制限回数Ｎ１（本実施形態では１０回）以上続けて検出された否かを判断する（Ｓ２３０）。
【００３４】
そして、現在設定されている制御データが上限値以上であり、且つその状態が制限回数Ｎ１以上続けて検出された場合（Ｓ２３０−ＹＥＳ）、或いは電源投入後１時間以内である場合（Ｓ２１０−ＹＥＳ）には、当該装置１０は不安定な動作状態にあるものとして、動作モードを引込み制御モードに設定して（Ｓ３００）本処理を終了する。
【００３５】
一方、現在設定されている制御データが上限値より小さい（Ｓ２２０−ＮＯ）か、或いは上限値より大きくても、その状態の検出回数が未だ制限回数Ｎ１に達していない（Ｓ２３０−ＮＯ）場合には、当該装置１０は安定した動作状態にあるものとして、今度は、ＧＰＳ受信機１２からの状態信号（１秒毎に得られる）に基づき、衛星信号を受信しているか否かを判断し（Ｓ２４０）、受信していなければ、その受信していない状態が、予め設定された制限回数Ｎ２（本実施形態では１０回，即ち１０秒）以上続けて検出されたか否かを判断する（Ｓ２５０）。
【００３６】
そして、衛星信号を受信しているか（Ｓ２４０−ＹＥＳ）、或いは受信していなくても、その状態の検出回数が未だ制限回数Ｎ２に達していない場合（Ｓ２５０−ＮＯ）には、更にＧＰＳ受信機１２が出力する１ｐｐｓ信号が有効であるか否かを判断し（Ｓ２６０）、有効でなければその状態が、予め設定された制限回数Ｎ３（本実施形態では１０回，即ち１０秒）以上続けて検出されたか否かを判断する（Ｓ２７０）。
【００３７】
そして、１ｐｐｓ信号が有効であるか（Ｓ２６０−ＹＥＳ）、或いは無効であっても、その状態の検出回数が未だ制限回数Ｎ３に達していない場合（Ｓ２７０−ＮＯ）には、検出された誤差データＥに基づいて高精度な周波数制御を行うことが可能であるものとして、動作モードを精密制御モードに設定して（Ｓ２８０）本処理を終了する。なお、１ｐｐｓ信号が有効であるか否かの判定は、例えば、ＧＰＳ受信機１２が出力するシリアルデータの内容を解読し、データに含まれる情報から判断できる。
【００３８】
一方、衛星信号を受信できない状態が、制限回数Ｎ２以上続けて検出された場合（Ｓ２５０−ＹＥＳ）、又は１ｐｐｓ信号が無効である状態が、制限回数Ｎ３以上続けて検出された場合（Ｓ２７０−ＹＥＳ）には、検出された誤差データＥの信頼性が低く、これに基づいて、高精度な周波数制御を行うことができないものとして、動作モードをホールドオーバモードに設定して（Ｓ２９０）本処理を終了する。
【００３９】
なお、動作モードがホールドオーバーモードである場合に実行されるホールドオーバ制御処理（Ｓ１９０）では、温度センサ１６を介してＶＣＯ１３の周囲温度を検出し、予め設定された変換テーブルに従って、検出された周囲温度に対応する制御データを出力する。この処理は、周知のものであり、本発明の主要部分とも関係がないため、これ以上の説明は省略する。
【００４０】
次に、動作モードがホールドオーバモードではない場合に実行される引込み／精密制御処理（Ｓ１８０）の詳細を、図４に示すフローチャートに沿って説明する。
本処理が起動されると、まず動作モードが引込み制御モードであるか否かを判断し（Ｓ３１０）、引込み制御モードであれば、ノイズ判定しきい値ＴＨとして、予め用意された一定値Ｃ（本実施形態では１１６２）を設定する（Ｓ３２０）。なお、一定値Ｃは、引込み制御モードに入った理由（Ｓ２１０−ＹＥＳ／Ｓ２３０−ＹＥＳ）に応じて異なる値を用いてもよい。
【００４１】
一方、動作モードが引込み制御モードではない場合、即ち精密制御モードである場合には、今回の処理で先のＳ１５０にて検出された誤差データをＥ（ｎ）とし、過去に検出された新しい方からｍ個の誤差データＥ（ｎ−１）〜Ｅ（ｎ−ｍ−１）に基づき、その絶対値の平均値ＡＶを算出する（Ｓ３３０）。
【００４２】
そして、算出された平均値ＡＶが非零であるか否かを判断し（Ｓ３４０）、非零であれば、算出された平均値ＡＶに、係数Ｋ（≧１）を乗じたものを、ノイズ判定しきい値ＴＨとして設定する（Ｓ３５０）。また、算出された平均値ＡＶが零であれば、過去にＳ３５０にてノイズ判定しきい値が設定されたことがあれば、Ｓ３５０にて最後に設定されたノイズ判定しきい値を、また、過去にＳ３５０にてノイズ判定しきい値が設定されたことがなければ、予め用意された初期値を、ノイズ判定しきい値ＴＨとして設定する（Ｓ３６０）。
【００４３】
このようにしてノイズ判定しきい値ＴＨが設定（Ｓ３２０又はＳ３５０又はＳ３６０）されると、次に、誤差データＥ（ｎ）の絶対値が、設定されたノイズ判定しきい値ＴＨより小さいか否かを判断し（Ｓ３７０）、ノイズしきい値ＴＨ以上であれば、この誤差データＥ（ｎ）が、制御データの算出や、次回以降のノイズ判定しきい値ＴＨの算出にて使用されることのないように排除して本処理を終了する。
【００４４】
一方、誤差データＥ（ｎ）の絶対値が、設定されたノイズ判定しきい値ＴＨより小さければ、今回の誤差データを含む過去ｐ個の誤差データＥ（ｎ）〜Ｅ（ｎ−ｐ）に基づき、その平均値Ｅavを算出する（Ｓ３８０）。
そして、この平均値Ｅavに、係数Ａ（≦１）を乗じたものを、ループフィルタ（ローパスフィルタ）を通すことで制御データに変換し（Ｓ３９０）、この制御データをＤ／Ａコンバータ１８に出力して（Ｓ４００）、本処理を終了する。
【００４５】
なお、Ｄ／Ａコンバータ１８に供給された制御データは、電圧信号に変換されてＶＣＯ１３に供給され、ＶＣＯ１３の発振周波数、ひいては出力信号の周波数を変化させる。
以上説明したように、本実施形態の基準周波数発生装置１０においては、精密制御モード及び引込み制御モードのいずれの場合にも、｜Ｅ（ｎ）｜＜ＴＨとなる誤差データＥ（ｎ）を用いて制御データを生成しており、特に、精密制御モードでは、ノイズ判定しきい値ＴＨを、過去の誤差データＥ（ｎ−１）〜Ｅ（ｎ−ｍ）を用いて必要最小限の大きさに設定し、一方、引込み制御モードでは、ノイズ判定しきい値ＴＨを、精密制御モードにて設定される値より充分に大きな一定値Ｃに設定するようにされている。
【００４６】
従って、本実施形態の基準周波数発生装置１０によれば、精密制御モードでは、異常な誤差データを排除する能力が最大限に引き出されるため、高精度な周波数制御を安定して行うことができる。また、装置の起動後や周囲温度が変化した場合等、装置の状態が変化していく過程にある時には、比較的大きな誤差データＥ（ｎ）が検出されるが、引込みモードでは、この正当な誤差データＥ（ｎ）を排除してしまうことがなく、周波数の制御を追従性よく行うことができる。
【００４７】
例えば、図５（ａ）は、誤差データの絶対値｜Ｅ｜の時間的な変化を模式的に表した説明図であり、ＧＰＳ受信機１２からの基準信号に突発的な変動が生じると（時点Ｘ）、誤差データの絶対値｜Ｅ｜は、非常に大きなものとなる。
そして、従来装置の場合、制御データは、過去ｐ回の誤差データＥの平均値に基づいて算出されるため、異常な基準信号に基づく誤差データの影響は１／ｐに低減されるものの、少なくとも以後、ｐ回の制御では、この大きな誤差を含んだ制御データが使用され続けるため、その間は、図５（ｂ）中の一点鎖線にて示すように、誤差を含んだ制御データが生成されることになる。しかし、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、このような異常な基準信号に基づく誤差データＥは排除されるため、図中実線にて示すように、その影響を受けることなく、制御データを生成することができ、高精度な制御を実現できる。また、精密制御モードでは、ノイズ判定しきい値ＴＨを必要最小限の大きさに設定することにより、図５（ｂ）の時点Ｙに示すように、誤差データＥが、平均的なものより少しだけはずれているような場合にも、これを確実に排除することができる。
【００４８】
また、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、基準信号を周波数の制御対象である出力信号にてカウントするのではなく、基準信号及び出力信号をそれぞれ分周してなる分周基準信号及び分周出力信号を、ＶＣＯ１３とは別途設けた発振器１５ｃの出力によりカウントし、両カウント値の比Ｒ（＝Ｔgps／Ｔvco）から誤差データＥ（ｎ）、ひいては制御データを求めるようにされている。
【００４９】
従って、本実施形態の基準周波数発生装置１０によれば、検出された誤差データＥ（ｎ）に基づいてＶＣＯ１３の発振周波数が変化したとしても、測定の基準となるカウンタクロックに何等影響を与えることがなく、常に正確な誤差データＥ（ｎ）の検出を行うことができ、ＶＣＯ１３の発振周波数、ひいては出力信号の周波数を、高精度に制御でき、しかも速やかに収束させることができる。
【００５０】
また、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、カウンタクロックの周波数（発振器１５ｃの発振周波数）を高くするか、或いは分周器１４ａ，１４ｂでの分周比を大きくすることで、ＶＣＯ１３の発振周波数を高くすることなく、誤差データＥ（ｎ）の測定における分解能を簡単且つ安価に向上させることができる。
【００５１】
ここで、図６、図７は、制御データの生成に使用される誤差データＥの変化を実測した結果を表すグラフであり、特に図７は、１００００秒，１２０００秒に１回ずつ、及び１３０００秒の付近で３回連続して異常な誤差データＥが発生した場合を表している。また、図６，図７のいずれも、（ａ）が本実施形態の基準周波数発生装置１０、（ｂ）がＶＣＯからの出力信号をカウンタクロックとする従来装置である。
【００５２】
図６からは、検出される誤差データＥの範囲が、従来装置では±０．０２Ｈｚ程度であるのに対し、本実施形態の基準周波数発生装置１０では±０．００５Ｈｚ程度となり、従来装置と比較して、高精度かつ安定した制御が行われることがわかる。また、図７からは、本実施形態の基準周波数発生装置１０では、異常な誤差データＥが検出されても、これに影響されることなく、高精度な制御が維持されていることがわかる。
【００５３】
なお、本実施形態において、ＧＰＳ受信機１２が受信手段、ＶＣＯ１３が発振手段、分周部１４が分周手段、カウント部１５がカウント手段、Ｓ１４０，Ｓ１５０が誤差算出手段、Ｓ１６０〜Ｓ１９０が制御手段、Ｓ３７０がデータ排除手段、Ｓ３１０〜Ｓ３６０が判定しきい値設定手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態の基準周波数発生装置の構成を表すブロック図である。
【図２】 演算処理部が実行する制御データ生成処理の内容を表すフローチャートである。
【図３】 動作モード判定処理の詳細な内容を表すフローチャートである。
【図４】 引込み／精密制御処理の詳細な内容を表すフローチャートである。
【図５】 ノイズ判定しきい値の効果を表す説明図である。
【図６】 誤差データを測定した結果を表すグラフである。
【図７】 誤差データを測定した結果を表すグラフである。
【符号の説明】
１０…基準周波数発生装置 １１…ＧＰＳアンテナ １２…ＧＰＳ受信機
１３…電圧制御発振器（ＶＣＯ） １４…分周部 １４ａ，１４ｂ…分周器
１５…カウント部 １５ａ，１５ｂ…カウンタ １５ｃ…発振器
１６…温度センサ １７…演算処理部 １８…Ｄ／Ａコンバータ
Claims (6)
- ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて協定世界時に同期した基準信号を出力するＧＰＳ受信手段と、
発振周波数を制御可能な発振手段と、
該発振手段が生成する出力信号の前記基準信号に対する周波数誤差を繰り返し検出する誤差検出手段と、
該誤差検出手段にて検出された周波数誤差に基づき、該周波数誤差が減少するように前記発振手段の発振周波数を制御する制御手段と、
を備えた基準周波数発生装置において、
前記誤差検出手段は、
前記基準信号及び出力信号をそれぞれ分周し、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号を生成する分周手段と、
該分周手段にて生成された前記分周基準信号及び分周出力信号の周期を、予め設定されたカウンタクロックを用いてそれぞれカウントするカウント手段と、
該カウント手段でのカウント値の比に基づいて前記周波数誤差を求める誤差算出手段と、
からなることを特徴とする基準周波数発生装置。 - 前記分周手段は、前記分周基準信号及び分周出力信号の周期が１秒を越えるように分周比が設定されていることを特徴とする請求項１記載の基準周波数発生装置。
- ＧＰＳ衛星からの受信信号に基づいて協定世界時に同期した基準信号を出力するＧＰＳ受信手段と、
発振周波数を制御可能な発振手段と、
該発振手段が生成する出力信号の前記基準信号に対する周波数誤差を繰り返し検出する誤差検出手段と、
該誤差検出手段にて検出された周波数誤差に基づき、該周波数誤差が減少するように前記発振手段の発振周波数を制御する制御手段と、
を備えた基準周波数発生装置において、
前記誤差検出手段にて検出された周波数誤差が、予め設定されたノイズ判定しきい値より大きい場合には、該周波数誤差を表す誤差データを排除するデータ排除手段と、
前記データ排除手段にて排除されたものを除く過去に検出された所定個の誤差データに基づき、前記ノイズ判定しきい値を設定する判定しきい値設定手段と、
を設けたことを特徴とする基準周波数発生装置。 - 前記判定しきい値設定手段は、当該装置の起動後、予め設定された一定時間を経過するまでの間、前記ノイズ判定しきい値を予め設定された一定値に固定することを特徴とする請求項３記載の基準周波数発生装置。
- 前記判定しきい値設定手段は、前記制御手段にて求められる制御量が予め設定された上限値を上限回数以上連続して越えた場合、該制御量が上限値以下となるまでの間、前記ノイズ判定しきい値を、予め設定された一定値に固定することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の基準周波数発生装置。
- 前記誤差検出手段は、
前記基準信号及び出力信号をそれぞれ分周し、周期が同じ長さとなるべき分周基準信号及び分周出力信号を生成する分周手段と、
該分周手段にて生成された前記分周基準信号及び分周出力信号の周期を、予め設定されたカウンタクロックを用いてそれぞれカウントするカウント手段と、
該カウント手段でのカウント値の比に基づいて前記周波数誤差を求める誤差算出手段と、
からなることを特徴とする請求項３ないし請求項５いずれか記載の基準周波数発生装置。
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