JP6627489B2 - タイミング信号生成装置および電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、タイミング信号生成装置、電子機器および移動体に関する。
例えばＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの衛星信号等に含まれる正確なタイミング信号に同期させて水晶発振器や原子発振器等の発振器を発振させることにより高精度なタイミング信号を生成するタイミング信号生成装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、一般に、水晶発振器や原子発振器等の発振器は、周波数温度特性（温度変化に対する出力周波数の変動特性）を有しており、タイミング信号生成装置では、この周波数温度特性による出力周波数変動を補正することが行われる。
例えば、特許文献１に記載のタイミング信号生成装置は、水晶振動子に電圧信号が印加されることで基準周波数信号を発生する水晶発振器と、電圧信号を生成する制御手段と、水晶発振器の温度を検知して制御手段へ出力する温度検知手段と、を備える。そして、特許文献１に記載のタイミング信号生成装置では、制御手段が、順次取得して記憶された時系列の温度から、温度の時間変化状態を算出し、該温度の時間変化状態と温度とに基づいて電圧信号の信号レベルを補正して水晶発振器へ与える。
特開２０１０−６８０６５号公報
特許文献１に記載のタイミング信号生成装置では、水晶振動子に印加する電圧信号を水晶発振器の温度に応じて補正するため、水晶振動子の電圧信号の電圧値に対する出力周波数の線形性が悪い場合、電圧信号の電圧値の経時的な変動に伴って補正精度が劣化してしまうという問題がある。このような問題は、地上デジタル放送、携帯電話基地局等の極めて高い精度仕様の要求に対して発振器として原子発振器を用いる場合、原子発振器の制御電圧に対する発振周波数の線形性が悪いため、特に顕著となる。
本発明の目的は、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたり高精度なタイミング信号を生成することができるタイミング信号生成装置を提供すること、また、かかるタイミング信号生成装置を備える電子機器および移動体を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のタイミング信号生成装置は、基準タイミング信号を出力する基準タイミング信号出力部と、
入力される電圧値に応じたクロック信号を出力する原子発振器と、
前記基準タイミング信号と前記クロック信号との同期状態に応じて前記電圧値を調整する電圧調整部と、
前記原子発振器の温度に応じた信号を出力する温度センサーと、
前記クロック信号を周波数変換して出力する周波数変換部と、
前記温度センサーの出力に基づいて、前記周波数変換部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
このようなタイミング信号生成装置によれば、制御部が温度センサーの出力に基づいて周波数変換部を制御することで、原子発振器の周波数温度特性（温度変化に対する出力周波数の変動特性）によるタイミング信号生成装置の出力周波数の変動を低減することができる。特に、周波数変換部が原子発振器のクロック信号を周波数変換するため、入力される電圧値（制御電圧）に対する出力周波数の線形性が悪い原子発振器を用いても、長期にわたり、タイミング信号生成装置の出力周波数の補正を容易かつ高精度に行うことができる。また、基準タイミング信号出力部が基準タイミング信号を出力することができない状況になったときにおいても、原子発振器からのクロック信号を用いることで、高精度なタイミング信号を生成することができる。そのため、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたりクロック信号を高精度なタイミング信号として生成することができる。
本発明のタイミング信号生成装置では、前記原子発振器は、原子が封入されている原子セルと、前記電圧値に応じて前記原子に磁場を印加するコイルと、前記原子の遷移周波数に応じて前記クロック信号を出力する電圧制御型発振器と、を有することが好ましい。
このような原子発振器では、出力周波数（クロック信号の周波数）が電圧値の２乗に比例して変化するため、原子発振器に入力される電圧値（制御電圧）に対する出力周波数の線形性が悪い。そのため、仮に、コイルに入力する電圧値を調整して周波数温度特性の補正を行うと、エージング特性に起因して経時的に周波数温度特性の補正精度が劣化したり、エージング特性を加味した周波数温度特性の補正データを膨大に保持しなければならなかったり、複雑な制御が必要になったりする。したがって、このような原子発振器を用いる場合に、本発明を適用すると、その効果が顕著となる。
本発明のタイミング信号生成装置では、外部にタイミング信号を出力する出力部を備え、
前記周波数変換部は、前記原子発振器と前記出力部との間に設けられていることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、補正したクロック信号をタイミング信号として出力部から出力することができる。
本発明のタイミング信号生成装置では、前記周波数変換部は、ダイレクトデジタルシンセサイザーであることが好ましい。
これにより、簡単かつ高精度に、クロック信号を周波数変換して補正を行うことができる。
本発明のタイミング信号生成装置では、前記原子発振器は、前記原子を励起する共鳴光対を出射する光源部と、前記原子セルを通過した前記共鳴光対を受光する受光部と、前記受光部の受光結果に基づいて前記電圧制御型発振器の発振周波数を制御する周波数制御部と、前記クロック信号を逓倍して出力する逓倍部と、を有し、前記光源部が前記逓倍部の出力を用いて駆動され、
前記周波数変換部は、前記逓倍部に設けられていることが好ましい。
これにより、補正したクロック信号を原子発振器から出力することができる。
本発明のタイミング信号生成装置では、前記周波数変換部は、フラクショナル位相同期回路であることが好ましい。
これにより、簡単かつ高精度に、クロック信号を周波数変換して補正を行うことができる。
本発明のタイミング信号生成装置では、前記電圧調整部は、前記クロック信号を分周して出力する分周器と、前記分周器の出力と前記基準タイミング信号との位相を比較する位相比較器と、前記位相比較器と前記原子発振器との間に設けられているループフィルターと、を有し、
前記周波数変換部は、前記分周器に設けられていることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、補正したクロック信号を原子発振器から出力することができる。
本発明のタイミング信号生成装置では、前記原子発振器の周波数温度特性に関する補正情報を記憶している記憶部を備え、
前記制御部は、前記補正情報と前記温度センサーの出力とに基づいて、前記周波数変換部を制御することが好ましい。
これにより、原子発振器の周波数温度特性に応じてクロック信号の補正を的確に行うことができる。
本発明のタイミング信号生成装置では、前記基準タイミング信号出力部は、衛星信号に基づいて前記基準タイミング信号を出力することが好ましい。
これにより、協定世界時（ＵＴＣ：Coordinated Universal Time）に同期した正確な基準タイミング信号（１ＰＰＳ）を用いることができる。
本発明の電子機器は、本発明のタイミング信号生成装置を備えていることを特徴とする。
これにより、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたり高精度なタイミング信号を生成することができるタイミング信号生成装置を備える電子機器を提供することができる。
本発明の移動体は、本発明のタイミング信号生成装置を備えていることを特徴とする。
これにより、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたり高精度なタイミング信号を生成することができるタイミング信号生成装置を備える移動体を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。 図１に示すタイミング信号生成装置が備えるＧＰＳ受信機の構成例を示すブロック図である。 図１に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器の概略構成図である。 アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。 光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。 図３に示す原子発振器の周波数温度特性の一例を示すグラフである。 図３に示す原子発振器の制御電圧の経時変化（エージング特性）の一例を示すグラフである。 図３に示す原子発振器の制御電圧と発振周波数との関係を示すグラフである。 図１に示す周波数変換部（ＤＤＳ）の設定値（補正値）と出力信号の周波数との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。 図１０に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器の概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。 本発明の電子機器の実施形態を示すブロック図である。 本発明の移動体の実施形態を示す図である。
以下、本発明のタイミング信号生成装置、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．タイミング信号生成装置
図１は、本発明の第１実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。
図１に示すタイミング信号生成装置１は、ＧＰＳ受信機１０（基準タイミング信号出力部）、処理部（ＣＰＵ）２０、原子発振器３０（発振器）、温度センサー４０、ＧＰＳアンテナ５０、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）６０（周波数変換部）および記憶部８０を含んで構成されている。
なお、タイミング信号生成装置１は、構成要素の一部または全部が物理的に分離されていてもよいし、一体化されていてもよい。例えば、ＧＰＳ受信機１０と処理部（ＣＰＵ）２０はそれぞれ別個のＩＣで実現されていてもよいし、ＧＰＳ受信機１０と処理部（ＣＰＵ）２０は１チップのＩＣとして実現されていてもよい。
このタイミング信号生成装置１は、ＧＰＳ衛星２（位置情報衛星の一例）から送信された衛星信号を受信し、高精度の１ＰＰＳを生成するものである。
ＧＰＳ衛星２は、地球の上空の所定の軌道上を周回しており、搬送波である１．５７５４２ＧＨｚの電波（Ｌ１波）に航法メッセージおよびＣ／Ａコード（Coarse/Acquisition Code）を重畳（搬送波を変調）させた衛星信号を地上に送信している。
Ｃ／Ａコードは、現在約３０個存在するＧＰＳ衛星２の衛星信号を識別するためのものであり、各ｃｈｉｐが＋１または−１のいずれかである１０２３ｃｈｉｐ（１ｍｓ周期）からなる固有のパターンである。したがって、衛星信号と各Ｃ／Ａコードのパターンの相関をとることにより、衛星信号に重畳されているＣ／Ａコードを検出することができる。
各ＧＰＳ衛星２が送信する衛星信号（具体的には航法メッセージ）には、各ＧＰＳ衛星２の軌道上の位置を示す軌道情報が含まれている。また、各ＧＰＳ衛星２は原子時計を搭載しており、衛星信号には、原子時計で計時された極めて正確な時刻情報が含まれている。したがって、４つ以上のＧＰＳ衛星２からの衛星信号を受信し、各衛星信号に含まれている軌道情報および時刻情報を用いて測位計算を行うことで、受信点（ＧＰＳアンテナ５０の設置場所）の位置と時刻の正確な情報を得ることができる。具体的には、受信点の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）および時刻ｔを４つの変数とする４次元方程式を立ててその解を求めればよい。
なお、受信点の位置が既知である場合、１つ以上のＧＰＳ衛星２からの衛星信号を受信し、各衛星信号に含まれている時刻情報を用いて受信点の時刻情報を得ることができる。
また、各衛星信号に含まれている軌道情報を用いて、各ＧＰＳ衛星２の時刻と受信点の時刻との差の情報を得ることができる。なお、地上のコントロールセグメントにより各ＧＰＳ衛星２に搭載されている原子時計のわずかな時刻誤差が測定されており、衛星信号にはその時刻誤差を補正するための時刻補正パラメーターも含まれており、この時刻補正パラメーターを用いて受信点の時刻を補正することで極めて正確な時刻情報を得ることができる。
ＧＰＳアンテナ５０は、衛星信号を含む各種の電波を受信するアンテナであり、ＧＰＳ受信機１０に接続されている。
［ＧＰＳ受信機（基準タイミング信号出力部）］
ＧＰＳ受信機１０（基準タイミング信号出力部）は、ＧＰＳアンテナ５０を介して受信した衛星信号に基づいて、各種の処理を行う。
具体的に説明すると、ＧＰＳ受信機１０は、通常測位モードおよび位置固定モードを有し、処理部（ＣＰＵ）２０からの制御コマンドに応じて通常測位モードと位置固定モードのいずれかに設定される。
ＧＰＳ受信機１０は、通常測位モードでは、複数（好ましくは４個以上）のＧＰＳ衛星２から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に含まれる軌道情報（具体的には、エフェメリスデータやアルマナックデータ等）および時刻情報（具体的には、週番号データやＺカウントデータ等）に基づいて測位計算を行う。通常測位モードは、継続的に測位計算を行うモードである。
また、ＧＰＳ受信機１０は、位置固定モードでは、少なくとも１つのＧＰＳ衛星２から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に含まれる軌道情報および時刻情報と設定された受信点の位置情報とに基づいて、「基準タイミング信号」として１ＰＰＳ（1 Pulse Per Second）を生成する。１ＰＰＳ（基準時刻に同期した基準タイミング信号の一例）は、ＵＴＣ（世界標準時）と完全同期したパルス信号であり、１秒毎に１パルスを含む。このように、ＧＰＳ受信機１０が基準タイミング信号の生成に用いる衛星信号が軌道情報および時刻情報を含んでいることにより、基準時刻に正確に同期したタイミング信号を生成することができる。位置固定モードは、あらかじめ設定された位置情報に基づいて１ＰＰＳを出力するモードである。
以下、ＧＰＳ受信機１０の構成について詳述する。
図２は、図１に示すタイミング信号生成装置が備えるＧＰＳ受信機の構成例を示すブロック図である。
図２に示すＧＰＳ受信機１０は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）フィルター１１、ＲＦ処理部１２、ベースバンド処理部１３および温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）１４を含んで構成されている。
ＳＡＷフィルター１１は、ＧＰＳアンテナ５０が受信した電波から衛星信号を抽出する処理を行う。このＳＡＷフィルター１１は、１．５ＧＨｚ帯の信号を通過させるバンドパスフィルターとして構成される。
ＲＦ処理部１２は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）１２１、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）１２２、ミキサー１２３、ＩＦアンプ１２４、ＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）フィルター１２５およびＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１２６を含んで構成されている。
ＰＬＬ１２１は、数十ＭＨｚ程度で発振するＴＣＸＯ１４の発振信号を１．５ＧＨｚ帯の周波数に逓倍したクロック信号を生成する。
ＳＡＷフィルター１１が抽出した衛星信号は、ＬＮＡ１２２で増幅される。ＬＮＡ１２２で増幅された衛星信号は、ミキサー１２３でＰＬＬ１２１が出力するクロック信号とミキシングされて中間周波数帯（例えば、数ＭＨｚ）の信号（ＩＦ信号）にダウンコンバートされる。ミキサー１２３でミキシングされた信号は、ＩＦアンプ１２４で増幅される。
ミキサー１２３でのミキシングにより、ＩＦ信号とともにＧＨｚオーダーの高周波信号も生成されるため、ＩＦアンプ１２４はＩＦ信号とともにこの高周波信号も増幅する。ＩＦフィルター１２５は、ＩＦ信号を通過させるとともに、この高周波信号を除去する（正確には、所定のレベル以下に減衰させる）。ＩＦフィルター１２５を通過したＩＦ信号はＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１２６でデジタル信号に変換される。
ベースバンド処理部１３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１３１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１３２、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）１３３およびＲＴＣ（リアルタイムクロック）１３４を含んで構成されており、ＴＣＸＯ１４の発振信号をクロック信号として各種処理を行う。
ＤＳＰ１３１とＣＰＵ１３２は、協働しながら、ＩＦ信号からベースバンド信号を復調し、航法メッセージに含まれる軌道情報や時刻情報を取得し、通常測位モードの処理あるいは位置固定モードの処理を行う。
ＳＲＡＭ１３３は、取得された時刻情報や軌道情報、所定の制御コマンド（位置設定用の制御コマンド）に応じて設定された受信点の位置情報、位置固定モード等で用いる仰角マスク等を記憶するためのものである。ＲＴＣ１３４は、ベースバンド処理を行うためのタイミングを生成するものである。このＲＴＣ１３４は、ＴＣＸＯ１４からのクロック信号でカウントアップされる。
具体的には、ベースバンド処理部１３は、各Ｃ／Ａコードと同一のパターンのローカルコードを発生し、ベースバンド信号に含まれる各Ｃ／Ａコードとローカルコードの相関をとる処理（衛星サーチ）を行う。そして、ベースバンド処理部１３は、各ローカルコードに対する相関値がピークになるようにローカルコードの発生タイミングを調整し、相関値が閾値以上となる場合にはそのローカルコードをＣ／ＡコードとするＧＰＳ衛星２に同期（ＧＰＳ衛星２を捕捉）したものと判断する。なお、ＧＰＳでは、すべてのＧＰＳ衛星２が異なるＣ／Ａコードを用いて同一周波数の衛星信号を送信するＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式を採用している。したがって、受信した衛星信号に含まれるＣ／Ａコードを判別することで、捕捉可能なＧＰＳ衛星２を検索することができる。
また、ベースバンド処理部１３は、捕捉したＧＰＳ衛星２の軌道情報や時刻情報を取得するために、当該ＧＰＳ衛星２のＣ／Ａコードと同一のパターンのローカルコードとベースバンド信号をミキシングする処理を行う。ミキシングされた信号には、捕捉したＧＰＳ衛星２の軌道情報や時刻情報を含む航法メッセージが復調される。そして、ベースバンド処理部１３は、航法メッセージに含まれる軌道情報や時刻情報を取得し、ＳＲＡＭ１３３に記憶する処理を行う。
また、ベースバンド処理部１３は、所定の制御コマンド（具体的にはモード設定用の制御コマンド）を受信し、通常測位モードと位置固定モードのいずれかに設定される。ベースバンド処理部１３は、通常測位モードでは、ＳＲＡＭ１３３に記憶されている４つ以上のＧＰＳ衛星２の軌道情報および時刻情報を用いて測位計算を行う。
また、ベースバンド処理部１３は、位置固定モードでは、ＳＲＡＭ１３３に記憶されている１つ以上のＧＰＳ衛星２の軌道情報と、ＳＲＡＭ１３３に記憶されている受信点の位置情報とを用いて高精度の１ＰＰＳを出力する。具体的には、ベースバンド処理部１３は、ＲＴＣ１３４の一部に１ＰＰＳの各パルスの発生タイミングをカウントする１ＰＰＳカウンターを備えており、ＧＰＳ衛星２の軌道情報と受信点の位置情報とを用いて、ＧＰＳ衛星２から送信された衛星信号が受信点まで到達するのに要する伝搬遅延時間を計算し、この伝搬遅延時間に基づき１ＰＰＳカウンターの設定値を最適値に変更する。
なお、ベースバンド処理部１３は、通常測位モードにおいて、測位計算で得られた受信点の時刻情報に基づき１ＰＰＳを出力してもよく、位置固定モードにおいて、複数のＧＰＳ衛星２が捕捉できれば測位計算を行ってもよい。
また、ベースバンド処理部１３は、測位計算の結果の位置情報や時刻情報、受信状況（ＧＰＳ衛星２の捕捉数、衛星信号の強度等）等の各種情報を含むＮＭＥＡデータを出力する。
以上説明したように構成されたＧＰＳ受信機１０の動作は、図１に示す処理部（ＣＰＵ）２０により制御される。
［処理部］
処理部２０は、ＧＰＳ受信機１０に対して各種の制御コマンドを送信してＧＰＳ受信機１０の動作を制御し、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳやＮＭＥＡデータを受け取って各種の処理を行う。なお、処理部２０は、例えば、記憶部８０に記憶されているプログラムにしたがって、各種処理を行ってもよい。
この処理部２０は、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２３（制御部）、分周器２４およびＧＰＳ制御部２５を含んで構成されている。なお、ＤＳＰ２３およびＧＰＳ制御部２５が１つの部品で構成されていてもよい。
ＤＳＰ２３（「位置情報生成部」の一例）は、ＧＰＳ受信機１０から定期的に（例えば、１秒毎に）ＮＭＥＡデータを取得し、ＮＭＥＡデータに含まれる位置情報（ＧＰＳ受信機１０による通常測位モードでの測位計算の結果）を集めて所定時間における統計情報を作成し、その統計情報に基づいて、受信点の位置情報を生成する処理を行う。
また、ＤＳＰ２３は、温度センサー４０の出力に基づいて、ＤＤＳ６０を制御する機能を有する。より具体的には、ＤＳＰ２３は、温度センサー４０の出力と、記憶部８０に記憶されている周波数温度特性に関する補正情報とを用いて補正値を求め、その補正値をＤＤＳ６０に入力することで、ＤＤＳ６０の設定値を調整する。なお、ＤＤＳ６０の制御については、後述する原子発振器３０のクロック信号の周波数補正の説明とともに、後に詳述する。
ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信機１０に各種の制御コマンドを送信し、ＧＰＳ受信機１０の動作を制御する。具体的には、ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信機１０にモード設定用の制御コマンドを送信し、ＧＰＳ受信機１０を通常測位モードから位置固定モードに切り替える処理を行う。また、ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信機１０を通常測位モードから位置固定モードに切り替える前に、ＧＰＳ受信機１０に位置設定用の制御コマンドを送信し、ＤＳＰ２３が生成した受信点の位置情報をＧＰＳ受信機１０に設定する処理を行う。
分周器２４は、原子発振器３０が出力するクロック信号（周波数：ｆ）をｆ分周し、１Ｈｚの分周クロック信号を出力する。
位相比較器２１は、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳ（基準タイミング信号）と分周器２４が出力する１Ｈｚの分周クロック信号（クロック信号）とを位相比較し、その比較結果として位相差に応じた電圧値Ｖｃｏｎの位相差信号を出力する。この位相差信号は、ループフィルター２２を介して原子発振器３０に入力される。ループフィルター２２のパラメーターは、ＤＳＰ２３により設定される。
分周器２４が出力する１Ｈｚの分周クロック信号は、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳと同期しており、タイミング信号生成装置１は、この分周クロック信号をＵＴＣと同期した極めて周波数精度の高い１ＰＰＳとして外部に出力する。また、タイミング信号生成装置１は、１ＰＰＳと同期して１秒毎に最新のＮＭＥＡデータを外部に出力する。
原子発振器３０は、ループフィルター２２の出力電圧（制御電圧）に応じて周波数を微調整可能に構成されており、前述のように、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ２３および分周器２４により、原子発振器３０が出力するクロック信号はＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳに完全に同期する。すなわち、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ２３および分周器２４は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を構成し、原子発振器３０が出力するクロック信号を１ＰＰＳに同期させる「同期制御部」として機能する。また、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ２３および分周器２４は、ＧＰＳ受信機１０からの基準タイミング信号と原子発振器３０からのクロック信号との同期状態に応じて、原子発振器３０に入力される電圧値を調整する「電圧調整部」として機能する。
［原子発振器（発振器）］
原子発振器３０は、例えばルビジウム原子やセシウム原子等の原子のエネルギー遷移を利用した周波数精度の高いクロック信号を出力可能な発振器である。原子発振器３０として、例えば、ＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）現象とも呼ばれる）を利用した方式の原子発振器や、光マイクロ２重共鳴現象を利用した方式の原子発振器等を利用することができる。
以下、ＥＩＴ現象を利用した方式の原子発振器３０の構成について詳述する。
図３は、図１に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器の概略構成図である。図４は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。図５は、光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
原子発振器３０は、図３に示すように、原子セル３１（ガスセル）と、光源部３２と、受光部３３と、コイル３４と、光源制御部３５と、磁場制御部３６と、を備えている。
原子セル３１は、例えばガラスで構成されており、密閉された内部空間を有する。この原子セル３１内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のガス状のアルカリ金属が封入されている。また、原子セル３１内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属とともに封入されていてもよい。ここで、原子セル３１は、原子セル３１の温度を検出する温度センサー（図示せず）の検出結果に基づいて駆動されるヒーター（図示せず）により加熱されている。これにより、原子セル３１中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
アルカリ金属は、図４に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（第１基底準位および第２基底準位）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、第１基底準位は、第２基底準位よりも低いエネルギー準位である。２種の第１共鳴光および第２共鳴光をアルカリ金属に照射したとき、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、第１共鳴光および第２共鳴光のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
そして、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、第１基底準位および第２基底準位から励起準位への励起がそれぞれ停止する。このとき、第１共鳴光および第２共鳴光は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
例えば、第１共鳴光の周波数ω１を固定し、第２共鳴光の周波数ω２を変化させていくと、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、受光部３３の受光強度（検出強度）は、図５に示すように、前述したＥＩＴ現象に伴って急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。
図３に示す光源部３２は、原子セル３１内のアルカリ金属原子を共鳴（励起）させる共鳴光対を構成する前述した第１共鳴光および第２共鳴光を含む光ＬＬを出射する機能を有する。この光源部３２としては、前述したような光ＬＬを出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
受光部３３は、原子セル３１内を透過した光ＬＬ（特に、第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対）を受光して強度を検出する機能を有する。この受光部３３としては、上述したような光ＬＬの強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
コイル３４は、通電により原子セル３１内のアルカリ金属に磁場を印加する機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、原子セル３１内のアルカリ金属原子の縮退している異なる複数のエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器３０の発振周波数の精度を高めることができる。
このコイル３４は、ソレノイド型を構成するように原子セル３１の外周に沿って巻回して設けられたコイルで構成されていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように原子セル３１を介して対向して設けられた１対のコイルで構成されていてもよい。
光源制御部３５は、前述した受光部３３の検出結果に基づいて、光源部３２から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する機能を有する。この光源制御部３５は、周波数制御部３５１と、電圧制御型水晶発振器３５２（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、位相同期回路３５３（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有している。
周波数制御部３５１は、受光部３３の受光強度（受光結果）に基づいて原子セル３１内のＥＩＴ状態を検出し、その検出結果に応じた制御電圧を出力する。これにより、周波数制御部３５１は、受光部３３でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器３５２の発振周波数を制御する。
電圧制御型水晶発振器３５２（電圧制御型発振器）は、周波数制御部３５１により所望の発振周波数となるように制御され、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度の周波数で発振する。すなわち、電圧制御型水晶発振器３５２は、原子セル３１内の原子の遷移周波数に応じて周波数ｆのクロック信号を出力する。また、電圧制御型水晶発振器３５２の出力信号は、位相同期回路３５３に入力されるとともに、原子発振器３０の出力信号として出力される。なお、電圧制御型水晶発振器３５２に代えて、水晶を用いない電圧制御型発振器を用いてもよい。
位相同期回路３５３は、電圧制御型水晶発振器３５２からの出力信号を周波数逓倍して出力する。そして、位相同期回路３５３は、前述したアルカリ金属原子の２つの異なる２つの基底準位のエネルギー差ΔＥに相当する周波数の１／２の周波数で発振する。このように逓倍された信号（高周波信号）は、直流バイアス電流が重畳された上で駆動信号として光源部３２に入力される。これにより、光源部３２に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光である第１共鳴光および第２共鳴光を出射させることができる。ここで、直流バイアス電流の電流値は、図示しないバイアス制御部により所定値に制御される。これにより、第１共鳴光および第２共鳴光の中心波長を所望に制御することができる。
また、磁場制御部３６は、ループフィルター２２の出力電圧（制御電圧）に応じてコイル３４への通電を制御する機能を有する。これにより、コイル３４は、ループフィルター２２の出力電圧（電圧値）に応じて原子セル３１内の原子に磁場を印加する。
以上説明したように構成された原子発振器３０は、単体では周波数温度特性が平坦ではない。そのため、原子発振器３０の出力信号（クロック信号）は、図１に示すように、ＤＤＳ６０に入力され、温度センサー４０の出力（検出温度）に応じて補正される。ここで、ＤＳＰ２３が、温度センサー４０の出力に基づいて、ＤＤＳ６０の設定値（補正値）を調整する処理を行う。なお、原子発振器３０のクロック信号の周波数補正については、後に詳述する。
また、ＧＰＳ受信機１０が衛星信号を受信できない等の状況（ホールドオーバー）が発生すると、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳの精度が劣化し、あるいは、ＧＰＳ受信機１０が１ＰＰＳの出力を停止する。そのような場合、処理部２０は、原子発振器３０が出力するクロック信号をＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳに同期（以下、「ＧＰＳロック」ともいう）させる処理を停止して原子発振器３０を自走発振させる。このようにすれば、タイミング信号生成装置１は、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳの精度が劣化した場合でも、原子発振器３０の自走発振による周波数精度の高い１ＰＰＳを出力することができる。このように、タイミング信号生成装置１では、ＧＰＳ受信機１０が基準タイミング信号を出力することができない状況になったときにおいても、原子発振器３０からのクロック信号を用いることで、高精度なタイミング信号を生成することができる。なお、原子発振器３０に代えてダブルオーブンもしくはシングルオーブンの恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）、温度補償回路付き水晶発振回路（ＴＣＸＯ）等の水晶発振器を用いても、自走発振による周波数精度の高い１ＰＰＳを出力することができる。
［温度センサー］
図１に示す温度センサー４０は、原子発振器３０の近傍に配置され、原子発振器３０の温度（設置環境の温度）に応じた信号を出力する機能を有する。これにより、温度センサー４０の出力に基づいて、原子発振器３０の温度を検出することができる。この温度センサー４０は、例えば、熱電対またはサーミスタ等を含んで構成されている。
［ＤＤＳ（周波数変換部）］
図１に示すＤＤＳ６０は、原子発振器３０からのクロック信号（すなわち前述した電圧制御型水晶発振器３５２からのクロック信号）をＤＳＰ２３からの補正値（設定値）に応じて周波数変換（周波数変調）する機能を有する。ＤＤＳ６０の出力（補正された周波数ｆ’のクロック信号）は、タイミング信号生成装置１の出力として出力部７０から外部に出力される。なお、ＤＤＳ６０については、後述する原子発振器３０のクロック信号の周波数補正の説明とともに、後に詳述する。
［記憶部］
図１に示す記憶部８０は、処理部２０の動作に必要な各種情報を記憶する機能を有する。特に、記憶部８０には、原子発振器３０の周波数温度特性に関する補正情報が記憶されている。
以上、タイミング信号生成装置１の構成を説明した。
［原子発振器のクロック信号の周波数補正］
以下、原子発振器３０のクロック信号の周波数補正について詳述する。
図６は、図３に示す原子発振器の周波数温度特性の一例を示すグラフである。
原子発振器３０は、例えば、図６中の実線で示すように、周波数温度特性（温度変化に対する出力周波数の変動特性）が平坦ではない。したがって、仮に何ら補正を行わない場合、原子発振器３０の設置環境における温度変化によって原子発振器３０のクロック信号が変動することとなる。ここで、原子発振器３０を自走発振させる時（ホールドオーバー時）だけでなく、前述したように、ＧＰＳロック時において、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ２３および分周器２４がＧＰＳ受信機１０からの基準タイミング信号と原子発振器３０からのクロック信号との位相を同期させようとしても、原子発振器３０の設置環境における温度変化が原子発振器３０の制御信号に対する応答速度よりも速く急激に起こった場合等には、前述したような周波数温度特性の影響が現れて、原子発振器３０のクロック信号が変動することとなる。なお、原子発振器３０を自走発振させる際には、後述する周波数エージング特性を加味した補正を別途行うことで周波数特性の向上を図ることができる。
図７は、図３に示す原子発振器の制御電圧の経時変化（エージング特性）の一例を示すグラフである。
原子発振器３０は、電圧値Ｖｃｏｎ（制御電圧）を一定にしても、出力周波数ｆが経時的に変化してしまう特性、すなわち周波数エージング特性を有する。そのため、原子発振器３０の出力周波数ｆを一定としたとき、この周波数エージング特性に起因して、図７に示すように、電圧値Ｖｃｏｎ（制御電圧）が経時的に変化してしまう。例えば、電圧値Ｖｃｏｎは、初期から１０年目に向かって、初期の電圧値Ｖ０、１年目の電圧値Ｖ１、５年目の電圧値Ｖ２、１０年目の電圧値Ｖ３の順に次第に大きくなる。なお、図７に示す周波数エージング特性は、一例であり、直線的に増加するものに限らず、例えば、直線的に減少するもの、二次曲線的に増加または減少するもの等であってもよい。
図８は、図３に示す原子発振器の制御電圧と発振周波数との関係を示すグラフである。
原子発振器３０では、前述したように、コイル３４に入力する電圧値Ｖｃｏｎを調整することで、出力周波数ｆを調整する。このとき、原子発振器３０の出力周波数ｆは、コイル３４からの磁場の２乗に比例して大きくなる。したがって、原子発振器３０の出力周波数ｆは、図８に示すように、電圧値Ｖｃｏｎ（制御電圧）の２乗に比例して大きくなる。そのため、原子発振器３０の制御電圧に対する出力周波数の変化の線形性が低い。例えば、電圧値ＶｃｏｎをＶＴの範囲で調整する際、Ｖ１を中心として調整する場合の出力周波数ｆの調整範囲Δｆ１と、Ｖ１とは異なるＶ２を中心として調整する場合の出力周波数ｆの調整範囲Δｆ２とが異なることとなる。ここで、例えば、Ｖ１は、図７に示す１年目における電圧値Ｖｃｏｎであり、Ｖ２は、図７に示す５年目における電圧値Ｖｃｏｎである。
このようなことから、仮に、コイル３４に入力する電圧値Ｖｃｏｎを調整して周波数温度特性の補正を行うと、エージング特性に起因して経時的に周波数温度特性の補正精度が劣化したり、エージング特性を加味した周波数温度特性の補正データを膨大に保持しなければならなかったり、複雑な制御が必要になったりする。
そこで、本実施形態では、図１に示すように、原子発振器３０と出力部７０との間にＤＤＳ６０を設け、ＤＤＳ６０により原子発振器３０からのクロック信号の周波数変換を行って原子発振器３０の周波数温度特性によるタイミング信号生成装置１の出力周波数の変動を低減する。これにより、原子発振器３０の周波数温度特性（温度変化に対する出力周波数の変動特性）によるタイミング信号生成装置１の出力信号の変動を低減することができる。
特に、ＤＤＳ６０が原子発振器３０のクロック信号を周波数変換するため、原子発振器３０に入力される電圧値（制御電圧）に対する出力周波数の線形性が悪い場合においても、長期にわたり、タイミング信号生成装置１の出力周波数の補正を容易かつ高精度に行うことができる。そのため、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたりクロック信号を高精度なタイミング信号として生成することができる。
また、本実施形態では、ＤＤＳ６０を原子発振器３０と出力部７０との間に設けることにより、比較的簡単な構成で、補正したクロック信号をタイミング信号として出力部７０から出力することができる。
ここで、ＤＳＰ２３が、温度センサー４０の出力に基づいた補正値をＤＤＳ６０に入力することで、ＤＤＳ６０の設定値を調整する。その際、ＤＳＰ２３は、記憶部８０に記憶されている周波数温度特性に関する補正情報と、温度センサー４０の出力とに基づいて、温度センサー４０の出力に応じた補正値を決定する。これにより、ＤＤＳ６０は、調整された設定値に応じて原子発振器３０からのクロック信号を周波数変換（周波数変調）して出力する。このように、ＤＳＰ２３が記憶部８０の補正情報と温度センサー４０の出力とに基づいてＤＤＳ６０を制御することにより、原子発振器３０の周波数温度特性に応じてクロック信号の補正を的確に行うことができる。
記憶部８０に記憶されている周波数温度特性に関する補正情報は、例えば、前述した図６中の実線で示すような周波数温度特性に応じた情報であってもよいし、図６中の破線（図６中の一点鎖線で示す平坦な線分に対して図６中の実線とは対称な線分）で示すような特性に応じた情報であってもよい。このような情報は、例えば、温度と補正値とが対応した変換テーブルのような形態とすることができる。
図９は、図１に示す周波数変換部（ＤＤＳ）の設定値（補正値）と出力信号の周波数との関係を示すグラフである。
ＤＤＳ６０は、図９に示すように、出力周波数が設定値（補正値）に比例して大きくなるため、設定値に対する周波数の変化の線形性が高い。したがって、ＤＤＳ６０（ダイレクトデジタルシンセサイザー）は、簡単かつ高精度に、原子発振器３０からのクロック信号を周波数変換して補正を行うことができる。
以上説明したようなタイミング信号生成装置１によれば、ＤＳＰ２３が温度センサー４０の出力に基づいてＤＤＳ６０を制御（補正値を調整）することで、原子発振器３０の周波数温度特性（温度変化に対する出力周波数の変動特性）によるタイミング信号生成装置１の出力周波数の変動を低減することができる。特に、ＤＤＳ６０が原子発振器３０のクロック信号を周波数変換するため、原子発振器３０に入力される電圧値（制御電圧）に対する出力周波数の線形性が悪い場合においても、長期にわたり、原子発振器３０の周波数温度特性の補正を容易かつ高精度に行うことができる。そのため、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたりクロック信号を高精度なタイミング信号として生成することができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第２実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。図１１は、図１０に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器の概略構成図である。
本実施形態は、周波数変換部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１０および図１１において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１０に示すタイミング信号生成装置１Ａは、原子発振器３０Ａを備える。この原子発振器３０Ａは、図１１に示すように、光源制御部３５Ａを有し、この光源制御部３５Ａは、周波数制御部３５１と、電圧制御型水晶発振器３５２と、位相同期回路３５３Ａと、を有している。
位相同期回路３５３Ａは、電圧制御型水晶発振器３５２からのクロック信号を逓倍して出力する「逓倍部」である。この位相同期回路３５３Ａの出力は光源部３２に入力される。これにより、光源部３２が位相同期回路３５３Ａの出力を用いて駆動される。
特に、位相同期回路３５３Ａは、電圧制御型水晶発振器３５２からのクロック信号をＤＳＰ２３からの補正値（設定値）に応じて周波数変換（周波数変調）する機能を有する。これにより、補正したクロック信号を原子発振器から出力することができる。
位相同期回路３５３Ａは、フラクショナル位相同期回路である。これにより、簡単かつ高精度に、クロック信号を周波数変換して補正を行うことができる。
以上説明したような本実施形態のタイミング信号生成装置１Ａによっても、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたり高精度なタイミング信号を生成することができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第３実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。
本実施形態は、周波数変換部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１２において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１２に示すタイミング信号生成装置１Ｂは、分周器２４Ｂを有する処理部２０Ｂを備える。ここで、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ２３および分周器２４Ｂは、ＧＰＳ受信機１０からの基準タイミング信号と原子発振器３０からのクロック信号との同期状態に応じて、原子発振器３０に入力される電圧値を調整する「電圧調整部」として機能する。
分周器２４Ｂは、原子発振器３０からのクロック信号を分周して出力する。特に、分周器２４Ｂ、分周比が可変であり、原子発振器３０からのクロック信号をＤＳＰ２３からの補正値（設定値）に応じて周波数変換（周波数変調）する機能を有する。例えば、分周器２４Ｂは、原子発振器３０が出力するクロック信号（周波数：ｆ）をｋ×ｆ分周し（ただし、ｋは、補正値に応じた係数）、１Ｈｚの分周クロック信号を出力する。これにより、比較的簡単な構成で、補正したクロック信号を原子発振器３０から出力することができる。
以上説明したような本実施形態のタイミング信号生成装置１Ｂによっても、設置環境の温度変動が生じても、長期にわたり高精度なタイミング信号を生成することができる。
２．電子機器
次に、本発明の電子機器の実施形態を説明する。
図１３は、本発明の電子機器の実施形態を示すブロック図である。
図１３に示す電子機器３００は、タイミング信号生成装置３１０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３５０、通信部３６０および表示部３７０を含んで構成されている。
タイミング信号生成装置３１０は、例えば、前述したタイミング信号生成装置１であり、先に説明したように、衛星信号を受信して高精度のタイミング信号（１ＰＰＳ）を生成し、外部に出力する。これにより、より低コストで信頼性の高い電子機器３００を実現することができる。
ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＣＰＵ３２０は、タイミング信号生成装置３１０が出力するタイミング信号（１ＰＰＳ）やクロック信号に同期して、計時処理、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。
操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。
ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。
ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムにしたがって実行した演算結果等を一時的に記憶する。
通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部３７０には操作部３３０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
このような電子機器３００としては種々の電子機器が考えられ、特に限定されないが、例えば、標準時刻との同期を実現する時刻管理用のサーバー（タイムサーバー）、タイムスタンプの発行等を行う時刻管理装置（タイムスタンプサーバー）、基地局等の周波数基準装置等が挙げられる。
３．移動体
図１４は、本発明の移動体の実施形態を示す図である。
図１４に示す移動体４００は、タイミング信号生成装置４１０、カーナビゲーション装置４２０、コントローラー４３０、４４０、４５０、バッテリー４６０、バックアップ用バッテリー４７０を含んで構成されている。
タイミング信号生成装置４１０としては、前述したタイミング信号生成装置１を適用することができる。タイミング信号生成装置４１０は、例えば、移動体４００が移動中は、通常測位モードでリアルタイムに測位計算を行って１ＰＰＳ、クロック信号およびＮＭＥＡデータを出力する。また、タイミング信号生成装置４１０は、例えば、移動体４００が停止中は、通常測位モードで複数回の測位計算を行った後、複数回の測位計算結果の最頻値または中央値を現在の位置情報として設定し、位置固定モードで１ＰＰＳ、クロック信号およびＮＭＥＡデータを出力する。
カーナビゲーション装置４２０は、タイミング信号生成装置４１０が出力する１ＰＰＳやクロック信号に同期して、タイミング信号生成装置４１０が出力するＮＭＥＡデータを用いて、位置や時刻その他の各種の情報をディスプレイに表示する。
コントローラー４３０、４４０、４５０は、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行う。コントローラー４３０、４４０、４５０は、タイミング信号生成装置４１０が出力するクロック信号に同期して各種の制御を行うようにしてもよい。
本実施形態の移動体４００は、タイミング信号生成装置４１０を備えていることで、移動中も停止中も高い信頼性を確保することができる。
このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。
以上、本発明のタイミング信号生成装置、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、ＧＰＳを利用したタイミング信号生成装置を例に挙げたが、ＧＰＳ以外の全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）、例えば、ガリレオ、ＧＬＯＮＡＳＳ等を利用してもよい。
１…タイミング信号生成装置、１Ａ…タイミング信号生成装置、１Ｂ…タイミング信号生成装置、２…ＧＰＳ衛星、１０…ＧＰＳ受信機（基準タイミング信号出力部）、１１…ＳＡＷフィルター、１２…ＲＦ処理部、１３…ベースバンド処理部、１４‥‥ＴＣＸＯ、２０…処理部、２０Ｂ…処理部、２１…位相比較器、２２…ループフィルター、２３‥‥ＤＳＰ（制御部）、２４…分周器、２４Ｂ…分周器、２５…ＧＰＳ制御部、３０…原子発振器、３０Ａ…原子発振器、３１…原子セル、３２…光源部、３３…受光部、３４…コイル、３５…光源制御部、３５Ａ…光源制御部、３６…磁場制御部、４０…温度センサー、５０…ＧＰＳアンテナ、６０…ＤＤＳ（周波数変換部）、７０…出力部、８０…記憶部、１２１‥‥ＰＬＬ、１２２‥‥ＬＮＡ、１２３…ミキサー、１２４…ＩＦアンプ、１２５…ＩＦフィルター、１２６…ＡＤＣ、１３１…ＤＳＰ、１３２…ＣＰＵ、１３３…ＳＲＡＭ、１３４…ＲＴＣ、３００…電子機器、３１０…タイミング信号生成装置、３２０‥‥ＣＰＵ、３３０…操作部、３４０‥‥ＲＯＭ、３５０‥‥ＲＡＭ、３５１…周波数制御部、３５２…電圧制御型水晶発振器（電圧制御型発振器）、３５３…位相同期回路、３５３Ａ…位相同期回路、３６０‥‥通信部、３７０‥‥表示部、４００‥‥移動体、４１０‥‥タイミング信号生成装置、４２０‥‥カーナビゲーション装置、４３０‥‥コントローラー、４４０‥‥コントローラー、４５０‥‥コントローラー、４６０‥‥バッテリー、４７０‥‥バックアップ用バッテリー、ｆ…周波数、ＬＬ…光、Ｖ０…電圧値、Ｖ１…電圧値、Ｖ２…電圧値、Ｖ３…電圧値、Ｖｃｏｎ…電圧値、ΔＥ…エネルギー差、Δｆ１…調整範囲、Δｆ２…調整範囲、ω０…周波数、ω１…周波数、ω２…周波数

Claims (8)

  1. 基準タイミング信号を出力する基準タイミング信号出力部と、
    入力される電圧値に応じたクロック信号を出力する原子発振器と、
    前記基準タイミング信号と前記クロック信号との同期状態に応じて前記電圧値を調整する電圧調整部と、
    前記原子発振器の温度に応じた信号を出力する温度センサーと、
    前記クロック信号を周波数変換して出力する周波数変換部と、
    前記温度センサーの出力に基づいて、前記周波数変換部を制御して前記原子発振器の周波数温度特性の補正を行う制御部と、を備え、
    前記原子発振器は、原子が封入されている原子セルと、前記電圧値に応じて前記原子に磁場を印加するコイルと、前記原子の遷移周波数に応じて前記クロック信号を出力する電圧制御型発振器と、を有し、
    前記電圧調整部は、前記原子発振器の温度が一定の場合に前記クロック信号の周波数が一定となるように、前記電圧値を経時的に変化させて前記原子発振器の周波数エージング特性の補正を行うことを特徴とするタイミング信号生成装置。
  2. 外部にタイミング信号を出力する出力部を備え、
    前記周波数変換部は、前記原子発振器と前記出力部との間に設けられている請求項１に記載のタイミング信号生成装置。
  3. 前記周波数変換部は、ダイレクトデジタルシンセサイザーである請求項２に記載のタイミング信号生成装置。
  4. 前記原子発振器は、前記原子を励起する共鳴光対を出射する光源部と、前記原子セルを通過した前記共鳴光対を受光する受光部と、前記受光部の受光結果に基づいて前記電圧制御型発振器の発振周波数を制御する周波数制御部と、前記クロック信号を逓倍して出力する逓倍部と、を有し、前記光源部が前記逓倍部の出力を用いて駆動され、
    前記周波数変換部は、前記逓倍部に設けられている請求項１に記載のタイミング信号生成装置。
  5. 前記周波数変換部は、フラクショナル位相同期回路である請求項４に記載のタイミング信号生成装置。
  6. 前記電圧調整部は、前記クロック信号を分周して出力する分周器と、前記分周器の出力と前記基準タイミング信号との位相を比較する位相比較器と、前記位相比較器と前記原子発振器との間に設けられているループフィルターと、を有し、
    前記周波数変換部は、前記分周器に設けられている請求項１に記載のタイミング信号生成装置。
  7. 前記原子発振器の周波数温度特性に関する補正情報を記憶している記憶部を備え、
    前記制御部は、前記補正情報と前記温度センサーの出力とに基づいて、前記周波数変換部を制御する請求項１ないし６のいずれか１項に記載のタイミング信号生成装置。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のタイミング信号生成装置を備えていることを特徴とする電子機器。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016092146A (ja) * 2014-10-31 2016-05-23 セイコーエプソン株式会社 量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体
JP2018155665A (ja) * 2017-03-17 2018-10-04 セイコーエプソン株式会社 タイミング信号出力装置、電子機器および移動体
JP7024283B2 (ja) * 2017-09-26 2022-02-24 カシオ計算機株式会社 電波時計、電波時計の制御方法及びプログラム
CN108418583B (zh) * 2018-03-20 2021-07-16 西安电子工程研究所 基于级联混频的宽带细步进捷变频频率合成装置及方法
CN109474276B (zh) * 2018-12-24 2022-09-23 北京无线电计量测试研究所 一种cpt原子钟频率同步控制方法及系统
CN113193869B (zh) * 2021-05-10 2024-04-05 中国科学院国家授时中心 一种基于声表面滤波器的超低相噪频率综合器

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996025796A1 (en) * 1995-02-17 1996-08-22 Intel Corporation Power dissipation control system for vlsi chips
US5798667A (en) * 1994-05-16 1998-08-25 At&T Global Information Solutions Company Method and apparatus for regulation of power dissipation
JPH098551A (ja) * 1995-06-20 1997-01-10 Fujitsu Ltd 高安定発振回路
US5604468A (en) * 1996-04-22 1997-02-18 Motorola, Inc. Frequency synthesizer with temperature compensation and frequency multiplication and method of providing the same
JPH11271476A (ja) 1998-01-22 1999-10-08 Advantest Corp 基準周波数発生装置
US6081163A (en) * 1999-01-22 2000-06-27 Advantest Corp. Standard frequency and timing generator and generation method thereof
US6426679B1 (en) * 2000-12-14 2002-07-30 Northrop Grumman Corporation Miniature, low power atomic frequency standard with improved rf frequency synthesizer
JP4520061B2 (ja) 2001-03-08 2010-08-04 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 ルビジウム原子発振器
US7064617B2 (en) * 2003-05-02 2006-06-20 Silicon Laboratories Inc. Method and apparatus for temperature compensation
US6927636B2 (en) * 2003-09-03 2005-08-09 Symmetricom, Inc. Light stabilization for an optically excitable atomic medium
JP2005109619A (ja) * 2003-09-29 2005-04-21 Fujitsu Ltd 原子発振装置
JP4240051B2 (ja) * 2006-04-14 2009-03-18 エプソントヨコム株式会社 原子発振器、温度検知手段の封止方法、及びルビジウム原子発振器
US7468637B2 (en) * 2006-04-19 2008-12-23 Sarnoff Corporation Batch-fabricated, RF-interrogated, end transition, chip-scale atomic clock
US9360844B2 (en) * 2008-02-07 2016-06-07 Dimension 4 Ltd. Apparatus, system, and method of frequency generation using an atomic resonator
JP2009302118A (ja) * 2008-06-10 2009-12-24 Fujitsu Ltd 原子発振器
JP5398200B2 (ja) 2008-09-09 2014-01-29 古野電気株式会社 基準信号発生装置
JP2010193240A (ja) * 2009-02-19 2010-09-02 Panasonic Corp シンセサイザと、これを用いた受信装置及び電子機器
US8736394B2 (en) 2010-01-13 2014-05-27 Furuno Electric Co., Ltd. Reference frequency generating device
JP5688905B2 (ja) 2010-01-26 2015-03-25 古野電気株式会社 基準周波数発生装置
JP2011244120A (ja) * 2010-05-17 2011-12-01 Seiko Epson Corp 原子発振器
CN102075187B (zh) * 2011-02-22 2013-03-13 合肥威师智能电子电器厂 Cpt原子钟伺服电路
JPWO2014045929A1 (ja) * 2012-09-19 2016-08-18 古野電気株式会社 基準信号発生装置、ｇｎｓｓモジュール及び基準信号発生方法
CN103067002B (zh) * 2012-12-17 2015-03-18 江汉大学 一种差分式微波型原子频标系统
JP6379549B2 (ja) * 2014-03-18 2018-08-29 セイコーエプソン株式会社 タイミング信号生成装置および電子機器
CN203119874U (zh) * 2013-02-01 2013-08-07 江汉大学 Ramsey相干布居囚禁脉冲信号源装置
JP2015070415A (ja) * 2013-09-27 2015-04-13 セイコーエプソン株式会社 原子発振器、電子機器、移動体及び原子発振器の製造方法
JP6347101B2 (ja) * 2013-12-20 2018-06-27 セイコーエプソン株式会社 量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体
JP6264973B2 (ja) * 2014-03-18 2018-01-24 セイコーエプソン株式会社 タイミング信号生成装置、電子機器および移動体

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