JP4713556B2

JP4713556B2 - Ｇｐｓ機器用の非常に精密で温度に依存しない基準周波数を生成するためのシステム及び方法

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Publication number: JP4713556B2
Application number: JP2007229601A
Authority: JP
Inventors: アンドリュー・トザー
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: US20080174374A1; JP2008072709A; US7728684B2

Description

この発明は、温度変化にも関わらず高い安定度の基準周波数を提供する問題に対処するための低電力による管理システムに関する。この発明は、性能の改善及び製品耐用年数の延長のためのクロック精度と他のアプリケーション（例えば、所謂ＧＰＳ支援アプリケーション）と組み合わせる際の使い易さの両方を必要とするＧＰＳ（衛星利用測位システム）機器内に組み込むことを意図している。

より詳しくは、ここに記載する発明は、二連式水晶発振器を組み込んだ、水晶振動子を用いたクロック発振器における温度補償方法に関する。二つの発振器の同期を担当するプロセッサの効率的な使用によって、最小限の電力消費が達成される。

通常ＧＰＳ機器や衛星無線位置測定機器などの極めて精確なクロック精度を必要とする機器に関しては、効果的な温度補償を実現しなければならない。そのために、多くの場合ＴＣＸＯ（温度補償式水晶発振器）が用いられている。しかし、使用可能なＴＣＸＯ機器の費用及び電力消費量は大きい。従って、より安価でより小さい所要電力の高精度なクロックを提供する代替方法に対するニーズが存在する。

相異なる温度係数を有する熱的に連結された二つの水晶振動子を使用する、精確な時間基準を提供する機器が知られている。そのような機器では、温度係数を最小化する形態にカットされた一方の水晶は、通常「基準」発振器として使用される一方、他方の水晶は、温度係数が温度に対して非常に線形的である「温度発振器」として看做される。このようにして、二つの水晶によって生成される周波数の差は、明らかにこれらの水晶に共通の温度を決定するとともに、周知の校正関数にもとづき基準周波数を補正するために使用することができる。

そのような水晶振動子の例は、ＣＤＸＯ（校正式二連水晶発振器）として知られている。そのような機器の魅力は、例えば、「基準」発振器の偏差を二つの振動子間の周波数差の関数として表す高次多項式関数の係数として個々の校正関数をコーディングする形で工場でプログラミングされたメモリを備えていることに有る。

通常温度による周波数偏差の補償は、校正関数と第二の発振器の入力にもとづき「基準」発振器の周波数偏差を測定するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって実行される。そのプロセッサは、この周波数偏差を、数値制御により基準周波数を生成する、例えば、１ｍｓの精確なクロックに対して１ＫＨｚを生成する数値制御発振器（ＮＣＯ）に伝えている。

校正関数は、本来極めて非線形的である。そのため、これらのシステムは、大きな温度範囲に渡ってリアルタイムで非常に精確な補正を必要とする、計算能力が制限されている携帯式ＧＰＳ受信機に組み込むことが難しい。
米国特許第６９３３７８８号明細書米国特許第４３４５２２１号明細書米国特許公開第２００５００７２０５号明細書米国特許第６８３１５２５号明細書国際特許公開第９３／１５５５５号明細書米国特許第６９３３７８８号明細書特開昭５５−１３８６２６号明細書欧州特許公開第１０８７５３０号明細書欧州特許公開第１４７５８８５号明細書欧州特許公開第０２８３５２９号明細書

この発明の課題は、最小限の処理能力消費を実現するとともに、基準発振器の温度に依存する周波数ドリフトの補償を実行することである。

この発明の別の課題は、周波数補償方法の工程を実行する最適なコンピュータプログラムを提供することである。

前記の課題は、基準発振器の温度変化による周波数偏差を補正するために、メモリ手段内に保存された、区分的線形補間法にもとづき見積もられた、温度では無く、専ら周波数と関連する校正関数を使用するアーキテクチャを採用することによって達成される。そのためには、温度に依存する周波数ドリフトを決定する役割を果たすデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の僅かなサイクルしか必要とせず、それにより補正を実行するための処理能力を低減することが可能となる。このことは、低電力で管理するとの特徴を厳密に必要とするＧＰＳ機器にとって非常に有用な特徴である。

この発明は、添付図面により、より良く理解される。

図１では、この発明は、二つの水晶発振器を採用している。

・主基準周波数を供給する第一の基準発振器１４。この基準発振器は、例えば、所望の周波数で共振するようにカットされた水晶振動子である。典型的には、この共振器は、周知の５次の周波数・温度特性と、動作領域で大きく変動する約１５ｐｐｍ／度の温度係数とを示す標準的なＡＴカット式水晶発振器である。

・基準発振器と熱的に連結された第二の温度に敏感な発振器１６。この水晶は、例えば、動作温度領域でほぼ一定な９０ｐｐｍ／度の温度係数を有するＹカット式水晶振動子である。

共振器１４と１６は、同じ機器１０内に収容され、熱的に連結されている。ここで、両方の水晶の温度は同じであると看做すことができる。また、機器１０は、校正関数により、例えば、基準発振器１４の周波数偏差を基準発振器１４と温度に敏感な発振器１６間の周波数差の関数として表す５次多項式の係数によりプログラミングされたメモリエリア１２、例えば、ＥＥＰＲＯＭ又はＲＯＭを有する。これらの校正係数は、製造業者によって機器内に保存される。メモリ１２の内容は、相応のバス１３、例えば、シリアルバスを介して読み出すことが可能である。

任意選択として、メモリエリア１２がユーザーにより書込み可能（例えば、フラッシュメモリ）である場合、例えば、水晶振動子の経年変化に対処するために、ホストシステム４０によって校正係数を更新することができる。このことは、ＧＰＳ時間基準との比較によって、共振器１４と１６の温度校正を精密に検査することができる位置測定機器において有用である。

温度に依存した唸り周波数（その温度に関する特性がメモリ手段１２内に保存されている）を得るために、二つの発振器１４と１６の二つの出力が、周波数比較器８０で比較される。

また、無線位置測定受信機は、デジタルプロセッサ４０と共に周知の無線位置測定機能を実行するＧＰＳのコア部分を有する。ここで記載した例では、同じデジタルプロセッサ４０が、二連式水晶機器１０から精確な周波数基準を得るためにも使用されている。しかし、この発明は、周波数基準が別個のプロセッサ又は専用の回路によって供給される場合も含むものと理解されたい。

基準発振器１４により生成された信号は、出力にクロック信号６５を供給する数値制御発振器６０に対する時間基準として使用される。クロック信号の所望の周波数、典型的にはＧＰＳユニットの場合１ｋＨｚが得られるように、ＤＳＰユニット４０によって供給される増分値６２を設定しなければならない。

クロック信号６５は、二つの発振器１４と１６の周波数間の関係を示す制御信号８５を生成する周波数比較器８０にも適用される。この発明の枠組み内において、周波数比較器８０は、幾つかの形態で動作することができるものと理解されたい。例えば、比較器８０は、発振器１４と１６の周波数差に等しい唸り周波数を抽出するためのミクサーと場合によってはローパスフィルター、並びに１ミリ秒で二つの発振器の唸りを計数するためのカウンタを備えることができる。それに代わって、比較器８０は、クロック信号６５によって決定される時間間隔で温度に敏感な発振器１６の出力を単純に計数して、それからＤＳＰ４０内のソフトウェアにより唸り周波数を導き出すことができる。技術思想を定めるために、制御信号８５は、基準発振器１４と温度に敏感な発振器１６間の唸り周波数を表すものと仮定するが、この発明は、例えば、制御信号が同周波数間の比率を表すような他の変化形態も含むことを理解されたい。

機器１０の考え得る全ての温度に対して精確に所望の周波数を有するクロック信号６５を得るために、ＤＳＰ４０は、制御信号８５にもとづき、前述した通り、メモリ１２からの校正係数を用いて、ＮＣＯ６０に対する増分値６２を周期的及びリアルタイムに計算する。

そのような二連式水晶システムは、非常に精密な分解能を提供する一方、周波数に関連する校正関数だけを採用することが可能である。更に、そのことを非常に高い周期のサンプリング時間で実現するために、デジタルプロセッサ４０は、速く過負荷となる可能性が有る。従って、瞬間的な補正係数を校正多項式の補間として計算することが好ましい。そのために、例えば、ＤＳＰは、制御信号８５の各値に対して補間関数を速く計算するために、制御信号８５の予想される範囲を有限数の区分に分割するとともに、事前に補間テーブルに相応の値を記入している。補間手法は、ニーズに応じて変更することができる。好ましくは、区分的線形補間法が用いられる。

好ましい実施形態では、この発明の低電力での管理方針に準拠するとともに、厳密に低電力特性を特徴とするＧＰＳ機器の要件に適合させるために、ソフトウェアプログラムは、使用するレジスタのサイズに従って整数及び非浮動小数を扱えるように、スケーリング関数を用いて前述した周波数制御方法を実行する。

図２は、ＤＳＰユニット４０によって実行される、この発明の周波数制御方法の工程をフローチャートで図示している。工程１０１では、ＤＳＰは、機器１０のメモリエリア１２から校正係数を取得する。工程１０２は、補間された増分値６２を計算するために必要なテーブルの事前計算に対応する。

この発明の図３にフローチャートを図示した代替実施形態では、補間テーブルを計算するために、追加プロセッサを使用することができる。この場合、追加プロセッサは、シリアル接続リンク又はその他の通信方法を用いてＤＳＰと接続される。そのためには、新しい工程１０１ａと１０２ａの導入が必要であり、工程１０１ａでは、ＤＳＰから追加プロセッサに係数データを渡し、工程１０２ａでは、工程１０２で得た事前計算テーブル用データを追加プロセッサからＤＳＰに渡している。この場合、工程１０２は、ＤＳＰではなく、追加プロセッサによって実行される。

工程１０３で、ＤＳＰは、比較器８０から唸り周波数又は制御信号８５を読み出し、工程１０４で、ＤＳＰ４０は、制御信号８５及び工程１０２で事前計算した値にもとづきＮＣＯ６０用の増分値６２を更新する。工程１０３及び１０４は、所望の時間間隔で、例えば、ＤＳＰ４０の周期的な割込みに応じて繰り返される。

ここで、この発明の例を更に数学的に詳細に考察する。

基準発振器１４から生成される周波数Ｆ_refの偏差の精確な指標を、その公称値から得るために、次の通り、５次多項式を適用する。

Ｃ_nは、ＥＥＰＲＯＭ１２から得られる多項式の校正関数の係数であり、必要であれば適宜調整、拡大／縮小される。ΔＦ_beatは、１秒間に対して正規化された、公称周波数Ｆ_refと標準的な動作温度、例えば、２５°Ｃにおける唸り周波数８５と見込まれる唸り周波数Ｆ_Beat＿_nomとの偏差である。

Ｇａｔｅｍｓは、測定を実施しているｍｓ単位の期間である。

Ｆ_TempCount＿_nomは、公称周波数及び２５°Ｃにおける温度に依存する発振器１６によって生成されるＸ_Temp信号の予測される計数である。Ｆ_RefCount＿_nomは、公称周波数及び２５°Ｃにおける基準発振器１４によって生成されるＸ_Ref信号の予測される計数である。

ＦＸ_Tempは、２５°Ｃでの温度に敏感な発振器のＸ_Temp信号の公称周波数（Ｈｚ）である。Ｆ_offsetは、ＥＥＰＲＯＭ１２のデータから得られるＸ_Temp信号に対する補正用周波数オフセットである。ＧａｔｅＣｏｕｎｔは、測定期間におけるＸ_Ref信号のカウント数である。

ＦＸ_Refは、２５°Ｃでの基準発振器のＸ_Ref信号の公称周波数（Ｈｚ）であるが、項ＦＸ_Ref／１０００は、実際には１ｍｓのクロック信号を得るために適用される係数であることに留意されたい。

ここで、式（３）を書き換えると、次の通りとなる。

Ｆ_Beatに関して、システムが、唸り周波数の計数を測定するように構成されているか、或いはＸ_Tempから計数を測定するように構成されているかに依存して、二つの選択肢が有る。

唸り周波数を計数する場合には、次の通りとなる。

そうではなく、Ｘ_Tempから計数を測定する場合には、次の通りとなる。

ここに示した例では、ＮＣＯは、３９ビットのカウンタと２８ビットの増分レジスタを使用している。しかし、その他の構成も可能であることは明らかである。

ここで、Ｆ_regは、所望の周波数である。

Ｆ_refは、入力周波数である。

Ｉｎｃｒは、増分値である。

整理することによって、次の式が得られる。

初期及びデフォルト設定において、ＮＣＯは、式（１１）を適用することによって１ＫＨｚ信号を生成するように、Ｘ_Ref（Ｘ_Ref＿_nom）の公称周波数から得られる公称値Ｉｎｃｒ_nomを用いてプログラミングされている。

制御ループが動作している場合、システムは、Ｘ_Refに関する周波数誤差を周期的に供給する。Ｘ_Refの周波数ドリフトを補正するように、ＮＣＯ６０を調整しなければならない。このことは、式（１１）を適用することによって行われ、Ｆ_refは、Ｘ_Refの公称周波数に式（１）から得られる周波数変動ΔＦ_refを加えたものとなる。従って、次の式となる。

Ｉｎｃｒの更新値を得るために必要な計算規模を低減するために、ΔＦ_Ref値にもとづきＩｎｃｒ値を拡大・縮小することが可能である。そこで、次の通りとなる。

Ｉｎｃｒ_nomは、公称周波数Ｘ_Refを用いて計算したＩｎｃｒ値である。

Ｓｌｏｐｅ₂₅₆は、Ｘ_Refの変動範囲に渡って予め計算され、２５６倍に拡大されたスロープ係数である。

Ｓｌｏｐｅ₂₅₆は、次の式により計算される。

ここで、Ｉｎｃｒ_Xrefmaxは、Ｘ_ref＿_maxを用いて計算したＩｎｃｒ値である。

Ｉｎｃｒ_Xrefminは、Ｘ_ref＿_minを用いて計算したＩｎｃｒ値である。

Ｘ_ref＿_maxは、Ｘ_refの最大許容周波数である。

Ｘ_ref＿_minは、Ｘ_refの最小許容周波数である。
［付記］
（１）（ａ）基準発振器（１４）と、（ｂ）基準発振器と熱的に連結された温度に敏感な発振器（１６）と、（ｃ）上記の発振器（１４）と（１６）の出力を混合・測定する処理手段（８０）と、（ｄ）発振周波数の温度に関する特性を保存するメモリ手段（１２）と、（ｅ）基準発振器の周波数偏差を計算するデジタルプロセッサ（４０）と、（ｆ）数値制御発振器（６０）と、を備えた、ＧＰＳ機器用の非常に精密で温度に依存しない基準周波数を生成するためのシステムであって、処理手段（８０）によって提供される基準発振器と温度に敏感な発振器の出力を組み合わせることにより、メモリ手段（１２）に特性が保存されている、温度に依存した唸り周波数を生成し、デジタルプロセッサ（４０）が、区分的線形補間法により、メモリ手段（１２）に保存された所定値にもとづき校正関数を適用することによって、処理手段（８０）の出力から基準発振器（１４）の信号Ｘ _ref の温度に依存した周波数偏差を導き出し、数値制御発振器（６０）は、その出力が温度に関して安定するように、デジタルプロセッサ（４０）の出力に依存して、基準発振器（１４）の信号Ｘ _ref を補正する、システム。
（２）ＧＰＳ機器用の非常に精密で温度に依存しない基準周波数を生成するための方法であって：特性が周知である、メモリ手段（１２）内に保存された、温度に依存する唸り周波数Ｂ _T を得るために、基準発振器（１４）と別の温度に敏感な発振器（１６）の出力を混合する工程と；区分的線形補間法により、メモリ手段（１２）内に保存された所定値にもとづき校正関数を適用することによって、唸り周波数Ｂ _T から基準発振器（１４）の信号Ｘ _ref の温度に依存した周波数偏差Ｄ _F(t) を導き出す工程と；温度に関して安定した最終的な出力周波数を得るために、周波数偏差Ｄ _F(t) を加算することによって、基準発振器（１４）の周波数Ｆ（ｔ）を補正する工程と、；で構成される方法。
（３）処理手段（８０）が、ソフトウェア処理のみによって、温度に敏感な発振器（１６）の信号Ｘ _Temp の値から、二つの発振器（１４）と（１６）の唸りを導き出す上記（１）記載のシステム。
（４）上記（２）記載の方法の工程を実行するためのコンピュータプログラム。
（５）使用するレジスタのサイズに依存して整数及び非浮動小数を操作するために、スケーリング関数を使用することを特徴とする上記（２）記載の方法の工程を実行するためのコンピュータプログラム。

この発明による周波数基準を有する無線位置測定機器の模式図この発明による周波数補正方法の例を示すフローチャート図この発明の代替実施形態による追加プロセッサを用いて補間テーブルの計算を実行するフローチャート図

符号の説明

１０二連式水晶機器
１２メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）
１３バス
１４基準発振器
１６温度に敏感な発振器
４０ＤＳＰユニット
６０数値制御発振器（ＮＣＯ）
６２増分値
６５クロック信号
８０周波数比較器
８５制御信号
１０１工程
１０１ａ工程
１０２工程
１０２ａ工程
１０３工程
１０４工程

Claims

（ａ）基準発振器（１４）と、
（ｂ）前記基準発振器と熱的に連結された温度に敏感な発振器（１６）と、
（ｃ）前記基準発振器（１４）と前記温度に敏感な発振器（１６）の周波数間の関係を示す制御信号を生成する処理手段（８０）と、
（ｄ）前記基準発振器の発振周波数の温度に関する特性を保存するメモリ手段（１２）と、
（ｅ）基準発振器の周波数偏差を計算するデジタルプロセッサ（４０）と、
（ｆ）数値制御発振器（６０）と、
を備えた、ＧＰＳ機器用の非常に精密で温度に依存しない基準周波数を生成するためのシステムであって、
前記デジタルプロセッサ（４０）は、（ｘ１）前記基準発振器と前記温度に敏感な発振器の周波数差に等しい唸り周波数と特定動作温度における見込み唸り周波数との偏差と、校正関数と、前記メモリ手段（１２）に保存されている前記校正関数の係数とから計算される前記基準発振器の周波数変動ΔＦrefと、（ｘ２）前記基準発振器の周波数の増分値の公称値Incr_nomと、（ｘ３）前記基準発振器の最大及び最小許容周波数から計算されるスロープ係数とから計算される前記増分値を計算するために必要なテーブルを事前計算し、前記テーブルを事前計算することは、区分的線形補間法を用いて計算することを含み、
前記デジタルプロセッサ（４０）は、前記処理手段（８０）によって提供される前記制御信号から、前記基準発振器と前記温度に敏感な発振器の周波数差に等しい、温度に依存した唸り周波数を得、
前記デジタルプロセッサ（４０）は、前記事前計算したテーブルと、前記得られた唸り周波数とから、前記基準発振器（１４）の信号Ｘ_refの温度に依存した前記増分値を導き出し、
前記数値制御発振器（６０）は、その出力が温度に関して安定するように、前記デジタルプロセッサ（４０）で導き出される前記増分値に基づき、前記基準発振器（１４）の信号Ｘ_refを補正する、
システム。
ＧＰＳ機器用の非常に精密で温度に依存しない基準周波数を生成するための方法であって、
（ａ）基準発振器と温度に敏感な発振器の周波数差に等しい唸り周波数と特定動作温度における見込み唸り周波数との偏差と、校正関数と、メモリ手段（１２）に保存されている前記校正関数の係数とから計算される前記基準発振器の周波数変動ΔＦrefと、（ｂ）前記基準発振器の周波数の増分値の公称値と、（ｃ）前記基準発振器の最大及び最小許容周波数から計算されるスロープ係数とから計算される前記増分値を求めるために必要なテーブルを事前計算する工程と、前記テーブルを事前計算することは、区分的線形補間法を用いて計算することを含み、
温度に依存する唸り周波数Ｂ_Tを得るために、基準発振器（１４）と別の温度に敏感な発振器（１６）の出力を混合する工程と、
前記事前計算したテーブルと、前記得られた唸り周波数Ｂ_Tとから、前記基準発振器の信号Ｘ_refの温度に依存した前記増分値Ｄ_F(t)を導き出す工程と、
温度に関して安定した最終的な出力周波数を得るために、前記増分値Ｄ_F(t) に基づき、前記基準発振器の周波数Ｆ（ｔ）を補正する工程と、
で構成される方法。
前記処理手段（８０）が、ソフトウェア処理のみによって、前記温度に敏感な発振器（１６）の信号Ｘ_Tempの値から、二つの発振器（１４）と（１６）の前記唸り周波数を導き出す請求項１に記載のシステム。
請求項２に記載の方法の工程を実行するためのコンピュータプログラム。
使用するレジスタのサイズに依存して整数及び非浮動小数を操作するために、スケーリング関数を使用することを特徴とする請求項２に記載の方法の工程を実行するためのコンピュータプログラム。