JP5047743B2

JP5047743B2 - クロック再生方法および該方法を実行するデータ受信装置

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Publication number: JP5047743B2
Application number: JP2007238995A
Authority: JP
Inventors: 幸一斉藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: JP2009071658A

Description

本発明は、データの送信装置と受信装置が非同期ネットワークで接続されているなどの理由により同一のクロック源を利用できない場合において、データ受信装置がデータ送信装置から送られてきたデータの量に基づいて、データ送信装置が利用するクロックと同一の周波数のクロックを再生する方法および該方法を実行するデータ受信装置に関する。クロック再生の原理は、データ受信装置が蓄積するデータ量が一定になるように再生クロック周波数を制御する適応クロック法である。

データ送信装置がデータ受信装置にデータを伝送するシステムにおいて、データ受信装置とデータ送信装置がＩＰ網やイーサネット（登録商標）網のような非同期ネットワークで接続された場合にデータ受信装置がデータ送信装置のクロックを再生し同期する方法として適応クロック法がある。適応クロック法は、たとえば、ITU-Tの勧告I.363.1「B-ISDN ATM Adaptation Layer specification: Type I AAL」でその原理が述べられている。適応クロック法の原理は、データ送信装置が一定のビットレートでデータを送信するとき、データ受信装置がデータ送信装置と非同期ネットワークを介して接続されていても、データ受信装置が観測する単位時間当たりの受信データ量の平均値がデータ送信装置のデータ送信速度に確率的に一致することによる。つまり、データ受信装置はある時間期間に受信したデータ量をその時間期間で除することによりデータ送信装置がデータを送信するビットレートを推定可能である。データ受信装置は、そのビットレートに一致するようにデータ受信装置のクロックの周波数を制御してデータ送信装置のクロックを再生する。クロックの周波数とビットレートは固定の定数倍の関係にあるから、ビットレートを推定することはクロックを再生することと技術的にはほとんど同義である。データ受信装置は、受信データをデータ受信装置が具備するデータバッファに格納し、再生したクロックに比例したビットレートでそのデータバッファからデータを取り出し、データバッファ内の蓄積データ量の値をある目標値に一致するようにクロック周波数を制御することにより、クロックを再生する。

データ受信装置が受信データに基づいて周波数可変発振器の発振周波数を制御する系を図１に示す。理想的な状態では受信データは常に一定のビットレートで到着する。データの読み出しレートをそれと同じにすることにより、蓄積データ量は、平均すると一定の値になり、コントローラの出力Ｖｃも一定になり、周波数可変発振器の発振周波数も一定となり、したがって、バッファからのデータ読み出しレートも一定値となる。

データ送信装置とデータ受信装置を結ぶ通信網が非同期網である場合、伝送されたデータがデータ受信装置に到着するまでの伝送遅延時間が変動する場合がある。この場合、受信データのビットレートが揺らぐので、受信データのビットレートに基づいてクロックを再生しているデータ受信装置の再生クロック周波数もそれに応じて揺らぐことになる。受信データの伝送遅延揺らぎは一時的なものであり、長時間の平均をとれば、データ送信装置の送信ビットレートに一致する。一般的に、受信データのビットレートの伝送遅延揺らぎの影響を排除するために、ローパスフィルタが用いられる。

ローパスフィルタを適用する場合、蓄積データ量の値の変化が発振周波数に反映されにくくなる。クロック再生の動作の初期段階では発振周波数と所望の周波数（データ送信装置のクロック周波数）とは乖離しているので、周波数差が小さくなるまで時間がかかることになり、クロック周波数が安定するまでの時間が長くなる。ローパスフィルタは、受信データジッタの影響を排除するためには必要である。そこで、クロック再生動作の初期段階においてはローパスフィルタを適用せず、ある程度クロックが収束してからローパスフィルタを適用する手法がある。これにより、クロック再生動作の初期においてはクロック周波数は高速に収束し、また、ローパスフィルタを適用してからは、受信データジッタの影響を排除して安定したクロックを再生できる。

または、クロックの収束の度合いに応じて、ローパスフィルタを段階的に適用する手法も考えられる。つまり、最初は遮断周波数が大きなローパスフィルタを適用し、クロック周波数がある程度安定したらより小さな遮断周波数のローパスフィルタを適用し、更にクロック周波数が安定したら更に小さな遮断周波数のローパスフィルタを適用する、という具合である。

クロック周波数の収束の程度に応じてフィルタを変更する従来手法としては、ＰＬＬのロックアップタイムを、ＦＭ雑音への耐性を改良してスピードアップするためにダンピング係数の異なる２つのローパスフィルタを設ける方法が特許文献１に述べられている。また、時定数が異なる複数のフィルタを設け、漸次時定数が大きくなるようにフィルタを適宜切り替える方法が特許文献２に述べられている。

特開昭６０−１６７３１号公報特許第２８８５６６２号公報

発振周波数が十分安定したとき、蓄積データ量は十分安定しているので、コントローラの出力Ｖｃはほぼ一定値になっている。しかしながら、周波数可変発振器として用いられる電圧制御発振器（ＶＣＯ）等は、電源電圧や温度などの環境条件によってその特性が変化する。周波数可変発振器の特性が変化すると、入力されるＶｃが同じであっても出力する周波数が変化する。このとき、次のようなことが起こる。周波数可変発振器の特性が変化し、入力Ｖｃに対して出力周波数がｆからｆ＋Δｆに変化したとする。発振周波数が変化したのでデータの読み出しビットレートが変化し、蓄積データ量も変化する。蓄積データ量は変化するが、ローパスフィルタの遮断周波数が小さいため、短時間では蓄積データ量の変化がコントローラの出力にほとんど反映されない。つまり制御値Ｖｃの値もほとんど変化せず、発振周波数もｆ＋Δｆからほとんど変化しない。したがって発振周波数は所望の周波数ｆからΔｆだけずれたままである。時間がたてば発振周波数は所望の周波数に漸近するが、所望の周波数に近づくのに時間がかかるという問題がある。

特許文献１と特許文献２における従来手法では、発振周波数の収束の程度に応じて時定数を大きくする手法が述べられているが、時定数を小さくすることや、周波数可変発振器の特性変化に対応する方法は述べられていない。

したがって、本発明は、電源電圧や温度などの環境条件によってクロック周波数が変動した場合にクロック周波数を高速に所望の周波数に収束させることが可能なクロック再生方法および該方法を実行するデータ受信装置を提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明によるデータ受信装置は、受信データのビットレートに基づきクロック信号を再生する受信装置において、前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成手段と、前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振器手段と、前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定手段と、前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成手段の補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更手段と、を有し、前記変動量測定手段は、前記発振器手段が出力したクロック信号で、指定された個数のパケットを受信するのに要した時間を計測するパケット間隔計測部を含み、前記変動量は、前記パケット間隔計測部が計測した値と、前記発振器手段が出力すべき理想の周波数のクロック信号で、前記指定された個数のパケットを受信するのに要する時間を計測した場合の値であるパケット間隔目標値との差であり、前記制御値生成手段は、前記変動量測定手段によって測定された前記変動量に基づき前記制御値を作成し、前記感度変更手段は、前記変動量測定手段が計測するパケットの個数を指定する計測間隔指定部を含み、前記第１の閾値は、前記クロック信号の周波数の収束判定閾値であり、前記第２の閾値は、前記発振器手段の特性変化判定閾値であり、前記補正感度を低くすることは、前記計測間隔指定部が前記計測するパケットの個数を大きくし、前記収束判定閾値をより小さくすることであり、前記補正感度を高くすることは、前記計測間隔指定部が前記計測するパケットの個数を小さくし、前記収束判定閾値を最も大きくすることである。

上記目的を実現するため本発明によるデータ受信装置は、受信データのビットレートに基づきクロック信号を再生する受信装置において、前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成手段と、前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振器手段と、前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定手段と、前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成手段の補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更手段と、を有し、前記変動量測定手段は、一定の量のデータを受信するたびにデータ受信信号を出力するデータ受信信号生成部と、前記発振器手段が出力するクロック信号を分周する分周器と、前記データ受信信号と前記分周器からの信号との位相差を出力する位相比較器と、前記位相差の平均を計算する平均値計算部とを含み、前記変動量は、前記位相差の平均値であり、前記感度変更手段は、互いに異なる遮断周波数を有し、それぞれ前記位相比較器からの信号を入力する複数のローパスフィルタと、該複数のローパスフィルタから一つを選択し、該選択したローパスフィルタの出力を前記制御値生成手段に入力する選択決定部を含み、前記第１の閾値は、位相差判定閾値であり、前記第２の閾値は、前記発振器手段の特性変化判定閾値であり、前記制御値生成手段は、前記選択決定部によって選択されたローパスフィルタの出力に基づき前記制御値を作成し、前記補正感度を低くすることは、前記選択決定部が遮断周波数の低いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値をより小さくすることであり、前記補正感度を高くすることは、前記選択決定部が遮断周波数の最も高いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値を最も大きくすることである。

上記目的を実現するため本発明による方法は、受信データのビットレートに基づき受信装置のクロック信号を再生するクロック再生方法において、前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成ステップと、前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振ステップと、前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定ステップと、前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成ステップでの補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更ステップと、を含み、前記変動量測定ステップは、前記発振ステップで出力したクロック信号で、指定された個数のパケットを受信するのに要した時間を計測するパケット間隔計測ステップを含み、前記変動量は、前記パケット間隔計測ステップが計測した値と、前記発振ステップで出力すべき理想の周波数のクロック信号で、前記指定された個数のパケットを受信するのに要する時間を計測した場合の値であるパケット間隔目標値との差であり、前記制御値生成ステップでは、前記変動量測定ステップで測定された前記変動量に基づき前記制御値を作成し、前記感度変更ステップは、前記変動量測定ステップで計測するパケットの個数を指定する計測間隔指定ステップを含み、前記第１の閾値は、前記クロック信号の周波数の収束判定閾値であり、前記第２の閾値は、前記発振ステップでの特性変化判定閾値であり、前記補正感度を低くすることは、前記計測間隔指定ステップで計測するパケットの個数を大きくし、前記収束判定閾値をより小さい値にすることであり、前記補正感度を高くすることは、前記計測間隔指定ステップで計測するパケットの個数を小さくし、前記収束判定閾値を最も大きくすることである。

上記目的を実現するため本発明による方法は、受信データのビットレートに基づき受信装置のクロック信号を再生するクロック再生方法において、前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成ステップと、前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振ステップと、前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定ステップと、前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成ステップでの補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更ステップと、を含み、前記変動量測定ステップは、一定の量のデータを受信するたびにデータ受信信号を出力するデータ受信信号生成ステップと、前記発振ステップで出力されたクロック信号を分周する分周ステップと、前記データ受信信号と前記分周ステップで出力された信号との位相差を出力する位相比較ステップと、前記位相差の平均を計算する平均値計算ステップとを含み、前記変動量は、前記位相差の平均値であり、前記感度変更ステップは、互いに異なる遮断周波数を有し、それぞれ前記位相比較ステップで出力された信号を入力する複数のローパスフィルタから一つを選択する選択決定ステップを含み、前記第１の閾値は、位相差判定閾値であり、前記第２の閾値は、前記発振ステップの特性変化判定閾値であり、前記制御値生成ステップでは、前記選択決定ステップで選択されたローパスフィルタの出力に基づき前記制御値を作成し、前記補正感度を低くすることは、前記選択決定ステップで遮断周波数の低いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値をより小さくすることであり、前記補正感度を高くすることは、前記選択決定ステップで遮断周波数の高いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値を最も大きくすることである。

本発明によれば、データを送信するデータ送信装置とデータを受信するデータ受信装置にネットワークからの同期クロックが配信されない場合において、データ受信装置は受信したデータ量に基づいてクロックを再生する場合であって、データ受信装置の周波数可変発振器の特性が変化したときそれに追従して再生クロックの周波数偏差を高速に縮小させることが出来るという効果がある。

本発明は、周波数可変発振器の特性が変化した場合でも、クロック周波数を所望の周波数に高速に収束させる手法を提供する。

周波数可変発振器の特性が変化したときに周波数の収束に時間がかかるという上記課題が生起する理由は、周波数可変発振器の周波数が安定するとローパスフィルタの遮断周波数が低くなり周波数偏差に対する補正感度が低くなり、結果として、周波数可変発振器の特性が何らかの原因で変化したときに蓄積データ量の変動が発振周波数に反映されにくくなるからである。つまり、周波数可変発振器の特性が変化したときにそれを検出してローパスフィルタの遮断周波数を上げればよいことになる。周波数可変発振器の特性が変化すると発振周波数が変化し蓄積データ量が変動する。したがって、蓄積データ量を観測し、発振周波数が安定してからそれが変動したとき、周波数可変発振器の特性が変化したと判断し、遮断周波数を上げることにする。

ただし、受信データの伝送遅延時間が揺らいでも、蓄積データ量は変化する。そこで、データ伝送遅延揺らぎによる蓄積データ量の変動と周波数可変発振器の特性が変化したときの蓄積データ量の変動との差異を明確化するため、まずは、データ伝送遅延の揺らぎにより蓄積データ量がどのように変化するかを考察する。データが平均よりも早く到着した場合、蓄積データ量の平均値はそれまでの平均値よりも増加する。しかし、次に到着するデータの伝送遅延時間が平均的な時間であれば、蓄積データ量は元の値に戻るため、蓄積データ量の変動は一時的なものである。一方、周波数可変発振器の特性が変化した場合、例えば、周波数が増加した場合、蓄積データ量は周波数が増加した分だけ減少する量が増加するため、蓄積データ量は継続して減少する。以上の考察により、ある長さの時間区間の蓄積データ量を観測し、その結果蓄積データ量がそれまでの値とある程度異なっているかどうかで周波数可変発振器の特性の変化を判断することにする。

具体的には、蓄積データ量の平均がある閾値を超えたときに周波数可変発振器の特性が変化したと判断し、ローパスフィルタの遮断周波数を高いものに設定する。これにより、データ伝送遅延時間の揺らぎの影響は、蓄積データ量の平均化とローパスフィルタにより排除され、周波数可変発振器の特性が変化した場合は、蓄積データ量の平均が変化するためそれを検出可能であり、周波数可変発振器の特性の変化を検出した場合はローパスフィルタの遮断周波数をより高いものに設定する。また、閾値の値もそれに対応して変更する。

蓄積データ量に基づいて周波数を制御する手法では、以上のように、蓄積データ量の変動に基づいて周波数可変発振器の特性変化を検出できるが、クロック再生の他の方法、例えば、受信データと発振クロックの位相差に基づいて制御を行う方法においては、位相差の変動に基づいて周波数可変発振器の特性の変化を検出するという方法がある。また、別のクロック再生手法においては、周波数可変発振器の特性の変化を検出する他の方法がありえる。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図２は、本発明によるデータ受信装置をふくむ通信システムの構成図である。図２によると、通信システムは、データ送信装置１０１と、データ受信装置１００と、通信網１０２から構成される。データ送信装置１０１は、データを一定のビットレートで通信網１０２へ送信する。通信網１０２がパケット網であれば、この際、データをパケット化して送信する。通信網１０２を介して伝送されたデータはデータ受信装置１００が受信し、データ受信装置１００は、本発明によるクロック再生方法によりデータ送信装置１０１がデータを送信したときのクロックを再生する。データ受信側は、データ送信装置１０１のクロック周波数の値を把握しているが、データ送信装置１０１が利用したクロック源を利用できないため、受信したデータ量に基づいてクロックを再生する。

データ受信装置１００がデータ送信装置１０１と同じクロック源を使えないといっても、予めその値は知らされているという前提であるから、元のクロックに近い値で動作する発振器を使うことは可能である。したがって、データを受信していないときは、その近似の周波数のクロックによってデータ受信装置１００を動作させるのが普通である。

図３は、本発明を適用しない場合の、周波数可変発振器の発振周波数と蓄積データ量と使用するローパスフィルタの遮断周波数の遷移の例を示した図である。最初は、遮断周波数が大きく、つまり、時定数が小さく、急速に周波数偏差が０に収束する。蓄積データ量の変動が小さくなったときに遮断周波数を小さくする。時刻Ｔで周波数可変発振器の特性が変化し、同じ制御値Ｖｃに対してΔｆだけ周波数偏差があるクロック信号を出力するようになったとする。時刻Ｔ以後は周波数偏差が正であるため、読み出し速度が速くなり、蓄積データ量が減少し始める。蓄積データ量は直ちに減少を始めるがそれを処理するコントローラ内では遮断周波数が小さなローパスフィルタを通すため、その減少が制御値に反映されにくい。結果として周波数偏差が０に収束するのに時間がかかってしまう。

図４は、本発明を適用した場合の、周波数可変発振器の発振周波数と蓄積データ量と使用するローパスフィルタの遮断周波数の遷移の例を示した図である。時刻Ｔまでは図３と同様の振る舞いを行うが、時刻Ｔ以後は短時間の間だけ遮断周波数が小さなローパスフィルタが使用されるが、蓄積データ量の変動を検出することにより遮断周波数が大きなローパスフィルタに切り替えられる。これにより、急速な周波数収束を行い、結果として、すばやく周波数偏差を０にすることができ、周波数可変発振器の特性変化に高速に追従できることになる。

図５は、本発明によるデータ受信装置１００の機能構成を示すブロック図である。図５によると、データ受信装置１００は、データバッファ１と、コントローラ２と、周波数可変発振器３とを具備する。コントローラ２は、蓄積データ量の目標値２１と、ローパスフィルタセット２２と、制御値生成部２３とを具備する。

コントローラ２は、入力されるデータ量Ｂに対してローパスフィルタをかけ、その出力に基づいて制御値生成部２３が周波数可変発振器に対する制御値を生成して出力する。制御値生成部２３が制御値を生成する方法として、例えば、「ＰＩＤ制御を適用した適応クロック法の検討」電子情報通信学会ソサイエティ大会、Ｂ−８−１７、２００４年、斉藤幸一、深田陽一、前田洋一と特開２００６−６６９６５号公報では、入力値と入力値の積分値と入力値の微分値の和に比例した量を出力する手法が述べられている。もちろん、この他にも手法はある。

本発明では、入力されるデータから直接制御値を生成するのではなく、ローパスフィルタを適用してから制御値を生成する。蓄積データ量とその目標値との差を計算し、それがローパスフィルタセット２２に入力される。ローパスフィルタセット２２は、一群のローパスフィルタを具備しており、蓄積データ量とその目標値とに基づいて適用すべきローパスフィルタを選択し、その選択されたローパスフィルタの出力を制御値生成部２３に出力する。制御値生成部２３は適切な制御値作成方法によって制御値Ｖｃを作成して出力する。ローパスフィルタセット２２は、例えば、最新のある時間区間内に受信した蓄積データ量とその目標値との差の平均値を計算し、その平均値と予め設定されている閾値（蓄積データ量目標値差判定閾値）との大小関係に基づいて適用するローパスフィルタを決定する。すなわち、最新のある時間区間内に受信した蓄積データ量とその目標値との差の平均値が所定の閾値より小さければ発振周波数の収束を判定し、使用するローパスフィルタを遮断周波数がより小さいものに変更すると共に、所定の閾値をより小さい値に変更する。また、最新のある時間区間内に受信した蓄積データ量とその目標値との差の平均値が別の所定の閾値（発振器特性変化判定閾値）より大きければ周波数可変発振器３の特性が変化したと判断し、使用するローパスフィルタを遮断周波数が最も大きなものに変更すると共に、収束を判定するための所定の閾値を最も大きな閾値に変更する。ローパスフィルタセット２２がローパスフィルタを選択するためのアルゴリズムの例を図６に示す。

図６のアルゴリズムは、例えばデータ受信装置で以下のように実行される。
（Ｓ６１）ローパスフィルタセット２２の選択決定部が、蓄積データ量目標値差判定閾値に閾値１を設定し、適用するローパスフィルタとしてローパスフィルタ１を設定する。
（Ｓ６２）ローパスフィルタセット２２の平均値計算部が、直近の過去のある時間区間の蓄積データ量と蓄積データ量の目標値との差の平均値を計算する。
（Ｓ６３）平均値は蓄積データ量目標値差判定閾値より小さいかどうか、ローパスフィルタセット２２の選択決定部が比較する。比較の結果、小さい場合、Ｓ６５に進み、小さくない場合Ｓ６４に進む。
（Ｓ６４）平均値は発振器特性変化判定閾値を超えているかどうか、ローパスフィルタセット２２の選択決定部が比較する。比較の結果、超えていた場合、Ｓ６１に進む。つまり、使用するローパスフィルタを遮断周波数が最も大きなものに変更すると共に、収束を判定するための所定の閾値を最も大きな閾値に変更する。超えていない場合、Ｓ６２に進む。
（Ｓ６５）ローパスフィルタセット２２の選択決定部が、蓄積データ量目標値差判定閾値に次に小さい閾値を設定し、適用しているローパスフィルタをより遮断周波数が低いローパスフィルタに変更する。つまり、発振周波数が収束しているので、使用するローパスフィルタを遮断周波数がより小さいものに変更すると共に、所定の閾値をより小さい値に変更する。

これまではデータ受信装置内の蓄積データ量に基づいたクロック再生方法について述べてきたが、データがパケット化されて伝送される場合、データ受信装置が受信するパケットの間隔に基づいてクロックを再生する方法もある。その方法を以下で説明する。受信するパケット数に基づいてクロックを再生するデータ受信装置のクロック再生部の機能構成図を図７に示す。図７によると、クロック再生部は、パケット間隔計測部３１と、パケット間隔目標値３２と、コントローラ３３と、ＶＣＯ３４と、計測間隔指定部３５を具備する。クロック再生部には、データ受信装置がパケットを受信するたびにパケット受信信号が入力される。１つ１つのパケットの受信間隔を計測するのではなく、個々のパケットの伝送遅延ジッタを除去するために、複数個のパケットを受信するのに要する時間を計測する。パケット間隔計測部３１は、自身が作成しているクロック信号で、指定された個数のパケットを受信するのに要した時間を計測する。クロック信号の周波数ｆでカウントアップするカウンタを設け、あるパケット受信信号を受信したときのカウンタの値を、それ以後に指定の個数のパケット受信信号を受信したときのカウンタの値から引くことにより計測する。理想の周波数のクロックで測定した場合の指定の個数のパケットを受信するのに要する時間は予め分かっており、ＶＣＯが出力すべき理想のクロック信号の周波数も分かっているので、ＶＣＯが出力すべき理想の周波数のクロックで指定個数のパケットの間隔を測定したときに得られるはずのカウンタ値をパケット間隔目標値３２に設定しておく。目標値（Ｎ_０）と実際のカウンタ値（Ｎ_１）との差は、ＶＣＯの理想の周波数（Ｆ_０）と実際の周波数（Ｆ_１）との差を反映している。したがって、その差、ｘ＝Ｎ_１−Ｎ_０が分かればクロック周波数の理想との差が分かり、ＶＣＯへの制御値をどれだけ変更すればよいのかが分かる。制御値Ｖｃの更新方法を式（１）に示す。

ここで、Ｖ_ｏｌｄは現在の制御値、Ｖ_ｎｅｗは更新された制御値を表す。制御値Ｖｃと発振周波数ｆは、近似的に一次の関係にあり、この関係は次式で表されるとする。

ｆ＝Ｆ_０Ｖｃ＋Ｆ_１（２）
コントローラは式（１）にしたがって制御値Ｖｃを作成してＶＣＯ３４に出力する。

計測間隔指定部３５は、計測するパケットの個数を指定する。クロック同期の動作の初期段階では発振周波数と目標の周波数とに乖離があるため、なるべく頻繁にパケット間隔を計測して、周波数のずれを頻繁に計測して、発振周波数を目標の周波数に近づけていく。ある程度目標の周波数に近づいたら計測間隔を大きくして、精度のよい計測を行い、より正確な周波数を発振できるようにする。つまり、計測パケット数を大きくすることによりパケット伝送遅延揺らぎの影響を排除するとともに、クロック周波数制御の補正感度を低くしているわけである。つまり、計測間隔指定部３５がより大きな計測間隔を指定することはより大きな時定数のローパスフィルタを適用することに相当する。計測間隔指定部３５はパケット間隔計測結果の偏差ｘの変動量を観測し、変動量が小さくなってきたら発振周波数が目標値に近づいてきたと判断し、計測間隔をより大きなものに指定する。変動量が所定の閾値を超えたら、ＶＣＯの特性の変化があったと判断し、計測間隔を小さくする。

計測間隔指定部３５における計測間隔決定のためのアルゴリズムの例を図８に示す。

図８のアルゴリズムは、例えば計測間隔指定部３５で以下のように実行される。
（Ｓ８１）計測間隔のパケット数を所定の値に設定し、ｘの収束判定閾値に所定の値を設定する。
（Ｓ８２）指定されたパケット数を受信する間にパケット間隔計測部３１が計測した値とパケット間隔目標値３２との差ｘが計算される。
（Ｓ８３）ｘの平均値は収束判定閾値より小さいかどうか比較する。小さい場合、Ｓ８５に進み、小さくない場合Ｓ８４に進む。
（Ｓ８４）ｘの平均値は周波数可変発振器の特性変化に相当する閾値を超えているか比較する。比較の結果、超えていた場合、Ｓ８１に進み、超えていない場合、Ｓ８２に進む。
（Ｓ８５）収束判定閾値により小さい値を設定し、計測間隔のパケット数をより大きくする。

クロック再生の別の手法について述べる。一定の量の受信データを受信するたびに信号を発生し、その信号と、周波数可変発振器のクロック信号を分周した信号との位相を比較し、位相差が一定になるように周波数可変発振器の周波数を制御することによりクロックを再生するデータ受信装置の実施例の機能構成を図９に示す。図９によると、データ受信装置は、位相比較器４１と、ローパスフィルタセット４２と、制御値生成部４３と、周波数可変発振器４４と、分周器４５と、データ受信信号生成部４６とを具備する。データ受信信号生成部４６は、一定のデータ量を受信するたびにデータ受信信号を出力する。位相比較器４１は、データ受信信号と分周器４５からの信号との位相差を出力する。ローパスフィルタセット４２は、位相比較器４１が出力する位相差を観測し、周波数可変発振器４４が出力するクロック信号の所望の周波数への収束の度合いを判定し、その収束の度合いに応じて使用するローパスフィルタを選択する。ローパスフィルタ１〜ローパスフィルタＮは、それぞれ時定数が異なり、ローパスフィルタ１からローパスフィルタＮまで順に時定数が大きくなっている。最初は所望の周波数に高速に近づけるために補正感度を高くするため時定数が最も小さなローパスフィルタ１を用い、周波数が収束するにしたがって補正感度を低くするためローパスフィルタ２、ローパスフィルタ３と切り替えていく。制御値生成部４３は、位相差が一定値になるように周波数可変発振器４４への制御値を決定する。周波数可変発振器４４は制御値生成部４３からの制御値によって発振周波数を決定する。分周器４５は、所望の周波数のクロック信号を分周した信号とデータ受信信号の名目上の周波数とが一致するような比率でクロック信号を分周する。例えば、データ送信装置がＳｂｉｔ／ｓでデータを送信し、データ受信装置がデータ受信信号をＡｂｉｔ受信するごとに出力する場合、名目上の周期はＡ／Ｓ秒である。したがって、クロック信号の所望の周波数がＦＨｚである場合、分周比率をＳ／ＡＦとすればよい。周波数可変発振器４４の特性が変化しない場合、周波数可変発振器４４の周波数は徐々に所望の周波数に漸近し、それにともなって使用するローパスフィルタをローパスフィルタ１からローパスフィルタＮまで漸次切り替える。最終的には時定数が最も大きなローパスフィルタＮを使用する。ところが、周波数可変発振器４４の特性が変化すると、同じ制御値に対して異なる発振周波数になるから、位相比較器４１が出力する位相差に変動が発生する。時定数が大きいままだと補正感度が低いので収束時間が長くなる。これに対して収束判定部４２は使用するローパスフィルタをローパスフィルタＮからローパスフィルタ１に切り替える。これにより、時定数が小さくなり、高速に所望の周波数に収束することが可能になる。

ローパスフィルタセット４２におけるローパスフィルタ選択のアルゴリズムの例を図１０に示す。

図１０のアルゴリズムは、例えばデータ受信装置で以下のように実行される。
（Ｓ１０１）ローパスフィルタセット４２の選択決定部が、位相差判定閾値に閾値１を設定し、適用するローパスフィルタとしてローパスフィルタ１を設定する。
（Ｓ１０２）位相比較器４１により、データ受信信号とクロック信号の分周信号との位相差が作成され、ローパスフィルタセット４２の平均値計算部が、位相差の平均値を計算する。
（Ｓ１０３）位相差の平均値は位相差判定閾値より小さいかどうか、ローパスフィルタセット４２の選択決定部が比較する。比較の結果、小さい場合、Ｓ１０５に進み、小さくない場合Ｓ１０４に進む。
（Ｓ１０４）位相差の平均値は発振器特性変化判定閾値を超えているかどうか、ローパスフィルタセット４２の選択決定部が比較する。比較の結果、超えていた場合、Ｓ１０１に進み、超えていない場合、Ｓ１０２に進む。
（Ｓ１０５）ローパスフィルタセット４２の選択決定部が、位相差判定閾値に次に小さい閾値を設定し、適用しているローパスフィルタをより遮断周波数が低いローパスフィルタに変更する。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

受信データに基づいて周波数可変発振器の発振周波数を制御するデータ受信装置の機能構成を示す。本発明によるデータ受信装置をふくむ通信システムの構成図を示す。本発明を適用しない場合の、周波数可変発振器の発振周波数と蓄積データ量と使用するローパスフィルタの遮断周波数の遷移の例を示す。本発明を適用した場合の、周波数可変発振器の発振周波数と蓄積データ量と使用するローパスフィルタの遮断周波数の遷移の例を示す。本発明によるデータ受信装置の機能構成を示すブロック図である。ローパスフィルタセットがローパスフィルタを選択するためのアルゴリズムの例を示す。受信するパケット数に基づいてクロックを再生するデータ受信装置のクロック再生部の機能構成図を示す。計測間隔指定部における計測間隔決定のためのアルゴリズムの例を示す。受信データの位相に基づいてクロック再生を行うデータ受信装置の機能構成図を示す。ローパスフィルタセットにおけるローパスフィルタ選択のアルゴリズムの例を示す。

符号の説明

１データバッファ
２コントローラ
３周波数可変発振器
２１蓄積データ量の目標値
２２ローパスフィルタセット
２３制御値生成部
３１パケット間隔計測部
３２パケット間隔目標値
３３コントローラ
３４ＶＣＯ
３５計測間隔指定部
４１位相比較器
４２ローパスフィルタセット
４３制御値生成部
４４周波数可変発振器
４５分周器
４６データ受信信号生成部
１００データ受信装置
１０１データ送信装置
１０２通信網

Claims

受信データのビットレートに基づきクロック信号を再生する受信装置において、
前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成手段と、
前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振器手段と、
前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定手段と、
前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成手段の補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更手段と、
を有し、
前記変動量測定手段は、前記発振器手段が出力したクロック信号で、指定された個数のパケットを受信するのに要した時間を計測するパケット間隔計測部を含み、
前記変動量は、前記パケット間隔計測部が計測した値と、前記発振器手段が出力すべき理想の周波数のクロック信号で、前記指定された個数のパケットを受信するのに要する時間を計測した場合の値であるパケット間隔目標値との差であり、
前記制御値生成手段は、前記変動量測定手段によって測定された前記変動量に基づき前記制御値を作成し、
前記感度変更手段は、前記変動量測定手段が計測するパケットの個数を指定する計測間隔指定部を含み、
前記第１の閾値は、前記クロック信号の周波数の収束判定閾値であり、
前記第２の閾値は、前記発振器手段の特性変化判定閾値であり、
前記補正感度を低くすることは、前記計測間隔指定部が前記計測するパケットの個数を大きくし、前記収束判定閾値をより小さくすることであり、
前記補正感度を高くすることは、前記計測間隔指定部が前記計測するパケットの個数を小さくし、前記収束判定閾値を最も大きくすることである
ことを特徴とする受信装置。
受信データのビットレートに基づきクロック信号を再生する受信装置において、
前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成手段と、
前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振器手段と、
前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定手段と、
前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成手段の補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更手段と、
を有し、
前記変動量測定手段は、一定の量のデータを受信するたびにデータ受信信号を出力するデータ受信信号生成部と、前記発振器手段が出力するクロック信号を分周する分周器と、前記データ受信信号と前記分周器からの信号との位相差を出力する位相比較器と、前記位相差の平均を計算する平均値計算部とを含み、
前記変動量は、前記位相差の平均値であり、
前記感度変更手段は、互いに異なる遮断周波数を有し、それぞれ前記位相比較器からの信号を入力する複数のローパスフィルタと、該複数のローパスフィルタから一つを選択し、該選択したローパスフィルタの出力を前記制御値生成手段に入力する選択決定部を含み、
前記第１の閾値は、位相差判定閾値であり、
前記第２の閾値は、前記発振器手段の特性変化判定閾値であり、
前記制御値生成手段は、前記選択決定部によって選択されたローパスフィルタの出力に基づき前記制御値を作成し、
前記補正感度を低くすることは、前記選択決定部が遮断周波数の低いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値をより小さくすることであり、
前記補正感度を高くすることは、前記選択決定部が遮断周波数の最も高いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値を最も大きくすることである
ことを特徴とする受信装置。
受信データのビットレートに基づき受信装置のクロック信号を再生するクロック再生方法において、
前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成ステップと、
前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振ステップと、
前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定ステップと、
前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成ステップでの補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更ステップと、
を含み、
前記変動量測定ステップは、前記発振ステップで出力したクロック信号で、指定された個数のパケットを受信するのに要した時間を計測するパケット間隔計測ステップを含み、
前記変動量は、前記パケット間隔計測ステップが計測した値と、前記発振ステップで出力すべき理想の周波数のクロック信号で、前記指定された個数のパケットを受信するのに要する時間を計測した場合の値であるパケット間隔目標値との差であり、
前記制御値生成ステップでは、前記変動量測定ステップで測定された前記変動量に基づき前記制御値を作成し、
前記感度変更ステップは、前記変動量測定ステップで計測するパケットの個数を指定する計測間隔指定ステップを含み、
前記第１の閾値は、前記クロック信号の周波数の収束判定閾値であり、
前記第２の閾値は、前記発振ステップでの特性変化判定閾値であり、
前記補正感度を低くすることは、前記計測間隔指定ステップで計測するパケットの個数を大きくし、前記収束判定閾値をより小さい値にすることであり、
前記補正感度を高くすることは、前記計測間隔指定ステップで計測するパケットの個数を小さくし、前記収束判定閾値を最も大きくすることである
ことを特徴とするクロック再生方法。
受信データのビットレートに基づき受信装置のクロック信号を再生するクロック再生方法において、
前記受信データのビットレートに基づき制御値を作成する制御値生成ステップと、
前記制御値に基づいた周波数のクロック信号を出力する発振ステップと、
前記クロック信号の周波数変動量を測定する変動量測定ステップと、
前記クロック信号の周波数偏差に対する前記制御値生成ステップでの補正感度に対して、前記測定された変動量が第１の閾値より小さい場合、該補正感度を段階的に低くし、前記測定された変動量が第２の閾値を超えている場合、該補正感度を高くする感度変更ステップと、
を含み、
前記変動量測定ステップは、一定の量のデータを受信するたびにデータ受信信号を出力するデータ受信信号生成ステップと、前記発振ステップで出力されたクロック信号を分周する分周ステップと、前記データ受信信号と前記分周ステップで出力された信号との位相差を出力する位相比較ステップと、前記位相差の平均を計算する平均値計算ステップとを含み、
前記変動量は、前記位相差の平均値であり、
前記感度変更ステップは、互いに異なる遮断周波数を有し、それぞれ前記位相比較ステップで出力された信号を入力する複数のローパスフィルタから一つを選択する選択決定ステップを含み、
前記第１の閾値は、位相差判定閾値であり、
前記第２の閾値は、前記発振ステップの特性変化判定閾値であり、
前記制御値生成ステップでは、前記選択決定ステップで選択されたローパスフィルタの出力に基づき前記制御値を作成し、
前記補正感度を低くすることは、前記選択決定ステップで遮断周波数の低いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値をより小さくすることであり、
前記補正感度を高くすることは、前記選択決定ステップで遮断周波数の高いローパスフィルタに変更し、前記位相差判定閾値を最も大きくすることである
ことを特徴とするクロック再生方法。