JP6419981B2 - システム内のグローバルクロックの提供方法及び装置 - Google Patents

システム内のグローバルクロックの提供方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、時間計測分野に属し、基準時間の確定方法、特にグローバルタイムの確定方法に関する。
グローバルクロックは、幅広い分野に応用されており、システムにおける各部品が完全に同じ時間基準を有することを確保する。例えば、核検出分野、飛行時間の応用分野において、複数の端末からなるシステムは、正確な時間計測のため、完全に一致する時間基準が必要である。複数の端末間のタイムスタンプ通信により通信遅延を取得して補正する方法は、通信分野において広く使用されているが、この同期方法は、既存の通信プロトコルにより低精度、例えば、ms又はサブmsレベルのグローバルクロック同期を達成することに限定されており、このような方法による精度は、最終的にクロックの速度、即ち、トグル周波数に依存し、クロック周期より短い同期精度を達成することはできない。そのため、従来方法において、図1に示すように、システムに唯一のクロック源を設置し、その後、クロックを必要とするすべての端末をクロック源に接続して、スター型ネットワークを構築し、すべての配線（クロック源から各端末への配線）が完全に同じ長さであることを正確に保証することにより、各端末が完全に一致する同期クロック信号を得ることができる。このように、非常に大規模な端末からなる複雑なシステムの場合、クロック配線を特別に考慮する必要があるとともに、大量の配線による、システムの組立、校正、メンテナンス 、拡張の困難をもたらす。例えば、従来方法において、端末を追加する場合に、クロック源にファンアウトを追加する必要があるため、決定されたハードウェアを必ず変更する必要となる。特定な分野、例えば走査イメージングシステムにおいて、その内部の複数の（数個から数千個の）検出器（即ち、端末）は、グローバルに調和したクロックを満足するために、いずれも統一の時間基準を必要とし、且つ各検出器はピコ秒（ps）レベルの時間測定装置を必要とするため、装置全体がより高い時間分解能を必要とし、時間の同期精度がpsレベルで要求されるので、配線の長さが等しいという要求について、既存のグローバルクロックでは満たすことができないミクロン（um）レベルを必要とする。
本発明は、システム内のグローバルクロックの提供方法及び装置を提供することを目的とする。前記方法及び装置は、クロック源から端末までの遅延を確定し、該遅延を補正パラメータとすることにより、すべての端末が完全に一致する時間基準を有することを保証し、且つ高精度の信号記録部の協働により、クロック源から端末までの遅延の正確的な計測を達成することができ、クロック源のトグル周波数に対する要求が高くないため、高同期精度が必要である場合にも適用されることができる。本発明に記載のシステム内のグローバルクロックの提供方法及び装置において、各端末からクロック源までのクロック配線の長さを制御する必要はなく、クロック配線に特別な配慮の必要がないため、大量の配線による、システムの組立、校正、メンテナンス 、拡張の困難を回避することができる。
前記した目的を達するために、本発明の技術手段は以下の通りである。
本発明は、システム内のグローバルクロックの提供方法を開示する。前記システムは、通信可能に接続されている少なくとも2つの端末を含み、前記方法は、以下のステップを含む。
ステップ（1）:キャリブレーション信号を生成し、前記キャリブレーション信号は、システム内の各端末に配信し、前記キャリブレーション信号の送信時間T（0）を記録する。
前記ステップ（1）の前に、基準となるクロック源を確定するステップをさらに含み、前記基準となるクロック源は、キャリブレーション信号を生成する。
好ましくは、前記クロック源は、クロックコントローラであり、又はクロックコントローラと、クロックコントローラにより制御されるクロック発生器を含む。
好ましくは、前記キャリブレーション信号は、前記クロックコントローラが直接に電気パルスを発信することにより形成されたものであり、又は前記クロック発生器が前記クロックコントローラの駆動により生成されたクロック信号である。
好ましくは、前記基準となるクロック源は、各端末内のローカルクロックのいずれか1つ、又は外部クロック源である。
好ましくは、前記ステップ（1）において、基準となるクロック源と協働する信号記録部によって、前記キャリブレーション信号の送信時間T（0）を記録する。
さらに、前記ステップ（1）において、前記基準となるクロック源と協働する信号記録部は、前記キャリブレーション信号をシステム内の各端末に配信する。
好ましくは、基準となるクロック源、及び前記基準となるクロック源と協働する信号記録部は、システム内の端末の1つに属する。
好ましくは、前記信号記録部の最小時間測定スケールは、基準となるクロック源のクロック周期の1/2より小さい。
好ましくは、前記信号記録部の最小時間測定スケールは1ns以内である。
ステップ（2）:前記キャリブレーション信号が前記各端末に到達した時に、前記各端末でそれぞれリターン信号を生成・返送し、前記リターン信号の到達時間T（n）を記録し、前記各端末の絶対偏差Delay(n)を確定する。
好ましくは、基準となるクロック源と協働する信号記録部は、前記リターン信号の到達時間T（n）を受信し記録する。
好ましくは、前記リターン信号は、前記各端末がそれぞれ送信した応答信号、又はそれぞれ前記キャリブレーション信号を返したものである。
好ましくは、（I）前記リターン信号は前記応答信号である場合に、Delay(n)= (T(n)-T(0) -Δn)/2であり、Δnは各端末の応答反応時間であり、
（II）前記リターン信号は返された前記キャリブレーション信号である場合に、Delay(n)= (T(n)-T(0))/2である。
好ましくは、前記ステップ（I）において、前記Δnは、システムの所定値であり、又は前記Δnは、各端末内の信号記録部により確定され、前記各端末がキャリブレーション信号を受信した後、前記各端末内の信号記録部が該時間をt n1として記録し、前記各端末がそれぞれ応答信号を送信した後、前記各端末内の信号記録部が該時間をtn2 として記録した場合に、前記Δn= tn2- t n1である。
ステップ（3）:前記絶対偏差に基づいて、各端末における時間を調整してグローバルクロックを形成する。
好ましくは、前記ステップ（3）において、信号記録部、又は前記端末のプロセッサ、又は外部プロセッサにより前記各端末の絶対偏差を確定するとともに、各端末における時間を調整してグローバルクロックを形成する。
本発明は、さらに、システム内のグローバルクロックの提供装置を提供する。該装置は、少なくとも1つのクロック源と、通信可能に接続されている少なくとも2つの端末とを含み、前記クロック源と協働する信号記録部をさらに含み、前記信号記録部は、前記クロック源に通信可能に接続され、前記各端末は、いずれも前記信号記録部を介して前記クロック源と通信して各端末から前記クロック源までの時間の絶対偏差を確定する。
好ましくは、前記端末間は順次に通信接続され、線形ネットワーク構造を形成し、且つ前記クロック源と協働する信号記録部は、前記線形ネットワーク構造における1つの端末に通信接続されている。
さらに、前記クロック源と協働する信号記録部は、前記線形ネットワーク構造における端点にある端末に通信接続されている。
さらに、前記端末間の接続、前記信号記録部と前記端末との接続は、双方向通信接続である。
さらに、前記信号記録部とクロック源との接続、前記信号記録部と前記端末との接続、前記端末間の接続は、有線接続である。
さらに、各端末の応答反応時間を確定するために、前記各端末内に、それぞれ信号記録部が設置されている。
さらに、少なくとも1本の前記線形ネットワークが設置されている。
好ましくは、前記各端末がそれぞれ前記信号記録部に通信接続され、スター型ネットワーク構造が形成される。
さらに、前記各端末と前記信号記録部との接続は、双方向通信接続である。
さらに、クロック源と前記信号記録部との接続、前記信号記録部と前記各端末との接続は、有線接続である。
さらに、各端末の応答反応時間を確定するために、前記各端末内にそれぞれ信号記録部が設置されている。
前記信号記録部の最小時間測定スケールは、基準となるクロック源のクロック周期の1/2より小さい。
好ましくは、前記信号記録部は、コントローラと、前記コントローラに通信接続され、前記コントローラにより駆動される時間変換器とを含み、 前記時間変換器の時間精度は1ns以内である。
好ましくは、前記時間変換器はTDC又はTACであり、前記TDC又はTACの時間精度は100ps以内である。
本発明は、前記技術手段により、以下の有益な効果を有する。
1、本発明が開示するシステム内のグローバルクロックの提供方法及び装置において、システムにおける端末間は通信可能に接続され、各端末は、それぞれ異なる経路を介して、最終的に信号記録部により事前に確定されたクロック源に通信接続されている。クロック源は、ネットワークにキャリブレーション信号を送信し、信号記録部は、キャリブレーション信号の現在の送信時間T(0)を記録し、ネットワークに接続されている各端末は、クロック源からの距離が異なるため、順次に該キャリブレーション信号を受信し、該信号を返し（キャリブレーション信号の自発的な折り返しであってもよく、又は、各端末が応答して応答信号を送信する受動的な折り返しであってもよい）、リターン信号は、ネットワークを介して順次に信号記録部に返し、信号記録部は、さらに各リターン信号の時間T（n）を順次記録することにより、信号記録部は、各端末とクロック源信号との間の遅延を測定することができ、実際のシステムにおいて、該遅延を補正パラメータとして、すべての端末が完全に一致する時間基準を有することを保証することができる。
2、高精度の信号記録部の利用により、時間の同期精度が向上する。クロック源に高精度の信号記録部（信号記録部の最小時間測定スケールは基準となるクロック源のクロック周期の1/2より小さい）、例えば、時間デジタル変換器（TDC）又は時間アナログ変換器（TAC）を設置し、該時間デジタル変換器（TDC）又は時間アナログ変換器（TAC）により信号の送信とリターン時間を確定することにより、各端末とクロック源との間の時間の絶対偏差を正確に確定してグローバルクロックを形成することができる。例えば、TDCは、マスタークロック周波数に完全に依存しないことができ、回路遅延キャッチアップ回路によってタイミングする時に、クロック周期よりも短い時間の長さを測定することができ、計測されるタイミング精度は10psに達することができる。それにより、時間の同期精度がpsレベルである要求を満たし、時間精度に対する要求が高い場合に応用することができる。
3、クロックの配線の長さを制御する必要がなく、接続は任意であってもよく、各端末間のネットワークは任意に接続されてもよく、各端末が最終的に信号記録部を介してクロック源に通信接続されることのみを満たせば、グローバルクロックの配置を達成することができ、従来技術においてすべての配線の長さが正確であることを必要とするため、設計及び達成に困難がある問題を解決することができる。
4、拡張性が高い。線形位相構造のグローバルクロック装置を採用する場合に、線形ネットワークの一端に端末及び配線を追加すれば、クロック源のハードウェアの変化、クロック源のファンアウトの追加を必要とせず、システムの拡張を簡単に達成することができる。スター型位相構造のグローバルクロック装置を採用する場合に、端末を追加する時に、クロック源のファンアウトのインターフェースを追加する必要があるが、追加する端末のクロック配線を、事前に組み立てられた端末と完全に一致させるための考慮と厳密な制御の必要はない。
5、配線の量を大幅に減らすことができる。線形位相構造のグローバルクロック装置を採用する場合に、1グループの配線によりすべての端末を直列に接続すれば、グローバルクロックを達成することができ、端末の数が数百または数千である場合に、大量の配線によりシステムの組み立て及びメンテナンスが困難になる問題を解決することができる。
は従来のスター型ネットワーク構造のグローバルクロック確定装置の構造模式図である。 は本発明のシステム内のグローバルクロックの提供方法の作業フロー図である。 は本発明のシステム内のグローバルクロックの提供装置の第1実施例の構造模式図である。 は本発明のシステム内のグローバルクロックの提供装置の第2実施例の構造模式図である。
以下、図面を参照しながら、本発明をさらに説明する。
図2に示すように、システム内のグローバルクロックの提供方法は、以下のステップを含む。
まず、基準となるクロック源を確定し、前記基準となるクロック源によりキャリブレーション信号を生成する。1つのシステムには、複数のクロック源、又は唯一のクロック源を有することができる。複数のクロック源を有する場合に、まず、1つのクロック源を基準として確定する必要があり、基準クロック源は、任意に選択してもよく、該クロック源がネットワークを介してすべての端末に送信される（即ち、すべての端末をカバーする）ことができればよい。なお、外部のクロック源をシステム全体の基準クロックとして使用してもよ。前記クロック源は、単一のクロックコントローラであってもよく、クロックコントローラと、クロックコントローラにより制御されるクロック発生器を含んでもよく、実際の必要に応じて任意に設置することができる。
（1）キャリブレーション信号を生成し、前記キャリブレーション信号をシステム内の各端末に配信し、前記キャリブレーション信号の送信時間T（0）を記録する。
図2に示す実施例において、基準となるクロック源が確定された後、該クロック源はキャリブレーション信号を生成し、キャリブレーション信号の具体的な形式はクロック源により決定される。本実施例において、キャリブレーション信号は、クロックコントローラが直接に電気パルスを発信することにより生成され、又はクロックコントローラからの制御によるクロック信号の発信で生成される。キャリブレーション信号が生成された後、各端末に配信され、その後、キャリブレーション信号の送信時間T（0）を記録する。
（2）前記キャリブレーション信号はネットワークを介して前記各端末に到達した後、各端末でそれぞれリターン信号が生成され、該リターン信号の到達時間T（n）を記録し、前記各端末の絶対偏差Delay(n)を算出する。
リターン信号の形式として複数の種類が挙げられるが、以下、リターン信号が応答信号又はキャリブレーション信号である場合を例に本発明を説明する。なお、リターン信号は他の形式である場合にも、本発明に開示される方法によりシステム内の各端末のグローバルクロックの形成を達成することができる。
キャリブレーション信号が前記各端末に到達した後、各端末は、直接回路を介してリターン信号リンクに接続され、キャリブレーション信号を返してもよく、コントローラ（例えば、FPGAのような非同期応答が可能なコントローラ）がキャリブレーション信号を受信して、すぐに（コントローラのマスタークロックに依存しない条件で）応答信号を送信してもよい。リターン信号を送信した後、リターン信号の到達時間T（n）を記録し、前記各端末から基準となるクロック源までの絶対偏差Delay(n)を確定する。
前記キャリブレーション信号の送信時間T（0）及びリターン信号の到達時間T（n）は、同一のタイミング素子により受信され記録されることにより、両者は、同一のオーダーの精度を有する。図2に示す実施例において、特定の時間は、クロック源と協働する信号記録部により受信されて確定され、信号記録部は、コントローラと、該コントローラにより駆動される時間変換器とを含み、時間変換器は、該コントローラの駆動によりT（0）とT（n）を記録し、且つステップ（1）において、キャリブレーション信号の配信は、クロック源に制御され、各端末に直接に配信されてもよく、前記基準となるクロック源と協働する信号記録部によって各端末に配信される。
（I）端末が応答方式にて応答信号を返す場合に、基準クロック源と協働する信号記録部はキャリブレーション信号の到達時間T（n）を記録し、端末が応答を行うのにある程度の時間がかかるため、前記各端末の絶対偏差をDelay(n) = (T(n)-T(0) -Δn)/2として確定し、ただし、Δnは各端末の応答反応時間である。応答信号は、電気パルスであってもよいため、本発明のシステム内のグローバルクロックの提供方法が時間精度に対する要求が高くない場合に使用される場合に、Δnは所定値であり、事前に実験と計算により確定されることができる。また、端末とクロック源との配線の長さをL(n)=Delay(n)*Cとして計算することができ、ここで、Cは、信号の配線における伝送速度であり、光速に近い。
（II）キャリブレーション信号を返す場合に、基準クロック源と協働する信号記録部は、キャリブレーション信号の到達時間T（n）を記録し、前記各端末の絶対偏差をDelay(n) = (T(n)-T(0))/2として確定する。また、端末とクロック源との配線の長さをL(n)=Delay(n)*Cとして計算することができ、Cは、信号の配線における伝送速度であり、光速に近い。
このようにして、システム内のすべての端末のクロック源からの絶対偏差が得られる。
（3）前記絶対偏差に基づいて、各端末の時間を調整してグローバルクロックを形成する。システム内のすべての端末が完全に一致する時間基準を有する必要がある場合に、前記算出された時間差（絶対偏差）を補正係数として用いることにより、各端末のタイミングシステムの完全な同期を確保することができる。ステップ（3）において、各端末の絶対偏差に応じて信号記録部又は各端末のプロセッサ又は外部プロセッサを介して、命令を送信して、各端末の時間を調整してグローバルクロックを形成してもよい。
図2に示す実施例のステップに従って、システム内のすべての端末が完全に一致する時間基準を有することを容易に達成することができ、端末からクロック源までの経路を考慮する必要がない。図2に示す実施例をもとに、本発明は、さらにシステム内のグローバルクロックの提供方法を開示する。該方法は、時間同期の精度を向上させることができ、時間精度に対する要求が高い場合に適用される。
システム内のグローバルクロックの提供方法は、以下のステップを含む。
まず、基準となるクロック源を確定し、前記基準となるクロック源によりキャリブレーション信号を生成する。1つのシステムには、複数のクロック源、又は唯一のクロック源を有することができる。複数のクロック源を有する場合に、まず、1つのクロック源を基準として確定する必要があり、基準クロック源は、任意に選択してもよく、該クロック源がネットワークを介してすべての端末に送信される（即ち、すべての端末をカバーする）ことができればよい。なお、外部のクロック源をシステム全体の基準クロックとして使用してもよく、前記クロック源は、クロックコントローラのみから構成されてもよく、クロックコントローラと、クロックコントローラにより制御されるクロック発生器とを含んでもよく、実際の必要に応じて任意に設置することができる。
（1）キャリブレーション信号を生成し、前記キャリブレーション信号をシステム内の各端末に配信し、前記キャリブレーション信号の送信時間T（0）を記録する。
基準となるクロック源を確定した後、該クロック源がキャリブレーション信号を生成し、キャリブレーション信号の具体的な形式はクロック源により決定される。本実施例において、キャリブレーション信号は、クロックコントローラが直接に電気パルスを発信することにより生成され、又はクロックコントローラからの制御によるクロック信号の発信により生成される。キャリブレーション信号が生成された後、各端末に配信される。ここで、キャリブレーション信号は、クロック源の制御により直接に各端末に配信されてもよく、前記基準クロック源と協働する信号記録部により各端末に配信されてもよい。
キャリブレーション信号を配信した後、前記基準クロック源と協働する信号記録部はキャリブレーション信号の送信時間T（0）を記録する。ここで、クロック源と協働する信号記録部の最小時間測定スケールが基準となるクロック源のクロック周期の1/2よりも小さく設置されることにより、信号記録部は、1クロック周期より短い時間を正確に測定することができる。同期に対する要求が高いグローバルクロックにおいて、グローバルクロック周波数は、一般的に50MHz以上、さらに200MHz以上であり、クロック周期は20ns以内で、さらに2ns以内である。しかし、グローバルクロックの配線における遅延も正確に測定する必要があり、このような遅延は、配線の長さによって異なり、システムグローバルクロックと同じ位相を維持することはない。この遅延を正確に測定するために、グローバルクロックに依存することではなく、高精度のクロック測定装置を必要とし、最小測定スケールが基準クロックのクロック周期の1/2より小さい信号測定装置により、配線遅延又は位相偏差等のより高い精度が要求される時間測定を実現することができる。
好ましい実施態様において、信号記録部は、コントローラと、該コントローラにより駆動される時間変換器とを含み、該時間変換器の最小時間測定スケールを1ns以内とすることにより、キャリブレーション信号の送信時間T（0）及びリターン信号のリターン時間T（n）を正確に記録することができ、psレベルの時間精度が要求される場合に適用される。
さらに、該時間変換器はTDC（時間デジタル変換器）又はTAC(時間アナログ変換器)であってもよく、 TDC又はTACの時間精度は100ps以内である。TDCの場合において、TDCはコントローラの制御によりTDCのカウント値（記録された時間値）を読み込み、TDCは非同期タイミングである、つまり、クロック信号がリアルタイムでトリガされる（一般的に電気パルスのジャンプエッジトリガーである）ため、通信オーバーヘッドがない。また、TDCは完全にマスタークロック周波数に依存するとは限らず、回路遅延キャッチアップ回路によりタイミングを行い、タイミング精度は10psに達する。そのため、時間精度が100ps以内である信号記録部を信号の送信時間とリターン時間の記録に使用することにより、時間の同期精度がpsレベルである要求を満たすことができ、例えば、走査イメージングシステム等の時間精度に対する要求が高い分野に適用される。
また、構造の簡単化の観点から、前記基準となるクロック源、と前記基準となるクロック源と協働する信号記録部は、システム内の1つの端末に設置されてもよく、且つクロック源と信号記録部は1つのプロセッサを共用してもよい。
（2）前記キャリブレーション信号がネットワークを介して前記各端末に到達した後、各端末でそれぞれリターン信号が生成され、該リターン信号の到達時間T（n）を記録し、前記各端末の絶対偏差Delay(n)を記録する。
リターン信号の形式として複数の種類が挙げられるが、以下、リターン信号が応答信号又はキャリブレーション信号である場合を例に本発明を説明する。なお、リターン信号は他の形式である場合にも、本発明に開示される方法によりシステム内の各端末のグローバルクロックの形成を達成することができる。
キャリブレーション信号が前記各端末に到達した後、各端末は、直接回路を介してリターン信号リンクに接続され、キャリブレーション信号を返してもよく、コントローラ（例えば、FPGAのような非同期応答が可能なコントローラ）によってキャリブレーション信号を受信して、すぐに（コントローラのマスタークロックに依存しない条件で）応答信号を送信してもよい。リターン信号が送信された後、クロック源と協働する信号記録部がリターン信号の到達時間T（n）を受信して確定する。
（I）端末が応答して応答信号を返す場合に、基準クロック源と協働する信号記録部は応答信号の到達時間T（n）を記録する。端末が応答を行うのにある程度の時間がかかるため、前記各端末の絶対偏差をDelay(n) = (T(n)-T(0) -Δn)/2として確定し、ここで、Δnは各端末の応答反応時間である。Δn値がT(0)、T（n）と同じオーダーの精度を有することを確保するために、各端末内にもそれぞれ信号記録部を設置し、該信号記録部はネットワークを介して各端末と、クロック源と、クロック源と協働する信号記録部とに通信接続される。Δnは、各端末内の信号記録部により確定され、各端末がキャリブレーション信号を受信した後、各端末内の信号記録部は、該時間をt n1として記録し、各端末がそれぞれ応答信号を送信した後に、各端末内の信号記録部は該時間をtn2 として記録する場合に、前記Δn= tn2- t n1である。端末とクロック源との配線の長さをL(n)=Delay(n)*Cとして計算することができ、ここで、Cは、信号の配線における伝送速度であり、光速に近い。
（II）キャリブレーション信号として返す場合に、基準クロック源と協働する信号記録部は、キャリブレーション信号の到達時間T（n）を記録し、前記各端末の絶対偏差をDelay(n) = (T(n)-T(0))/2として確定する。また、端末とクロック源との配線の長さをL(n)=Delay(n)*Cとして計算することができ、Cは、信号の配線における伝送速度であり、光速に近い。
このようにして、システム内のすべての端末のクロック源からの絶対偏差が得られる。
（3）前記絶対偏差に基づいて、各端末の時間を調整してグローバルクロックを形成する。システム内のすべての端末が完全に一致する時間基準を有する必要がある場合に、前記算出された時間差（絶対偏差）を補正係数として用いることにより、各端末のタイミングシステムの完全な同期を確保することができる。ステップ（3）において、信号記録部又は各端末のプロセッサ又は外部プロセッサを介して、各端末の絶対偏差に応じた命令を送信して、各端末の時間を調整してグローバルクロックを形成してもよい。
上述したシステム内のグローバルクロックの提供方法において、最小時間測定スケールが基準となるクロック源のクロック周期の1/2より小さい信号記録部を使用してキャリブレーション信号の送信時間T（0）及びリターン信号の到達時間T（n）を確定することにより、システム内のグローバルクロックの同期精度を達成することができ、配線の問題を配慮する必要がない。
なお、図2と図3に示す実施例の方法のステップは、他の例示的な実施形態では異なる順序であってもよい。また、図2および図3に示す実施例における一部のステップは省略または他の既知の技術に置き換えることができ、ここでは列挙しない。
前記システム内のグローバルクロックの提供方法に対応して、本発明は、さらにシステム内のグローバルクロックの提供装置を提供する。該装置は、少なくとも1つのクロック源と、互いに通信可能に接続されている少なくとも2つの端末と、クロック源と協働する信号記録部とを含み、信号記録部はクロック源に通信接続され、各端末は、それぞれ信号記録部とクロック源を介して通信し、各端末からクロック源までの絶対偏差を確定する。
各端末は、それぞれネットワーク及び信号記録部を介してクロック源に通信接続されておる。初期化の際に、クロック源はネットワークにキャリブレーション信号を送信し、信号記録部はキャリブレーション信号の現在の送信時間T(0)を記録し、ネットワークに接続されている各端末は、クロック源からの距離が異なるため、順次に該キャリブレーション信号を受信し、また、該信号を返し（自発的な折り返しであってもよく、又は、受動的な折り返しであってもよい）、リターン信号（即ち、キャリブレーション信号又は応答信号）は、ネットワークを介して順次信号記録部に返され、信号記録部は、さらに各リターン信号の到達時間T（n）を順次記録することにより、信号記録部は、各端末とクロック源信号との間の遅延（絶対偏差）を正確に測定することができ、実際のシステムにおいて、該遅延を補正パラメータとして、すべての端末が完全に一致する時間基準を有することを保証することができる。
信号記録部は常用のタイミング素子であれば、システム内の各端末のグローバルクロックを効果的に達成することができ、本発明の装置を時間精度に対する要求が高い場合に用いる場合に、信号記録部の最小時間測定スケールは、基準となるクロック源のクロック周期の1/2より小さく設定される。
好ましい実施態様において、信号記録部は、コントローラと、該コントローラにより駆動される時間変換器とを含み、該時間変換器の最小時間測定スケールを1ns以内とすることにより、キャリブレーション信号の送信時間T（0）及びリターン信号のリターン時間T（n）を正確に記録することができ、psレベルの時間精度が要求される場合に適用される。
さらに、該時間変換器はTDC（時間デジタル変換器）又はTAC(時間アナログ変換器)であってもよく、 TDC又はTACの時間精度は100ps以内である。TDCの場合において、TDCはコントローラの制御によりTDCのカウント値（記録された時間値）を読み込み、TDCは非同期タイミングである、つまり、クロック信号がリアルタイムでトリガされる（一般的に電気パルスのジャンプエッジトリガーである）ため、通信オーバーヘッドがない。また、TDCは完全にマスタークロック周波数に依存するとは限らず、回路遅延キャッチアップ回路によりタイミングを行い、タイミング精度は10psに達する。そのため、時間精度が100ps以内である信号記録部を信号の送信時間とリターン時間の記録に使用することにより、時間の同期精度がpsレベルである要求を満たすことができ、例えば走査イメージングシステム等の時間精度に対する要求が高い分野に適用される。
端末は応答信号の形でリターン信号を返す場合、一般的な通信分野に使用される場合に、各端末内に事前にΔnを応答時間として設定し、時間精度を確保するために、各端末内にそれぞれ信号記録部を設置し、各端末内の信号記録部も、それぞれコントローラと、該制御コントローラにより駆動される高精度時間変換器とを含み、ネットワークに接続される各端末がキャリブレーション信号を受信した後、各端末内の信号記録部は該時間をt n1として記録し、各端末からそれぞれ応答信号を送信した後に、各端末内の信号記録部は該時間をtn2 として記録した場合に、前記Δn= tn2- t n1である。このような方法により確定されたΔn値はT(0)、T（n）と同じオーダーの精度を有する。
前記クロック源と協働する信号記録部と各端末との間に、1本の配線によりキャリブレーション信号（応答信号）の往復を達成してもよく、双方向通信接続により信号の往復を達成してもよい。1本の配線により信号の往復を達成する場合に、すべての端末が接続されているため、信号が放送によって送信されると、信号記録部及び他の端末も該信号を受信するので、他の端末が当該信号をクロック源の信号として誤認しないように、端末のコントローラが信号を受信した後すぐに信号（該信号がクロック源のキャリブレーション信号と異なることが好ましい）を送信する必要がある。双方向通信接続の場合に、キャリブレーション信号の送受信が区別されるため、この問題の配慮を必要とせず、信号の送受信が容易になる。
また、本発明のシステム内のグローバルクロックの提供装置は、その信号測定が回路信号（電気パルスのジャンプ）に基づいて異なる端末の時間遅延と偏差を取得し、信号が固定媒体を介して伝送されるとき、その遅延および偏差はより正確に確定される。グローバルクロックの精度がpsレベルである要求を達成するために、クロック源と信号記録部との接続、信号記録部と端末との接続、及び、各端末間の接続はいずれも有線接続とされる。
以上の説明から分かるように、本発明のシステム内のグローバルクロックの提供装置によれば、各端末は、最終的に信号記録部を介してクロック源に通信接続されることのみを満足すれば、システム内のグローバルクロックの設置を達成することができ、各端末間の接続方式、端末とクロック源との配線の長さを配慮する必要がなく、従来技術においてすべての配線の長さが正確であることが必要で設計及び達成に困難があるとの問題を解決することができ、且つ、時間精度が100ps以内である信号記録部により各端末とクロック源との間の絶対偏差を確定するため、時間精度に対する要求が高い場合に特に適用される。
以下、実施例を参照しながら本発明のシステム内のグローバルクロックの提供装置を説明する。
本発明のシステム内のグローバルクロックの提供装置によれば、各端末間の設置方法又は接続を配慮する必要がなく、各端末とクロック源との間の配線の長さの問題も配慮する必要がないが、端末間の接続が複雑すぎると、実際の使用において不便である。
第1実施例において、図3に示すように、システム内のグローバルクロックの提供装置は、少なくとも1つのクロック源と、少なくとも2つの端末と、前記クロック源と協働する信号記録部とを含み、信号記録部はクロック源に通信可能に接続され、各端末間に、順次に双方向通信接続されて線形ネットワークが形成される。1つのシステムにおいて、線形ネットワークが複数本設置されてもよく、信号記録部は各線形ネットワークにおける1つの端末と双方向通信接続されている。図3に示す実施例において、好ましくは、1本の線形ネットワークが設置され、且つ信号記録部と先頭に位置する端末との接続は双方向通信接続であり、クロック源と信号記録部との接続、信号記録部と先頭に位置する端末との接続、及び各端末間の接続は、いずれも有線接続である。
線形ネットワークによりすべての端末が直列接続され、線形ネットワークの1つのノード（図3に示す実施例は、各端末からクロック源への距離が異なるように、線形ネットワークの一端とする）に唯一のクロック源とともに、1つの高精度の信号記録部が設置されている。まず、クロック源がキャリブレーション信号を送信すると同時に、クロック源の信号記録部がタイミングを開始し、キャリブレーション信号の送信時間をT(0)とする。各端末はクロック源からの距離が異なるため、順次にキャリブレーション信号を受信し、キャリブレーション信号を受信した後、すぐに応答し、又は直接に回路を経由してキャリブレーション信号をクロック源の信号記録部に返す。同様に、距離が異なるため、信号記録部は、順次各端末からの応答信号を受信し、順次時間T(n)を記録する。n個の端末がある場合に、端末とクロック源の時間遅延は、Delay(n)=(T(n)-T(0))/2又はDelay(n)＝ (T(n)-T(0) -Δn)/2であり、ここで、Δnの値は、用途に応じて前記ステップにより確定される。また、端末とクロック源との配線の長さをL(n)=Delay(n)*Cとして計算し、ここで、Cは、信号の配線における伝送速度であり、光速に近い。これにより、システムにおけるすべての端末とクロック源の絶対時間差が得られる。システムのすべての端末が完全に一致する時間基準を有することを必要とする場合に、前記算出されて時間差を補正係数として用いることにより、各端末のタイミングシステムの完全な同期を確保することができる。
システム内に複数本の線形ネットワークが設置されている時に、複数の端末からクロック源への距離が同じである場合がある。この場合、信号記録部が受信した応答信号の回数が端末値より少ない（少なくとも2つの信号が重なっていることを示すが、この確率は非常に低い。これは、信号記録部は間隔が10psを超える2つの信号を識別することができるからである。）とき、端子をバッチで測定し、1つずつ取得することができる。
このようにして、信号記録部を採用することにより、時間の制御精度が高く、また、クロック配線の長さを制御する必要もなく、接続が任意であり、システムの配線の量を大幅に減らすことができ、1グループの配線によりすべての端末を直列に接続すれば、グローバルクロックを達成することができ、端末の数が数百または数千である場合に、大量の配線によりシステムの組み立て及びメンテナンスが困難になる問題を解決することができる。また、端末の数を追加する場合に、直接に線形ネットワークに端末を追加するとともに、直前のクラックとの間の配線を追加すればよく、クロック源のハードウェアの変化を必要とせず、システムの拡張を簡単に達成することができる。
第2実施例において、図4に示すように、本発明のシステム内のグローバルクロックの提供装置は、少なくとも1つのクロック源と、少なくとも2つの端末と、前記クロック源と協働する信号記録部とを含み、信号記録部はクロック源に通信可能に接続され、各端末は、それぞれ信号記録部に双方向通信接続されて、信号記録部を介してクロック源と通信する。本実施例において、クロック源と各端末との間にもスター型ネットワークにより接続されるが、クロック源と各端末との間に信号記録部が追加され、且つ各端末は、それぞれ信号記録部に双方向通信接続されている。本実施例において、クロック源と信号記録部との接続、信号記録部と各端末との接続は有線接続であることが好ましい。
作業するときに、まず、クロック源がキャリブレーション信号を送信すると同時に、クロック源の信号記録部がタイミングを開始し、キャリブレーション信号の送信時間をT(0)とする。各端末はクロック源からの距離が異なるため、順次にキャリブレーション信号を受信し、各端末がキャリブレーション信号を受信した後、すぐに応答し、又は直接回路を接続してキャリブレーション信号をクロック源の信号記録部に返す。同様に、距離が異なるため、信号記録部は、順次に各端末からの応答信号を受信し、順次に時間T(n)を記録する。n個の端末がある場合に、端末とクロック源の時間遅延は、Delay(n)=(T(n)-T(0))/2又はDelay(n) (T(n)-T(0) -Δn)/2であり、Δnの値は、用途に応じて前記ステップにより確定される。また、端末とクロック源との配線の長さをL(n)=Delay(n)*Cとして計算し、Cは、信号の配線における伝送速度であり、光速に近い。これにより、システムにおけるすべての端末とクロック源の絶対時間差が得られる。システムのすべての端末が完全に一致する時間基準を有することを必要とする場合に、前記算出されて時間差を補正係数として用いることにより、各端末のタイミングシステムの完全な同期を確保することができる。
上述したように、システム内に複数本の線形ネットワークが設置されている時に、複数の端末からクロック源までの距離が同じである場合がある。この場合、信号記録部が受信した応答信号の回数が端末値より少ない（少なくとも2つの信号が重なっていることを示すが、この確率は非常に低い。これは、信号記録部は間隔が10psを超える2つの信号を識別することができるからである。）とき、端子をバッチで測定し、1つずつ取得することができる。
第2実施例のシステム内のグローバルクロックの提供装置によれば、従来技術に比べて、時間の同期精度が高い一方、各端末と信号記録部との間の配線の長さは、実際の必要に応じて任意に設置されることができ、クロック配線の長さを制御する必要がなく、配線が便利で簡単である。
上記の実施例は、当業者が本発明を理解し使用することができるように例示されたものである。当業者であれば、これらの実施例について様々な変更をすることができ、且つ、創造的な労働を必要とせず、ここで説明した原理を他の実施例に応用することができる。よって、本発明は前記実施例に限られず、本発明の趣旨から逸脱しない限り、本発明の開示及び示唆に基づいて行う改善や変更は、本発明の保護範囲に含まれるべきである。

Claims (10)

  1. システム内のグローバルクロックの提供方法であって、前記システムは、通信可能に接続されている少なくとも２つの端末を含み、前記方法は、
    キャリブレーション信号を生成し、前記キャリブレーション信号をシステム内の各端末に配信し、前記キャリブレーション信号の送信時間Ｔ（０）を記録するステップ（１）と、
    前記キャリブレーション信号が前記各端末に到達する時に、前記各端末でそれぞれリターン信号を生成し、前記リターン信号を受信し、前記リターン信号の到達時間Ｔ（ｎ）を記録し、前記各端末の絶対偏差Ｄｅｌａｙ（ｎ）を確定するステップ（２）と、
    前記絶対偏差に基づいて、各端末における時間を調整して、グローバルクロックを形成するステップ（３）と、
    を含み、
    前記キャリブレーション信号の送信時間Ｔ（０）及び前記リターン信号の到達時間Ｔ（ｎ）の受信と記録は、基準となるクロック源と協働する信号記録部により実行され、
    前記ステップ（１）において、前記基準となるクロック源と協働する信号記録部により、前記キャリブレーション信号をシステム内の各端末に配信し、
    基準となるクロック源と、前記基準となるクロック源と協働する信号記録部とは、システム内の端末の１つに属し、
    前記信号記録部の最小時間測定スケールは、基準となるクロック源のクロック周期の１／２より小さく、
    前記信号記録部の最小時間測定スケールは１ｎｓ以下若しくは１００ｐｓ以下であることを特徴とするシステム内のグローバルクロックの提供方法。
  2. システム内のグローバルクロックの提供方法であって、前記システムは、通信可能に接続されている少なくとも２つの端末を含み、前記方法は、
    キャリブレーション信号を生成し、前記キャリブレーション信号をシステム内の各端末に配信し、前記キャリブレーション信号の送信時間Ｔ（０）を記録するステップ（１）と、
    前記キャリブレーション信号が前記各端末に到達する時に、前記各端末でそれぞれリターン信号を生成し、前記リターン信号を受信し、前記リターン信号の到達時間Ｔ（ｎ）を記録し、前記各端末の絶対偏差Ｄｅｌａｙ（ｎ）を確定するステップ（２）と、
    前記絶対偏差に基づいて、各端末における時間を調整して、グローバルクロックを形成するステップ（３）と、
    を含み、
    前記ステップ（１）の前に、すべての前記端末をカバーする基準となるクロック源を確定するステップをさらに含み、
    前記クロック源は、クロックコントローラであり、若しくは、クロックコントローラとクロックコントローラに制御されるクロック発生器とを含み、
    前記キャリブレーション信号は、前記クロックコントローラが直接に送信した電気パルスにより形成されたものであり、又は、前記クロック発生器が前記クロックコントローラの駆動により生成したクロック信号であり、
    前記ステップ（２）において、前記リターン信号は、前記各端末がそれぞれ送信した応答信号であり、又はそれぞれ返された前記キャリブレーション信号であり、
    前記ステップ（３）において、応答信号又は前記キャリブレーション信号の到達時間Ｔ（ｎ）を記録し、前記各端末の絶対偏差Ｄｅｌａｙ（ｎ）を確定し、
    （Ｉ）前記リターン信号は前記応答信号である場合に、Ｄｅｌａｙ（ｎ）＝ （Ｔ（ｎ）−Ｔ（０） −Δｎ）／２であり、Δｎは各端末の応答反応時間であり、
    （ＩＩ）前記リターン信号は返された前記キャリブレーション信号である場合に、Ｄｅｌａｙ（ｎ）＝ （Ｔ（ｎ）−Ｔ（０））／２であることを特徴とするシステム内のグローバルクロックの提供方法。
  3. 前記ステップ（３）において、（Ｉ）の場合に、前記Δｎはシステムの所定値であり、又は前記Δｎは各端末内の信号記録部により確定され、前記各端末がキャリブレーション信号を受信した後、前記各端末内の信号記録部は、該時間をｔ ｎ１として記録し、前記各端末がそれぞれ応答信号を送信した後、前記各端末内の信号記録部は該時間をｔｎ２として記録する場合に、 前記Δｎ＝ ｔｎ２− ｔ ｎ１であり、
    前記ステップ（３）において、信号記録部、又は前記端末のプロセッサ、又は外部プロセッサにより前記各端末の絶対偏差を確定するとともに、各端末における時間を調整してグローバルクロックを形成することを特徴とする請求項２に記載のシステム内のグローバルクロックの提供方法。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載のシステム内のグローバルクロックの提供方法を実現する装置であって、
    基準となるクロック源と、通信可能に接続されている少なくとも２つの端末とを含み、
    前記クロック源と協働する信号記録部をさらに含み、前記クロック源と協働する信号記録部は前記クロック源に通信可能に接続され、前記各端末は、いずれも前記クロック源と協働する信号記録部を介して前記クロック源と通信して、各端末から前記クロック源までの時間の絶対偏差を確定し、前記信号記録部がすべての前記端末をカバーする基準となるクロック源を確定し、前記クロック源がキャリブレーション信号を生成してシステム内の各端末に配信し、前記各端末でそれぞれリターン信号を生成し、前記リターン信号を受信し且つ前記リターン信号の到達時間を記録するより、前記各端末の絶対偏差を確定でき、
    その中に、前記リターン信号は、前記各端末がそれぞれ送信した応答信号であり、又はそれぞれ返された前記キャリブレーション信号であり、応答信号又は前記キャリブレーション信号の到達時間を記録し、前記絶対偏差に基づいて、各端末における時間を調整して、グローバルクロックを形成することを特徴とするシステム内のグローバルクロックの提供装置。
  5. 前記クロック源と協働する信号記録部と前記端末との接続は、双方向通信接続であり、
    前記クロック源と協働する信号記録部とクロック源との接続、前記クロック源と協働する信号記録部と前記端末との接続、及び前記端末の間の接続は、有線接続であり、
    前記各端末内にそれぞれ信号記録部が設置されることにより、各端末の応答反応時間を確定することを特徴とする請求項４に記載のシステム内のグローバルクロックの提供装置。
  6. 前記端末の間に、順次に通信接続されて、少なくとも１本の線形ネットワーク構造が形成されており、前記クロック源と協働する信号記録部は、前記各線形ネットワーク構造における１つの端末に通信接続されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のシステム内のグローバルクロックの提供装置。
  7. 前記クロック源と協働する信号記録部は、前記各線形ネットワーク構造における端点にある端末に通信接続されており、
    前記端末の間の接続は、双方向通信接続であり、
    １本の前記線形ネットワークが設置されていることを特徴とする請求項６に記載のシステム内のグローバルクロックの提供装置。
  8. 前記各端末は、それぞれ前記クロック源と協働する信号記録部に直接に通信接続され、スター型ネットワーク構造を形成することを特徴とする請求項４又は５に記載のシステム内のグローバルクロックの提供装置。
  9. 前記信号記録部の最小時間測定スケールは、基準となるクロック源のクロック周期の１／２より小さく、
    前記信号記録部は、コントローラと、前記コントローラに通信接続され、前記コントローラにより駆動される時間変換器を含み、前記時間変換器の時間精度は１ｎｓ以内であり、
    前記時間変換器は、ＴＤＣ又はＴＡＣであり、前記ＴＤＣ又はＴＡＣの時間精度は１００ｐｓ以内であることを特徴とする請求項４又は５に記載のシステム内のグローバルクロックの提供装置。
  10. 前記クロック源は、クロックコントローラであり、若しくは、クロックコントローラと、クロックコントローラにより制御されるクロック発生器とを含むことを特徴とする請求項４又は５に記載のシステム内のグローバルクロックの提供装置。
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