JP4882561B2 - 受信回路および電波修正時計 - Google Patents
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Description
この特許文献2に記載の受信回路(RF受信部)を構成する比較器は、受信信号の電圧が、基準電圧よりも高い場合にはHレベル(ハイレベル)の信号を出力し、基準電圧よりも低い場合にはLレベル(ローレベル)の信号を出力する。これにより、長波標準電波に係る信号を復調することができる。
すなわち、特許文献1に記載の受信回路では、水晶フィルタを介することで、当該水晶フィルタの発振周波数の信号を受信信号から抽出するが、抽出された信号には、当該水晶フィルタの発振周波数以外の信号も抽出されてしまうという場合がある。このような場合に対して、コンデンサ等の並列容量を水晶フィルタと並列に配置して、高周波ノイズをキャンセルする構成が考えられる。しかしながら、受信する長波標準電波の周波数に応じた水晶フィルタと、当該水晶フィルタに応じた並列容量が互いに並列配置されていない場合には、高周波数ノイズのキャンセル効果が十分でなく、当該ノイズが抽出信号に含まれてしまうという問題がある。
すなわち、比較器に入力する受信信号に他の高周波成分に由来するノイズが含まれると、当該受信信号のピーク時(高電圧時)およびボトム時(低電圧時)の電圧値が揺動する。ここで、基準電圧が、当該ピーク時およびボトム時の中間値に設定されている場合には、当該受信信号がノイズの影響により基準電圧を下回ったり上回ったりする頻度が低くなるので、二値化された信号の誤り率は小さくなる。しかしながら、基準電圧が、受信信号のトップ時およびボトム時の中間値よりも一方側に偏って設定されている場合には、ノイズの影響を受けて、本来の標準電波に係る信号とは異なる二値化信号が出力されてしまう。このような場合、適切に標準電波を復調できないという問題がある。
例えば、ピーク時の電圧を100%とした場合、日本の長波標準電波に係るTCO信号では、ボトム時の電圧は10%に設定されているが、ドイツの標準電波に係るTCO信号では、ボトム時の電圧は25%に設定されている。このため、日本の長波標準電波に合わせて基準電圧が設定された受信回路を用いた場合、ドイツの長波標準電波を受信すると、ボトム時の電圧を適切に検出することができず、当該長波標準電波を適切に復調することができないという問題が生じてしまう。
また、基準電圧切替部が出力可能な各基準電圧の電圧値を予め測定し、当該電圧値に基づいて、受信対象の標準電波ごとに基準電圧を設定しておき、受信対象の標準電波に応じた基準電圧を基準電圧切替部が出力するように、制御手段が制御信号を出力することにより、当該基準電圧切替部が、受信対象の標準電波に適した基準電圧を確実に出力することができる。従って、標準電波の復調の精度を向上することができる。
また、制御手段と受信手段とが、シリアル通信線により接続されているので、これら制御手段と受信手段との通信接続に要する通信線のうちのデータ線数を削減することができ、受信回路の構成を簡略化することができる。また、制御手段が、制御信号をシリアル通信により出力することにより、通信速度の高速化および信号誤りの抑制を一層図ることができる。従って、基準電圧出力の応答性および信頼性を一層向上することができる。
本発明によれば、前述の受信回路と同様の効果を奏することができる。
すなわち、受信回路を構成する基準電圧切替部が、制御手段から入力する制御信号に基づいて、受信手段による受信対象の標準電波に応じた基準電圧を比較器に出力するので、当該受信対象の標準電波に係る受信信号と、基準電圧との二値化を適切に行うことができる。従って、前述の場合と同様に、標準電波の復調を適切に行うことができ、内部時刻情報を適切に修正することができる。
(1)時計1の構成
図1は、本実施形態に係る時計1の構成を示すブロック図である。
本実施形態の時計1は、長波標準電波(以下、単に「標準電波」と略す場合がある)を受信して、当該標準電波に含まれるTCO(Time Code Out)信号を復調し、当該TCO信号に基づいて内部時刻情報を修正する電波修正時計である。この時計1は、図1に示すように、アンテナ2と、受信手段3と、制御手段4と、外部入力手段5と、時刻表示手段6と、電源供給手段7とを備えて構成されている。
また、時刻表示手段6は、時刻を表示するためのものであり、時刻をデジタル液晶パネルや有機EL(ElectroLuminescence)パネル等を例示することができるほか、アナログ表示する場合には、指針等を例示することができる。
さらに、電源供給手段7は、受信手段3、制御手段4および時刻表示手段6に電力を供給するものであり、電池等を例示することができる。
受信手段3は、アンテナ2および制御手段4に接続され、当該制御手段4から入力する制御信号に基づいて、アンテナ2で選択受信した標準電波を、増幅、整流およびろ波してTCO信号を復調し、当該TCO信号を制御手段4に出力する。この受信手段3は、同調回路31と、第1増幅回路32と、バンドパスフィルタ(Band-pass filter,以下、「BPF」と略す場合がある)33と、第2増幅回路34と、包絡線検波回路35と、AGC(Auto Gain Control)回路36と、復調回路37と、デコード回路38とを備えて構成されている。
同調回路31は、本発明の同調部に相当し、アンテナ2ととともに並列共振回路を構成し、特定の周波数の電波をアンテナ2で受信させるものである。この同調回路31は、図2に示すように、それぞれ異なる容量を有する3つのコンデンサC1〜C3と、2つのスイッチを有する周波数切替部311とを備えて構成されている。
このうち、周波数切替部311は、後述するデコード回路38から入力する信号に基づいて、2つのスイッチのオン/オフ状態を切り替えることで、3つのコンデンサC1〜C3の全体のコンデンサ容量を切り替える。これにより、アンテナ2で受信する標準電波の周波数が切り替わる。そして、受信された標準電波は、電圧信号に変換され、第1増幅回路32に出力される。
なお、同調回路31は、本実施形態においては、3つのコンデンサC1〜C3と、2つのスイッチを備えた周波数切替部311とを備えて構成されているが、コンデンサおよびスイッチの数は、これ以上でもよい。すなわち、複数のスイッチで複数のコンデンサを切り替えることにより、アンテナ2の同調周波数を受信する標準電波の周波数に切り替えるように構成してもよい。
3つの水晶フィルタXT1〜3は、それぞれ40kHz、60kHz、77.5kHzの周波数の信号をろ波する。すなわち、各水晶フィルタXT1〜XT3は、それぞれ発振周波数が、40kHz、60kHzおよび77.5kHzに設定されている。これら水晶フィルタXTは、図3に示すように、コイルL、容量CA及び抵抗Rが接続された直列回路と、等価並列容量CBとから構成された等価回路で構成されている。
図2に戻り、フィルタ切替部331は、後述するデコード回路38から入力する信号に基づいて、各スイッチを切り替えることにより、第1増幅回路32の正相出力端子から出力された信号が導通する水晶フィルタXTを切り替えて、受信信号から抽出する信号の周波数を設定する。
並列容量切替部332は、後述するデコード回路38から入力する信号に基づいて、各スイッチを切り替えることにより、第1増幅回路32の逆相出力端子から出力された信号が導通する並列容量CC1〜CC4を切り替える。
各水晶フィルタXTを構成する等価並列容量CBは、各水晶フィルタXTで固有のものであり、第1増幅回路32を通過した高周波成分のノイズを透過させる原因になっている。このような高周波成分は、標準電波の復調誤りを誘発するので、除去する必要がある。このため、当該高周波ノイズをキャンセルする並列容量CC1〜CC4が、水晶フィルタXTに並列接続されている。しかしながら、第1増幅回路32を通過した受信信号が導通する並列容量が、受信対象の標準電波と同じ周波数の水晶フィルタに対応する並列容量でない場合には、当該並列容量による高周波ノイズのキャンセル効果が十分でなく、BPF33を透過した受信信号に高周波ノイズが依然として残ってしまう。
AGC回路36は、包絡線検波回路35から入力した包絡線信号に基づいて、第1増幅回路32にて受信信号を増幅する際のゲインを決定する信号を出力する。
コンパレータ371は、本発明の比較部に相当し、当該コンパレータ371の2つの入力端子のうち、一方の入力端子は、包絡線検波回路35に接続され、他方の入力端子は、基準電圧切替部372に接続されている。そして、コンパレータ371は、包絡線検波回路35から入力する包絡線信号、および、基準電圧切替部372から入力する基準電圧とから二値化した二値化信号、すなわち、TCO信号を出力する。
なお、これら動作は、必ずしも同時に行う必要はなく、受信手段3による受信対象の標準電波の受信に際して、それぞれが確実に実行されればよい。
制御手段4は、受信手段3を制御するとともに、当該受信手段3から出力されるTCO信号に基づいて、内部時刻情報を修正して、修正した時刻を時刻表示手段6に表示させるものである。すなわち、本発明の受信回路は、アンテナ2と、受信手段3と、制御手段4とが組み合わされたものである。
このような制御手段4は、図1に示すように、発振部41、分周部42、タイムコードデコード部43と、制御部44と、時刻表示駆動部45と、記憶部46とを備えて構成されている。
このうち、発振部41は、所定周波数の信号を生成し、分周部42は、生成された信号に基づいて動作信号を生成する。すなわち、発振部41および分周部42は、所定周波数の信号を生成出力する動作クロックとして構成されている。
図4は、日本の標準電波「JJY」(40kHz)のタイムコードフォーマットを示す図である。
日本の標準電波「JJY」では、図4に示すように、1秒ごとに1つの信号が送信され、60秒で1レコードとして構成されている。すなわち、1フレームが60ビットのデータである。また、データ項目として「分」、「時」の時刻情報と、現在年の1月1日からの通算日、年(西暦下2桁)および曜日等の日付情報とが含まれている。これら各項目の値は、各秒ごとに割り当てられた数値の組合せによって構成され、この組合せのオン、オフが信号の種類から判断される。
日本の標準電波「JJY」には、図5に示すように、「1」、「0」および「P」を示す信号が含まれている。これら信号の種類は、各信号の振幅変調時間の長短を判断することにより認識される。
具体的に、「1」を示す信号である場合には、信号の立ち上がりから0.5秒間ハイレベルの電圧が継続し、この後、0.5秒間ローレベルの電圧が継続する。また、「0」を示す信号である場合には、信号の立ち上がりから0.8秒間ハイレベルの電圧が継続し、この後、0.2秒間ローレベルの電圧(ハイレベルの電圧を100%とした時の10%の電圧)が継続する。さらに、「P」を示す信号である場合には、0.2秒間ハイレベルの電圧が継続し、この後、0.8秒間ローレベルの電圧が継続する。このような振幅変調時間を判断することにより、入力した信号が「1」、「0」および「P」の信号のうちいずれかであるかを判断できる。
例えば、標準電波として、「分」に該当する8秒間に、「1」、「0」、「1」、「0」、「0」、「1」、「1」、「1」と信号が送信されている場合には、現在時刻の分が「40+10+4+2+1=57」分であることを示している。
なお、長波標準電波は、セシウム原子時計を基準としているため、この長波標準電波を受信して時刻を修正する電波修正時計は、誤差が10万年に1秒という非常に高い精度を得ることができる。
また、この制御部44は、シリアル通信線SLを介して接続された受信手段3を制御する制御信号を、シリアル通信により出力する。この制御部44により受信手段3のデコード部38に出力される制御信号は、後に詳述するが、記憶部46に記憶された切替状態情報に基づく内容の制御信号である。
記憶部46は、本発明の記憶手段に相当し、制御手段4による受信手段3の制御等に必要な各種データやプログラム等を記憶している。この記憶部46は、RAM(Random Access Memory)と、不揮発性メモリ、例えば、EEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)とで構成されている。このうち、RAMには、現在時刻および現在日付等を記憶している。
例えば、日本の標準電波「JJY40」(日本の40kHzの標準電波)に対しては、データ1という切替状態情報が設定されている。このデータ1には、コンデンサC1、水晶フィルタXT1、並列容量CC1および基準電圧VREF2を選択させる情報が設定されている。また、イギリスの標準電波「MSF」に対しては、データ3という切替状態情報が設定されている。このデータ3には、コンデンサC2、水晶フィルタXT2、並列容量CC2および基準電圧VREF4を選択させる情報が設定されている。
なお、図6においては、各データの設定状態を分かりやすくするために、具体的な各部名称および符号を用いて記載したが、実際は、各データはコード化されており、当該データが入力するデコード回路38によりデコードされる。
図7は、ある標準電波の元の波形から基準電圧に応じて二値化された二値化信号を示す図である。具体的に、図7(A)は、二値化信号に係る元の波形を示し、図7(B)は、図7(A)の包絡線検波後の波形であり、図7(C)〜(E)は、図7(B)の信号と、基準電圧VREF−A,VREF−B,VREF−Cのそれぞれとによって二値化された二値化信号の波形である。
図7(A)に示すようなTCO信号が含まれた標準電波を受信し、前述の受信手段3で包絡線検波を行った場合、図7(B)に示す波形のように、標準電波に含まれる搬送波成分等の高周波ノイズの影響により、正確にTCO信号を復調することはできない。このため、復調回路37により、包絡線検波後の信号と、基準電圧とを比較して二値化するが、当該包絡線検波後の信号と、図7(B)に破線で示した電圧を有する基準電圧VREF−A、すなわち、包絡線検波後の信号におけるピーク時とボトム時との中間より高い電圧を有する基準電圧VREF−Aとを比較して二値化された二値化信号には、図7(C)中矢印で示すように、図7(A)で示した元の波形と一致しない箇所が現れる。
これに対し、包絡線検波後の信号と、図7(B)に一点鎖線で示した電圧を有する基準電圧VREF−C、すなわち、包絡線検波後の信号におけるピーク時とボトム時との中間の電圧を有する基準電圧VREF−Cとを比較して二値化された二値化信号の波形は、図7(E)に示すように、図5(A)で示した元の波形と略一致するか、あるいは、一致しない場合でも、前述の基準電圧VREF−A,VREF−Bの場合よりも誤り発生率を低くすることができる。
しかしながら、ある標準電波に適するように基準電圧を設定した場合でも、当該設定された基準電圧は、他の標準電波の復調に際しては適当ではない。
これは、各標準電波のそれぞれで、TCO信号におけるピーク時の電圧と、ボトム時の電圧との差が異なるためである。
このため、各標準信号を受信して復調する際に、復調回路37の基準電圧切替部372が、それぞれ同じ電圧の基準電圧をコンパレータ371に出力してしまうと、前述の場合と同様に、搬送波成分等のノイズによって、適切にTCO信号を取得することができなくなる可能性がある。
具体的に、図7で示した標準電波よりピーク時電圧とボトム時電圧との差が小さい図10に示すような標準電波の包絡線検波後の信号と、図7で示した標準電波に対して設定された基準電圧VREF−Cとを比較して二値化すると、二値化信号には、図10(C)中矢印で示すように、図10(A)で示した元の波形と一致しない箇所が現れる。
一方、当該標準電波のピーク時電圧およびボトム時電圧の中間値となるように設定された基準電圧VREF−Dと、包絡線検波後の信号とを比較して二値化すると、図10(E)に示すように、他の基準電圧VREF−B,VREF−Cを用いた場合に比べ、二値化信号の誤りを少なくすることができる。
このように、各標準電波を適切に復調するためには、当該各標準電波に応じて基準電圧を設定する必要がある。
これらデータ1〜データ5を参照して、制御部44がシリアル通信線SLを介して受信手段3のデコード回路38に制御信号を出力することにより、基準電圧切替部372が、受信対象の標準電波に応じた基準電圧を出力して、当該基準電圧の復調を適切に行うことができる。
次に、標準電波受信時において時計1にて実行される標準電波受信時処理について説明する。
図11は、標準電波受信時処理の処理フローを示す図である。
標準電波を受信する際には、制御手段4の制御部44が、記憶部46から受信対象の標準電波のデータを読み込み、当該データを受信手段3に制御信号として出力することによって、当該制御信号に基づく受信手段3の同調回路31、BPF32および復調回路37による各切替動作が実行され、受信対象の標準電波が受信される。
具体的に、標準電波受信時処理においては、図11に示すように、まず、制御手段4の制御部44により、受信対象の標準電波が選択される(受信電波選択ステップS01)。このステップS01においては、制御部44は、記憶部46のEEPROMに記憶された切替状態情報の設定順に、受信対象の標準電波を選択する。ここでは、制御部44は、最初に日本の40kHzの標準電波「JJY40」を選択する。
一方、受信対象の標準電波が「JJY40」でないと判断した場合、制御部44は、受信対象の標準電波が、日本の60kHzの標準電波「JJY60」であるか否かを判定する(受信電波判定ステップS04)。ここで、受信対象の標準電波が「JJY60」であると判断した場合には、制御部44は、同様にデータ2を読み込む(切替状態情報取得ステップS05)。この後、制御部44は、ステップS12に移行する。
さらに、制御部44は、受信対象の標準電波が「MSF」でないと判断した場合には、ドイツの標準電波「DCF77」であるか否かを判定する(受信電波判定ステップS08)。ここで、「DCF77」であると判断した場合には、制御部44は、同様にデータ4を読み込み(切替状態情報取得ステップS09)、ステップS12に移行する。
一方、制御部44が、アメリカの標準電波「WWVB」でないと判断した場合には、受信できない標準電波が受信対象に設定されたと判断して、処理を終了する。
この切替状態情報としてのデータが入力したデコード回路38は、入力したデータをデコードし、当該デコードされた切替状態情報に基づいて、BPF33のフィルタ切替部331および並列容量切替部332、同調回路31の周波数切替部311、並びに、復調回路37の基準電圧切替部に、それぞれの切替状態を示す信号を出力する(切替状態情報デコードステップS13)。
また同様に、BPF33の並列容量切替部332は、デコード回路38からの信号が示す並列容量CCに、受信信号が導通するように、各並列容量CC1〜CC4に接続された各スイッチのオン/オフ状態を切り替える(並列容量切替ステップS15)。
さらに、これらステップS14〜S16と同時に、復調回路37の基準電圧切替部372が、デコード回路38から入力する信号に応じて各スイッチSW1〜SW4のオン/オフ状態を切り替えて、コンパレータ371に出力する基準電圧VREFを切り替える(基準電圧切替ステップS17)。これにより、記憶部46に記憶され、受信対象の標準電波に応じた基準電圧VREFが、コンパレータ371の一方の入力端子に出力される。
このようにして、受信する標準電波の種類に対応して、BPF33の水晶フィルタXTおよび並列容量CC、同調周波数、並びに、基準電圧VREFが、それぞれ連動して切り替えられる。
以上により、標準電波受信時処理が終了する。
以上のような本実施形態の時計1によれば、以下の効果を奏することができる。
制御手段4の制御部44から入力する制御信号に応じて、BPF33のフィルタ切替部331および並列容量切替部332が、水晶フィルタXTおよび並列容量CCを切り替える。この際、制御部44は、受信対象の標準電波の特性に応じて、水晶フィルタXTおよび並列容量CCを切り替える制御信号を出力し、当該制御信号に応じた水晶フィルタXTおよび並列容量CCとなるように、フィルタ切替部331および並列容量切替部332が切替動作を実行する。これによれば、受信対象の標準電波に応じた水晶フィルタXT、および、当該水晶フィルタXTに並列接続される並列容量CCとすることができるので、当該水晶フィルタXTおよび並列容量CCを通過する受信信号からの高周波ノイズのキャンセル効果を向上することができる。従って、受信信号から高周波ノイズを効果的に除去することができ、受信した標準電波を適切に復調することができる。
さらに、制御部44が制御信号をシリアル通信により出力するので、データ転送速度を向上することができるほか、信号誤りを抑制することができる。
本発明を実施するための最良の構成などは、以上の記載で開示されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部若しくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
また、受信手段3に入力した制御信号は、デコード回路38にてデコードされるとしたが、制御手段4の制御部44が直接、フィルタ切替部331、並列容量切替部332、周波数切替部311および基準電圧切替部372に制御信号を出力するようにしてもよい。
また、切替状態情報が、揮発性メモリに記憶されている場合には、当該揮発性メモリに記憶された切替状態情報に基づいて、デコード回路38からデータに基づく信号を出力するようにしてもよい。
Claims (3)
- 複数の標準電波を受信可能に構成され、当該複数の標準電波のうちのいずれかを選択受信して復調する受信手段と、前記受信手段を制御する制御信号を出力する制御手段とを備え、電波修正時計に用いられる受信回路であって、
前記受信手段には、
受信した標準電波に係る受信信号を増幅する信号増幅部と、
増幅された前記受信信号を整流する整流部と、
整流された前記受信信号をろ波するフィルタ部と、
ろ波された前記受信信号と基準電圧とから二値化した二値化信号を出力する比較部と、
前記比較部にそれぞれ異なる前記基準電圧を出力可能に構成され、前記制御信号に応じて、出力する前記基準電圧を切り替える基準電圧切替部とが設けられ、
前記制御手段は、前記複数の標準電波ごとに、前記基準電圧切替部の切替状態を示す切替状態情報を記憶する記憶手段を備え、
前記制御手段は、
前記基準電圧切替部に対して、前記受信手段による受信対象の標準電波に応じた切替状態となる制御信号を、前記切替状態情報に基づいて出力することを特徴とする受信回路。 - 請求項1に記載の受信回路において、
前記制御手段と前記受信手段とを接続するシリアル通信線とを備え、
前記制御手段は、前記制御信号をシリアル通信により出力し、
前記受信手段には、
前記シリアル通信線を介するシリアル通信により入力する前記制御信号をデコードして、当該デコードした前記制御信号に基づいて前記切替動作を制御するデコード部が設けられていることを特徴とする受信回路。 - 請求項1又は請求項2に記載の受信回路と、当該受信回路によって復調された信号に基づいて内部時刻情報を修正する時刻修正回路とを備えることを特徴とする電波修正時計。
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