JP4718366B2 - 測定装置及び同期方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、時間同期した測定装置に関し、特に、マスタ装置及びスレーブ装置を時間同期させる装置に関する。

プロトコル測定の分野においては、プロトコル・テスタ及びプロトコル・モニタ装置を用いて、プロトコル・メッセージを送受信したり、プロトコル・メッセージの受信のみをしたりしている。伝送期間中に生じる問題に関して所望の結論を導くために、送信及び受信したときに、プロトコル・メッセージにタイム・スタンプを与え、蓄積した。この処理では、異なるスイッチング・ユニットが異なるプロトコル・メッセージに応答するので、異なるスイッチング・ユニットがプロトコル・テスタ又はプロトコル・モニタ装置の異なる測定カード（回路）の場合、タイム・スタンプに関しては問題がなかった。試験時間又は絶対時間の如き時間基準は、プロトコル・テスタ又はプロトコル・モニタ装置内で定義できた。試験時間は、装置の総ての測定カード用の共通時間基準となり、即ち、異なる測定カードが発生したタイム・スタンプを互いに関連するように配置した。これは、総てが同じ時間基準を参照するためである。対応する測定カードが異なる装置、即ち、異なるプロトコル・テスタ又はプロトコル・モニタ装置に設置された際に問題が生じた。そこで、異なるプロトコル・テスタ又はプロトコル・モニタ装置を共通の時間基準に対して同期させる必要がある。

１つのプロトコル・テスタ又はプロトコル・モニタ装置がマスタ装置として動作し、別のプロトコル・テスタ又はプロトコル・モニタ装置がスレーブ装置として動作する。マスタ装置には基準クロック発生装置が設けられ、独立のラインを介してスレーブ装置に基準クロック信号を供給する。マスタ装置及びスレーブ装置の両方には、時間測定装置が設けられ、この時間測定装置は基準クロック信号に対して同期する。これにより、２つの時間測定装置が同期して動作するが、これら２つの時間測定装置を共通時間基準、即ち、共通試験時間又は絶対時間に設定するという問題が残る。通常、マスタ装置及びスレーブ装置は、イーサネット（登録商標）ネットワークの如き通信ネットワークを介して接続される。時間サーバーは、イーサネット（登録商標）ネットワークに接続されるので、マスタ装置及びスレーブ装置は、時間サーバーからの共通時間基準に関する情報を質問する。これに関する問題は、共通時間基準の情報が、時間サーバーから発生される特定の予め合意した信号に関連することである。予め合意した信号がマスタ装置又はスレーブ装置に到達する時は、関連した装置及び時間サーバーの間の距離と、ネットワーク上でのキャパシティ、即ち、通信量で決まる。例えば、１０ＭＨｚ矩形信号を基準クロック信号として用いると、１００ｎｓ（ナノ秒）の分解能を達成できる。しかし、上述の影響により、互いに関連するマスタ装置及びスレーブ装置の時間測定装置の間でｍｓ（ミリ秒）レンジでの偏差が既に生じる。

他の既知の手法では、マスタ装置及びスレーブ装置の両方にＧＰＳ（全地球測位システム）を設け、これらを同期させて時間情報に関する共通時間基準、即ち、ＧＰＳ信号により発生するＵＴＣ（協定世界時）を設定することが考えられる。しかし、この手法は、高価であり、ＧＰＳアンテナにアクセスできない多くの環境では考慮できない。

また、特許文献１は、マスタ装置と１つ以上のスレーブ装置とモニタ装置から成るシステムで、通信開始時にマスタ装置が自局のクロック情報を送信し、スレーブ装置とモニタ装置が受信したクロック情報と自局のクロック情報との差分を算出し、マスタ装置のクロック情報に準拠したタイム・スタンプを生成する試験装置を開示している。しかし、ここでは、マスタ装置及びスレーブ装置間で、共通時間情報が伝送されていない。

特開２００４−１５８９４５公報

そこで、共通時間基準に対してマスタ装置及びスレーブ装置を安価且つ高信頼で同期させる方法が望まれている。

したがって、本発明は、マスタ装置からの基準クロック信号をスレーブ装置に伝送すると共に、共通時間基準に関する情報も伝送する。基準クロック信号は、共通時間基準に関する情報により変調される。この伝送は、マスタ装置及びスレーブ装置を接続するネットワークの通信量と独立している。したがって、マスタ装置及びスレーブ装置の間の伝搬遅延時間は、基本的には一定であるが、マスタ装置及びスレーブ装置間の長い距離を考慮してもよい。マスタ装置からスレーブ装置に基準クロック信号の伝送に使用するラインは、２つの目的に最適の方法で用いられる。変調方法には、振幅変調、パルス幅変調や、符号化方法がある。この符号化方法は、ＮＲＺ（非ゼロ復帰）、マンチェスタ・コードなどの如きデジタル・データ伝送に用いる種類の方法である。代わりに、基準クロック信号と、共通時間基準に関する情報とを、「変調」を利用するマルチタスクにより伝送してもよい。例として、簡単なパルス幅変調は、ロジック「０」に対応するあるパターンをほとんどの時間伝送する。このパターンは、共通時間基準に関する情報ブロックにより、１秒毎のように周期的に割り込まれる。好ましくは、この情報ブロックは、情報ブロック自体が今伝送されていることを示す開始パターンを有し、この情報ブロック自体がそれに続くことを示す。スレーブ装置の時間測定装置を共通時間基準に設定するために、共通時間基準に関する情報の１つと変調信号（変調された信号）との関係を知らなければならない。共通時間基準は、情報ブロック自体の開始に関連してもよい。他のオプションでは、共通時間基準が情報ブロック自体の既知のビット位置（例えば、６４番目のビット又は最終ビット）に関連する。他のオプションでは、共通時間基準が次の情報ブロック内の開始又は既知のビット位置に関連する。

したがって、本発明によれば、共通時間基準に対してマスタ装置及びスレーブ装置を安価且つ高信頼で同期させることができる。

本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添付図を参照した以下の詳細な説明から明らかになろう。

本発明では、時間が特に重要で、マスタ装置からスレーブ装置への情報を基準クロック信号の変調による伝送する。さらに、チェックサムを情報ブロックに追加できる。

上述の如く、本発明による時間同期測定装置の好適実施例において、マスタ装置は、マスタ通信装置であり、スレーブ装置は、スレーブ通信装置であり、測定情報は、テレコミュニケーション・ネットワークのプロトコル・メッセージである。

共通時間基準は、絶対時間でもよく、例えば、年、月、日、時、分、秒などであり、これは、例えば、協定世界時（ＵＴＣ）、中央ヨーロッパ標準時（ＣＥＴ）、ユリウス日付でもよい。しかし、共通時間基準は、システム時間、特に、試験の開始時に始まる試験時間でもよい。簡単な実施例では、２つの３２ビット値をこの目的に用い、一方の値が秒の１の位を計数し、他の値が秒の１０の位を計数する。

マスタ装置及び／又はスレーブ装置内の基準クロック信号に直流成分が存在しても、基準クロック信号は、好ましくは、直流分に影響されずに伝送され、変調された基準クロック信号も直流分に影響されないように変調が行われる。これにより、誘導性素子及び／又は容量性素子を結合に用いる。

マスタ装置及びスレーブ装置の間で一致した信号がシステム時間の開始を定義するように変調を行う。あるビット・パターン、例えば、ロジック「０」を定義するビット・パターンが連続的に伝送されれば、他のビット・パターン、例えば、ロジック「１」を定義するビット・パターンの最初の伝送がシステム時間の開始を決める。このアプローチでは、変調の条件が最小となる。

しかし、変調では、共通時間基準に関連した現在の時間、特に、絶対時間が伝送されるが、エンコードされたフォーマット、例えば、上述した情報ブロック自体において、マスタ装置及びスレーブ装置の間で一致した信号を基準としている。

特に、マスタ装置及びスレーブ装置の間の距離に対して、マスタ装置からスレーブ装置までの変調基準クロック信号（変調された基準クロック信号）の伝搬遅延時間が精度について考慮しなければならないほど長い距離に対して、マスタ装置及びスレーブ装置の間の基準クロック信号の伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間を基準クロック信号の変調に考慮する伝搬遅延時間判定装置が必要かもしれない。好ましくは、伝搬時間判定装置は、基準クロック信号が伝送されるラインに加えて、スレーブ装置からマスタ装置に信号を伝送できる他のラインを具えている。出力ライン及び戻りラインを介して伝搬遅延時間を測定すると共に、この測定値を半分にすることにより、伝搬遅延時間の良好な近似を判定できる。

各々がマスタ装置を有する２つの測定装置が互いに同期すべきであり、変調基準クロック信号の伝送用ラインを提供するのが困難なほど離れている場合、共通時間基準を設定することが依然可能であるので、総てのマスタ装置は、基準クロック・パルス発生装置と、初めは互いに同期していない時間測定装置と、ＧＰＳ受信器とを夫々具えている。よって、各ＧＰＳ受信器は、同期の目的に、対応する基準クロック・パルス発生装置がパルス信号を利用できるように設計されている。このパルス信号は、特に、１秒当たり１つのパルスとなる。また、ＧＰＳ受信器は、絶対時間信号を受け、対応する時間測定装置を設定するために対応する時間測定装置でこの絶対時間信号を利用できるようにも設計されている。この方法で、互いに接続された他のマスタ装置及び各スレーブ装置を互いに同期できる。

好適実施例において、基準クロック信号は、１０ＭＨｚである。また、基準クロック信号は、特に、矩形波信号でもよい。

さらに、好適実施例では、変調基準クロック信号において、ロジック「０」は、７５／２５の衝撃係数（デューティ・サイクル）である基準クロック信号の１周期と、２５／７５デューティ・サイクルである基準クロック信号の１周期と（又は、上述の信号の２倍のシーケンス）により定義する。ロジック「１」は、７５／２５デューティ・サイクルの基準クロック信号の２周期と、２５／７５デューティ・サイクルの基準クロック信号の２周期とにより、更に、２５／７５デューティ・サイクルの基準クロック信号の周期と、７５／２５デューティ・サイクルの基準クロック信号の２周期とにより定義する。「１」の２つの異なるパターンの一致により、基準クロック信号の各クロック・パルス周期の情報ブロックの開始が可能となる。所定の基準クロック信号に対して、この結果は、２倍の高精度となる。これは、例えば、１０ＭＨｚの基準クロック信号のためであり、「０」又は「１」に対応するブロックがなく、２又は４クロック・パルス周期により完了しなければならない。しかし、代わりに、「０」のクロック・パルス周期の後に、「１」に既に変化することが可能である。「１」への所望の切り換え時点にてどの「０」のビット・パターンが利用可能かに応じて、即ち、７５／２５デューティ・サイクルのクロック・サイクル又は２５／７５デューティ・サイクルのクロック・サイクルが利用可能かに応じて、他の「１」信号へのスキップがある。結果として、対称的な発生器のステート・マシンとなる。好適には、時間同期測定システムには数個のスレーブ装置があるので、各スレーブ装置は出力を示すが、この時に、変調された基準クロック信号が他のスレーブ装置で利用可能になる。これにより、いわゆるデイジー・チェーンを設定できる。

本発明による時間同期測定システムと関連して上述した好適実施例は、本発明による方法に適用できる。

図１は、本発明による測定装置の実施例のブロック図である。マスタ装置１０及びスレーブ装置１２は、通信ネットワーク１４に接続される。マスタ装置１０は、第１ライン１６及び第２ライン１８を介して通信ネットワーク１４から情報、特に、測定情報を受ける。スレーブ装置１２は、第３ライン２０及び第４ライン２２を介して通信ネットワーク１４から情報、特に、測定情報を受ける。マスタ装置１０は、基準クロック・パルス発生装置２４を含んでおり、この基準クロック・パルス発生装置２４は、マスタ装置内部に設けられた時間測定装置２６に基準クロック信号ＣＬＫをクロックとして供給する。基準クロック信号ＣＬＫは、好ましくは直流に影響されずに、マスタ装置１０からクロック・ライン２８を介してスレーブ装置１２に伝送される。スレーブ装置１２において、基準クロック信号は、時間測定装置３０に入力する。この基準クロック信号は、スレーブ装置１２の出力端に供給されるが、これは、デイジー・チェーン内の別のスレーブ装置用である。

マスタ装置１０は、試験時間を開始させるか、又は、絶対時間を設定する装置を有する。マスタ装置１０により試験が開始すると、試験時間が自動的に開始する。簡単な実施例では、２つの３２ビット値を試験時間に用いるが、一方が秒の１の位を計数し、他方が秒の１０の位を計数する。代わりに、マスタ装置１０は、ポート３６を介してＧＰＳアンテナに接続されたＧＰＳ受信器３４を具えてもよい。ＧＰＳ受信器３４は、１ｐｐｓ（単位秒値のパルス）信号と、絶対時間信号を受ける。絶対時間は、協定世界時（ＵＴＣ）、中央ヨーロッパ標準時（ＣＥＴ）、ユリウス日付などの年、月、日、時、分、秒などの項目でもよい。マスタ装置１０において、１ｐｐｓ信号を用いて、基準クロック・パルス発生装置２４を同期させる。絶対時間信号を用いて、時間測定装置２６の絶対時間を設定する。代わりに、マスタ装置１０は、第１ライン１６及び第２ライン１８を介して、時間サーバーなどからの共通時間基準に関する信号を受信し、これを用いて時間測定装置２６を設定してもよい。

マスタ装置１０の時間測定装置２６とスレーブ装置１２の時間測定装置３０は、クロック・ライン２８を介して互いに同期している。クロック・ライン２８を介して伝送された基準クロック信号は、後述のように、マスタ装置及びスレーブ装置の共通時間基準用のブロック内で一致した位置を情報ブロックにより変調される。次に、変調された基準クロック信号を用いて、スレーブ装置１２の時間測定装置３０を設定する。変調された基準クロック信号は、好ましくは、直流に影響されないので、結合にインダクタ（誘導性素子）及びコンデンサ（容量性素子）を用いてもよい。

マスタ装置１０及びスレーブ装置１２の間の信号の伝搬遅延時間を求めるために、信号をマスタ装置１０からクロック・ライン２８を介してスレーブ装置に送る。次に、この信号をスレーブ装置１２から戻りライン３８を介してマスタ装置１０に送る。マスタ装置１０から信号を送信するのと、マスタ装置が同じ信号を受信するのとの間の差から、既知の処理時間を考慮することにより、伝搬遅延時間が決まる。この伝搬遅延時間は、基準クロック信号の変調、即ち、補償を配慮している。

図２は、時間経過に伴う基準クロック信号（ａ）の波形を示す。この実施例では、基準クロック信号の周期は、１０ＭＨｚの周波数に対応する１００ｎｓである。変調された基準クロック信号（ｂ）は、予め一致し連続的に送信される「０」を有する。この実施例では、ロジック「０」を発振の４周期で定義し、発振の３番目及び４番目の周期が発振の１番目及び２番目の周期になる。発振の第１周期が７５／２５のデューティ・サイクルを示し、発振の第２周期が２５／７５のデューティ・サイクルを示す。他の変調された基準信号（ｃ）は、まず、発振の４周期で定義されたロジック「１」が変形されており、発振の第１及び第２周期のデューティ・サイクルが７５／２５であり、発振の第３及び第４周期のデューティ・サイクルが２５／７５である。ロジック「１」の次の４周期は、ロジック「０」を示している。さらに、変調された基準信号（ｄ）は、２番目に変形されたロジック「１」を有する。ここでは、ロジック「１」は、発振の４周期を再び有し、この発振の第１及び第２周期のデューティ・サイクルが２５／７５であり、発振の第３及び第４周期のデューティ・サイクルが７５／２５である。ロジック「１」の次の４周期は、ロジック「０」を示しているが、図は３周期のみを示している。

関連した発生器ステート・マシンの状態遷移図を図３に示す。ここでは、発振の１周期の分解能で、０から１への切換を行っている。第１の変調された基準信号（ｂ）を参照する。ロジック「１」にスイッチする信号は、発振の第１周期内に現れ、切換がロジック「１」（ｃ）の第１変形となる。すなわち、「０」の発振の第１周期の後に、デューティ・サイクルが７５／２５の発振の更新された周期は、ロジック「１」への遷移を示す。ロジック「１」に切りかわる信号は、ロジック「０」の第２周期内に開始すれば、ロジック「１」（ｄ）の第２変形への切換が起きる。すなわち、「１」がデューティ・サイクル２５／７５で開始する。ロジック「１」の２つの異なる変形を用いることにより、１０ＭＨｚ信号に対して１００ｎｓ（ナノ秒）の分解能を達成できる。ロジック「１」の単一の変形のみが提供されると、ロジック「０」の発振の第２周期又は第４周期の後に、切換を単に行える。すなわち、分解能が２００ｎｓとなる。なお、図３の各状態を円で表し、円の中の波形が図２の２５／７５又は７５／２５の波形に対応する。さらに説明すれば、状態Ｓ１は、７５／２５デューティ・サイクルの状況であり、状態Ｓ１＊はその反対である。すなわち、＊の付いた状態は、２５／７５デューティ・サイクルを示し、＊のない状態は、７５／２５デューティ・サイクルを示す。状態Ｓ１の後に状態Ｓ１＊が続き、更に状態Ｓ１が続き、これを繰り返している状況は、ロジック「０」であり、図２の（ｂ）に対応する。隣り合うサイクルでデューティ・サイクルが同じで、状態Ｓ１から状態Ｓ３に変化するか、状態Ｓ１＊から状態Ｓ３＊に変化する場合、状態がロジック「１」に変化する。これは、図２の（ｃ）又は（ｄ）に対応する。パターンが２つの同じデューティ・サイクルで連続する、即ち、状態Ｓ１及びＳ３と、状態Ｓ４及びＳ５と、状態Ｓ２及びＳ３などや、状態Ｓ１＊及びＳ３＊と、状態Ｓ４＊及びＳ５＊と、状態Ｓ２＊及びＳ３＊などならば、状態は、ロジック「１」を維持する。しかし、デューティ・サイクルが再び変化し始めると、即ち、状態Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ５に順次変化すると、又は、状態Ｓ５＊、Ｓ６＊、Ｓ７＊、Ｓ８＊、Ｓ５＊に順次変化すると、状態はロジック「０」に戻る。これらは、動作の一例である。

変調は、システム時間の開始を定義する一致信号である。あるビット・パターン、即ち、ロジック「０」を定義するビット・パターンが連続的に伝送されると、他のビット・パターン、即ちロジック「１」を定義するビット・パターンの第１時間変換がシステム時間の開始を決定できる。この特別な機構は、変調条件を最小とする。しかし、変調は、エンコードされたフォーマットでよいので、一致信号は、情報のブロック内である。

図４は、同時にマスタ装置１０又はスレーブ装置１２として使用できる装置の実施例の詳細なブロック図である。マスタ装置１０及びスレーブ装置１２が同一に設定されるので、各スレーブ装置は、マスタ装置の機能を引き継ぐことができる。装置１０，１２がそれに送られる基準クロック信号ＣＬＫを受けると、内部発振器４４が基準クロック信号に同期し、基準クロック信号により伝送される共通時間基準の情報に時間測定装置を設定する。装置１０、１２に基準クロック信号が送られないと、内部発振器４４のクロック・パルスは、出力端３２に接続された他の装置の同期を行う。時間サーバー、ＧＰＳ受信器から、又は、装置１０、１２が設置された試験装置から、インタフェース５５を介して、共通時間基準の情報を受ける。

装置１０、１２は、その入力端に変調された基準クロック信号を受ける。この変調された基準クロック信号は、まず、オプションのフィルタ４０により直流成分が分離される。この直流成分は、装置内で、変調された基準クロック信号に付加されたものであるが、変調された基準クロック信号は、直流に影響されずに伝送される。増幅器４２において、元の矩形が基準クロック信号用に回復される。これは、基準クロック信号が伝送の長さの結果として丸まっているからである。装置１０、１２は、基準クロック信号に同期する発振器４４を有する。増幅器４２の後段で、基準クロック信号は、１０ＭＨｚクロック・パルスの分解能であるクロック回復回路４６に入力する。回復されたクロックは、発振器４４に結合する前に、位相弁別器（ＰＤ）４８、ロウパス・フィルタ５０及び加算器５２に順次入力する。

装置１０、１２は、マスタ装置として機能する場合、共通時間基準の情報は、インタフェース５５を介して、デコード/エンコード回路５４に供給されて、基準クロック信号を変調する（「エンコード」）。変調された基準クロック信号は、増幅器５６で増幅され、出力フィルタ５８を介して利用可能となる。この出力フィルタは、出力端３２から直流を分離する。装置１０、１２がスレーブ装置として作用する場合、デコード/エンコード回路５４は、その入力に供給された基準クロック信号から共通時間基準の情報を回復（「デコード」）し、インタフェース５５を介して、図１に示す内部時間測定装置３０で利用可能となる。オプションのデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）６０は、装置１０、１２のマスタ動作期間中に基準クロック信号の周波数を制御する。

複数の装置１０、１２をデイジー・チェーンの形式で互いに接続できる。このチェーンの第１装置１０、１２は、マスタ装置として動作し、その出力端３２で、変調された基準クロック信号が利用可能となる。このチェーンで後段の装置１０、１２は、スレーブ装置として動作し、変調された基準クロック信号を用いて、それらの内部発振器を同期させ、それらの内部時間測定装置を共通時間基準に設定する。チェーン内の各スレーブ装置１２は、その出力端３２で、変調された基準クロック信号を別のスレーブ装置用に利用可能である。

本発明による測定装置の実施例のブロック図である。 本発明による基準クロック信号の変調の実施例を説明するタイミング図である。 図２に示す基準クロック信号を変調する状態図である。 本発明によるマスタ／スレーブ装置の実施例のブロック図である。

符号の説明

１０ マスタ装置
１２ スレーブ装置
１４ 通信ネットワーク
２４ 基準クロック・パルス発生装置
２６ 時間測定装置
３０ 時間測定装置
３４ ＧＰＳ受信器
４０ フィルタ
４２ 増幅器
４４ 内部発振器
４６ クロック回復回路
４８ 位相弁別器
５０ ロウパス・フィルタ
５２ 加算器
５４ デコード/エンコード回路
５６ 増幅器
５８ 出力フィルタ
６０ デジタル・アナログ変換器

Claims (2)

1. マスタ装置及びスレーブ装置を具え、上記マスタ装置及び上記スレーブ装置の各々が１つの測定情報の送信及び受信の少なくとも一方の関連時間を指定する時間測定装置を有し、上記マスタ装置が基準クロック・パルス発生装置を有し、該基準クロック・パルス発生装置が発生した基準クロック信号を上記スレーブ装置に伝送する形式の時間同期された測定装置であって、
   上記マスタ装置及び上記スレーブ装置用の共通時間基準に関する情報により上記基準クロック信号を変調して、変調された基準クロック信号を発生する手段を更に具え、
   上記変調された基準クロック信号は、第１周期が７５／２５のデューティ・サイクルで第２周期が２５／７５のデューティ・サイクルによりロジックの一方が定義され、また、２５／７５のデューティ・サイクルの２周期の後に７５／２５のデューティ・サイクルの２周期が続くか、又は７５／２５のデューティ・サイクルの２周期の後に２５／７５のデューティ・サイクルの２周期が続くことによりロジックの他方が定義され、
   上記ロジックの一方から上記ロジックの他方への切換によりシステム時間を定義することを特徴とする測定装置。
2. マスタ装置及びスレーブ装置の各々が測定情報の送信及び受信の少なくとも一方の関連時間を指定する時間測定装置を有し、上記マスタ装置が上記スレーブ装置に伝送する基準クロック信号を発生する基準クロック・パルス発生器を更に有し、上記マスタ装置及び上記スレーブ装置を時間同期させる方法であって、
   上記マスタ装置及び上記スレーブ装置用の共通時間基準に関する情報により上記基準クロック信号を変調するステップを具え、
   上記変調された基準クロック信号は、第１周期が７５／２５のデューティ・サイクルで第２周期が２５／７５のデューティ・サイクルによりロジックの一方が定義され、また、２５／７５のデューティ・サイクルの２周期の後に７５／２５のデューティ・サイクルの２周期が続くか、又は７５／２５のデューティ・サイクルの２周期の後に２５／７５のデューティ・サイクルの２周期が続くことによりロジックの他方が定義され、
   上記ロジックの一方から上記ロジックの他方への切換によりシステム時間を定義することを特徴とする同期方法。

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