JPH10145345A - 従属同期方法及びそのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝送遅延が変動する通信網において受信側と
送信側のクロックを同期させることが可能な従属同期方
法及びそのシステムを提供すること。 【解決手段】 送信側１では映像や音声等のデータ４１
に、送信側基準クロック１６に基づく送信時刻４２を送
信時刻書込部１３にて付加して通信網３へ送信し、受信
側２では送信時刻読出部２２にて前記送信時刻４２を読
出すとともに受信側基準クロック３３に基づく受信時刻
４３を受信時刻測定部２１にて測定し、複数の送信時刻
４２及び受信時刻４３から送信側基準クロック１６と受
信側基準クロック３３との周波数比を求め、さらに分周
比を求め、これによって分周器２９，３０、位相比較器
３１とともにＰＬＬを構成する電圧制御発振器２７の発
振周波数を制御することにより、送信側基準クロック１
６に同期した第２の基準クロック３４を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通信網を介して接
続された２つの通信装置の基準クロックを互いに同期さ
せる従属同期方法及びそのシステムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】映像（特に動画像）や音声の情報が、文
字や数値の情報と最も異なる点は時間軸を有することで
ある。

【０００３】映像や音声の情報をアナログ信号で伝送す
る場合、時間軸は連続であり、かつ伝送に際して伸縮す
るようなこともないので、時間軸が存在すること自体、
特に意識する必要はない。尤も通信衛星を用いた国際電
話等では、衛星と地球との間を電波が往復する時間がか
かるため、利用者が気づく程度の伝送遅延が生ずるが、
その伝送遅延は一定なので、影響は小さい。

【０００４】一方、映像や音声の情報をディジタル信号
で伝送する場合は、映像や音声の信号波形をそのまま送
るのではなく、標本化（サンプリング）し、量子化・符
号化して「１」と「０」の２値信号に変えて送る。従っ
て、時間軸及び振幅軸はいずれも離散的になる。このよ
うな離散化を行うのがＡＤ変換器であり、元の連続的な
波形に再生するのがＤＡ変換器である。標本化周波数
は、電話音声の場合は８ｋＨｚ、ＣＤ（コンパクトディ
スク）の場合は４４．１ｋＨｚである。

【０００５】ＣＤのような蓄積媒体に記録されたディジ
タル信号の場合、ＣＤを作るためにスタジオで録音した
時の標本化周波数と、そのＣＤを家庭等で再生する時の
標本化周波数とが多少ずれていても、音程が若干上下す
るだけで殆ど支障はない。

【０００６】これに対し、電話のように伝送されてきた
信号をリアルタイムで再生するような場合、送信側と受
信側との標本化周波数がわずかでもずれていると、標本
点が抜け落ちたり、同じ標本点が重複したりして音質が
劣化してしまう。そこで、送信側と受信側の基準クロッ
クを互いに同期させる必要がある（谷中、山内、小寺
“マルチメディアシステムにおけるクロック同期法に関
する一考察”電子情報通信学会技術研究報告ＩＣＤ９４
−１１９、ＤＳＰ９４−７５（１９９４）参照）。

【０００７】現在の電話網では、前述したようなことが
起こらないように、通信網全体に亘って同期がとられて
いる。即ち、網内の一ヵ所に、非常に高精度かつ高安定
度のマスタークロックを設け、網全体にそのクロックを
供給することにより、同期をとっている。このような同
期方式を従属同期方式という。

【０００８】現在の電話網には、既に市外回線を中心に
ディジタル伝送が大幅に導入されているが、このことを
一般の電話利用者がほとんど意識することがないのは、
同期がとられているお蔭である。

【０００９】一方、映像情報の場合、標本化周波数（ク
ロック）に当たるのは画素クロックであるが、その周波
数は、例えばＩＴＵ−Ｒ ＢＴ．６０１という規格では
１３．５ＭＨｚである。映像では、その他に水平同期信
号（１５．７３４ｋＨｚ）、垂直同期信号（５９．９４
ｋＨｚ）、色副搬送波信号（３．５７９５４５ＭＨｚ）
等の信号があるが、それらは画素クロックと互いに整数
比の関係にあるので、正確な画素クロックさえ得られれ
ば、ＰＬＬ（Phase Lock Loop ）等の回路により生成す
ることができる。従って、映像情報の同期に関しては画
素クロックのみを考えれば良い。

【００１０】さて、近年は、ＬＡＮ、インターネット、
パケット網、フレームリレー等、元来、コンピュータ間
のデータ通信のために構築された網を、映像や音声の情
報の伝送に用いることが多くなっている。これらの網で
は、網全体に共通するクロックはそもそも存在しない、
もしくは存在していても網の利用者には提供されていな
い。さらに、これらの網は、輻輳状況によって伝送遅延
がかなり変動する。このような網の場合、網全体に共通
するようなクロックを用いないで、同期をとる必要があ
る。

【００１１】ここで、網の伝送遅延が一定であるという
条件が満たされるなら、動画像符号化の国際標準である
ＭＰＥＧ（ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−１（ＭＰＥＧ−
２Ｓｙｓｔｅｍｓ）参照）で用いられている、ＰＣＲ
（Program Clock Reference ）またはＳＣＲ（System C
lock Reference）を用いたシステムにより、網全体に共
通するようなクロックが得られなくても、受信側におい
て送信側のクロックと同期したクロックを再現できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のシステムでは、ＬＡＮ、インターネット、パケ
ット網等の伝送遅延が変動する通信網の場合、クロック
同期が難しいという問題があった。

【００１３】本発明の目的は、伝送遅延が変動する通信
網において受信側の基準クロックを送信側の基準クロッ
クに同期させることが可能な従属同期方法及びそのシス
テムを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記目的を
達成するため、送信側に、高安定な基準クロックの発振
器を設けて、該基準クロックを元に標本化クロック、水
平垂直同期信号等の各種の同期に関するタイミング信号
を発生させるとともに、前記基準クロックで動作する時
計によってデータを通信網に送信する時刻を測定し、こ
れを各データにタイムスタンプとして付加する送信時刻
書込部を設けて、複数のデータに送信側基準クロックに
基づく送信時刻をそれぞれ付加して通信網に送信させ
る。

【００１５】一方、受信側にも、高安定な基準クロック
の発振器を設け、該基準クロックで動作する時計に基づ
いて各データを通信網から受信した時刻を測定する受信
時刻測定部と、送信側においてデータに付加された送信
時刻を読出す送信時刻読出部とを設けて、受信した複数
のデータに対応する送信時刻及び受信時刻の組を取得す
る。

【００１６】さらに、受信側に、複数の送信時刻及び受
信時刻から送信側基準発振器と受信側基準発振器との発
振周波数の比を推定する周波数比推定部と、受信側基準
クロックに対し前記発振周波数の比に従う周波数を有す
る第２の基準クロックを作成する第２の基準クロック作
成手段とを設けて、送信側基準クロックに同期した第２
の基準クロックを作成し、該第２の基準クロックを元に
各種の同期に関するタイミング信号を発生させるように
なした。

【００１７】前記構成によれば、受信側には複数のデー
タに関する送信時刻及び受信時刻の組が得られ、これに
基づく送信側基準クロックと受信側基準クロックとの周
波数の比が得られるため、通信網の伝送遅延がランダム
に変動しても、受信側において送信側基準クロックと同
一周波数のクロックを発生させることができる。

【００１８】また、この際、発振周波数の比を２つの整
数の比の形に変換する分周比計算部と、第２の基準クロ
ックを発生する電圧制御発振器と、該電圧制御発振器及
び受信側基準発振器の出力信号をそれぞれ前記分周比に
従って分周する２つの分周器と、該２つの分周器の出力
信号の位相差を検出し、両者が一致するように電圧制御
発振器の発振周波数を制御する位相比較器とからなる第
２の基準クロック作成手段を用いれば、送信側基準クロ
ックに極めて高精度に同期した第２の基準クロックを作
成することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の一例
を示すもので、図中、左半分は送信側１、右半分は受信
側２であり、両者は伝送遅延が必ずしも一定でない通信
網３で結ばれている。

【００２０】送信側１は、テレビカメラ１１、ＡＤ変換
器１２、送信時刻書込部１３、タイミング信号発生器１
４及び送信側基準発振器１５からなっている。ここで、
送信側基準発振器１５は水晶発振器、ルビジウム発振
器、セシウム発振器等の高精度かつ高安定な発振器から
なり、送信側基準クロック１６を発生する。タイミング
信号発生器１４は前記送信側基準クロック１６に基づい
て水平垂直同期信号１７、標本化クロック１８等の各種
の同期に関するタイミング信号を発生し、これをテレビ
カメラ１１、ＡＤ変換器１２へ送出する。送信時刻書込
部１３は前記送信側基準クロック１６で動作する時計に
よってデータを通信網に送信する送信時刻を測定し、こ
れを各データにタイムスタンプとして付加する。

【００２１】また、受信側２は、受信時刻測定部２１、
送信時刻読出部２２、ＤＡ変換器２３、ディスプレイ２
４、周波数比推定部２５、分周比計算部２６、電圧制御
発振器２７、受信側基準発振器２８、分周器２９，３
０、位相比較器３１及びタイミング信号発生器３２から
なっている。

【００２２】ここで、受信側基準発振器２８は水晶発振
器、ルビジウム発振器、セシウム発振器等の高精度かつ
高安定な発振器からなり、受信側基準クロック３３を発
生する。受信時刻測定部２１は前記受信側基準クロック
３３で動作する時計によってデータを通信網から受信し
た受信時刻を測定する。送信時刻読出部２２は受信した
データに付加された送信時刻を読出す。周波数比推定部
２５は複数の送信時刻及び受信時刻の組から、送信側基
準発振器１５と受信側基準発振器２８との発振周波数の
比を計算により推定する。分周比計算部２６は推定した
発振周波数の比を２つの整数の比の形に変換する。

【００２３】また、電圧制御発振器２７、分周器２９，
３０及び位相比較器３１は周波数比推定部２５とともに
第２の基準クロック作成手段を構成し、前述した分周値
がセットされた分周器２９及び３０で電圧制御発振器２
７及び受信側基準発振器２８の出力をそれぞれ分周し、
位相比較器３１で位相差を検出し、両者が一致するよう
に電圧制御発振器２７の発振周波数を制御することによ
り、送信側基準クロック１６に同期した第２の基準クロ
ック３４を発生する。タイミング信号発生器３２は前記
第２の基準クロック３４に基づいて標本化クロック３
５、水平垂直同期信号３６等の各種の同期に関するタイ
ミング信号を発生し、これをＤＡ変換器２３、ディスプ
レイ２４へ送出する。

【００２４】なお、電圧制御発振器２７、分周器２９，
３０及び位相比較器３１は受信側基準発振器２８ととも
に周知のＰＬＬを構成している。

【００２５】まず、クロックの従属同期について述べ
る。

【００２６】映像や音声等の時間軸を有する情報をディ
ジタル信号で伝送する場合、送信側においてテレビカメ
ラ１１で撮影された映像信号は、ＡＤ変換器１２で標本
化され、量子化・符号化されてディジタル信号によるデ
ータ４１になる。一方、受信側においては、ディジタル
信号によるデータ４１がＤＡ変換器２３によってアナロ
グ信号に戻され、ディスプレイ２４に表示される。

【００２７】ここで、ＡＤ変換は標本化クロック１８の
パルスが発生する毎に行われ、ＤＡ変換は標本化クロッ
ク３５のパルスが発生する毎に行われる。従って、送信
側の標本化クロック１８と受信側の標本化クロック３５
とが互いに同期していれば、送信データと受信データが
同じ速度となり、どこかに余分なデータがたまったり、
逆にデータが足りなくなるような現象は生じない。これ
が、送信側と受信側とで互いに同期がとれた状態であ
る。

【００２８】これに対し、送信側の標本化クロック１８
と受信側の標本化クロック３５とが同期していない場合
は、ＡＤ変換器１２から出力されるデータ量と、ＤＡ変
換器２３が受け取るデータ量が異なるため、どこかに余
分なデータがたまったり、逆にデータが足りなくなる現
象を生ずる。

【００２９】余分なデータをＤＡ変換せずに捨てるとす
れば、データが欠落することになり、画質が劣化する。
また、データが足りない場合、即ち新しいデータが到着
しない場合、やむを得ずその前のデ一タを再利用すると
すれば、データの重複を生じ、やはり画質が劣化する。

【００３０】なお、図１では映像情報の場合を示した
が、音声情報の場合にはテレビカメラをマイクロフォン
に、また、ディスプレイをスピーカに置き換え、かつ、
水平垂直同期信号１７，３６を削除して考えれば良い。

【００３１】次に、周波数比推定部２５を中心に本シス
テムの原理及びその動作について説明する。

【００３２】図２に示すように、送信側１から伝送遅延
のある網３を介して受信側２へ、データ４１が次々に送
られる場合を考える。

【００３３】各データ４１に出発順に１から順に番号を
付与することとし、ｉ番目（ｉ＝１，２，……Ｎ）のデ
ータ４１が送信側を出発した時刻４２をｘ_i 、受信側に
到着した時刻をｚ_i とする。但し、ｘ_i ，ｚ_i はいずれ
も送信側基準クロック１６で動作する時計で測った時刻
とする。

【００３４】一方、同じデータ４１が受信側２に到着し
た時刻を、受信側基準クロック３３で動作する時計で測
った時刻４３をｙ_i とする。もし送信側１と受信側２と
で時計が完全に合っていればｙ_i ＝ｚ_i であるが、必ず
しもそうとは限らない。また、ｘ_i の値は各データ４１
に付加されて、受信側２に送られるものとする。以下、
簡単な順に（１）〜（３）の３つの場合について述べる
が、本発明が最もその効果を発揮するのは（３）の場合
である。

【００３５】（１）網３の伝送遅延が一定値ｄで、かつ
送信側１及び受信側２の時計が一致していれば、次式が
成立する。ｙ_i −ｘ_i ＝ｚ_i −ｘ_i ＝ｄ（２）網３の伝
送遅延は一定であるが、送信側１及び受信側２の時計が
一致していない場合、ｚ_i −ｘ_i ＝ｄになるが、ｙ_i −
ｘ_i ＝ｄにはならない。仮に、送信側１及び受信側２の
基準クロックの周波数が時間的に一定なら、それらの周
波数の比をｒとおけば、 ｚ_i ＝ｒ・ｙ_i ＋ｃ ……(1) という一次の関係になる。

【００３６】ここで、ｒが１より大きい場合は、受信側
２の時計の進み方が遅いということであるから、受信側
基準発振器２８の発振周波数が、送信側基準発振器１５
の発振周波数よりも低いということである。ｒが１より
小さければその反対である。なお、ｃは時刻「０」にお
ける時計のずれである。

【００３７】ここで、送信側基準発振器１５及び受信側
基準発振器２８に、両方とも高精度かつ高安定の発振
器、例えば絶対精度がε（≒１０^-5〜１０^-7）の水晶発
振器を用いるとすれば、 １−２ε≦ｒ≦１＋２ε ……(2) というように１に極めて近い数になる。

【００３８】この場合、 ｒ・ｙ_i −ｘ_i ＋ｃ−ｄ＝０ ……(3) となる。ここで、ｃ−ｄを新たにｅとおけば、未知数
（定数）はｒとｅの２個なので、（ｘ_i ，ｙ_i ）を１つ
の点と見た場合、２点あればｒが求まる。

【００３９】（３）網３の伝送遅延が一定でなく、かつ
送信側１及び受信側２の時計が一致していない場合、ｚ
_i −ｘ_i ＝ｄ＋ｗ_i
……(4)となる。ここで、ｗ_i は平均が「０」の
確率変数で、遅延時間の変動を表す。

【００４０】この時、 ｒ・ｙ_i ＋ｃ−ｘ_i ＝ｄ＋ｗ_i ……(5) であるから、ｃ−ｄをｅとおき、ｗ_i について解けば、 ｗ_i ＝ｒ・ｙ_i −ｘ_i ＋ｅ ……(6) である。従って、ｗ_i の２乗の和は、

【数２】 となる。

【００４１】(7) 式をｒで偏微分して「０」とおけば、

【数３】 となる。

【００４２】また、(7) 式をｅで偏微分して「０」とお
けば、

【数４】 となる。

【００４３】(8) 式と(9) 式は、ｒとｅを未知数とする
２変数の連立一次方程式なので、周波数の比ｒについて
解くと、

【数５】 となる。

【００４４】(10)式の計算は、図１の構成では周波数比
推定部２５で行われる。このｒの値は、分周比計算部２
６において有理数で近似される。例えば ｒ＝１．０１ ……(11) とすれば、それを有理数で近似すれば、 ｒ＝１０１／１００ ……(12) となるので、分子の整数「１０１」、分母の整数「１０
０」が、それぞれ分周器２９及び３０に設定され、前述
したＰＬＬにより電圧制御発振器２７の発振周波数が制
御される。

【００４５】(11)式の例では、電圧制御発振器２７の発
振周波数は、受信側基準発振器２８の発振周波数よりも
１％だけ高くなるので、送信側基準発振器１５の発振周
波数と等しくなり、従属同期がとれる。但し、データ数
Ｎが小さいうちはｒの精度が低いので、前述したように
して求めたｒの値が水晶等の精度以下になるまで、即ち
(2) 式を満たすようになるまで、初期値の「１」のまま
にしておくこととする。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
送信側で映像や音声等のデータに、送信側基準クロック
に基づく送信時刻を付加して通信網へ送信し、受信側で
は受信側基準クロックに基づく受信時刻を測定するとと
もに前記送信時刻を読出し、該送信時刻及び受信時刻か
ら送信側基準クロックと受信側基準クロックとの周波数
比を求め、これによって送信側基準クロックに同期した
第２の基準クロックを発生できるので、ＬＡＮ、インタ
ーネット、パケット網等の伝送遅延が変動する通信網ま
たは網全体に共通するようなクロックが提供されない通
信網において受信側のクロックを送信側に同期させるこ
とができ、映像や音声等の時間軸を有する情報を実時間
でかつ高品質にディジタル伝送することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示すブロック構成
図

【図２】本発明における周波数推定の原理の説明図

【符号の説明】

１…送信側、２…受信側、３…通信網、１１…テレビカ
メラ、１２…ＡＤ変換器、１３…送信時刻書込部、１４
…タイミング信号発生器、１５…送信側基準発振器、１
６…送信側基準クロック、１７…水平垂直同期信号、１
８…標本化クロック、２１…受信時刻測定部、２２…送
信時刻読出部、２３…ＤＡ変換器、２４…ディスプレ
イ、２５…周波数比推定部、２６…分周比計算部、２７
…電圧制御発振器、２８…受信側基準発振器、２９，３
０…分周器、３１…位相比較器、３２…タイミング信号
発生器、３３…受信側基準クロック、３４…第２の基準
クロック、３５…標本化クロック、３６…水平垂直同期
信号、４１…データ、４２…送信時刻、４３…受信時
刻。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山内 寛紀 東京都新宿区西新宿３丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通信網を介して接続された２つの通信装
   置のクロックを互いに同期させる従属同期方法におい
   て、 送信側では、送信すべき複数のデータに送信側基準クロ
   ックに基づく送信時刻をそれぞれ付加して通信網に送信
   し、 受信側では、受信した各データに付加された前記送信時
   刻をそれぞれ読出すとともに受信側基準クロックに基づ
   く受信時刻をそれぞれ測定し、複数の送信時刻及び受信
   時刻から送信側基準クロックと受信側基準クロックとの
   周波数の比を求め、これに従って前記受信時刻の測定以
   外の部分で使用する第２の基準クロックの周波数を制御
   することを特徴とする従属同期方法。
2. 【請求項２】 通信網を介して接続された２つの通信装
   置のクロックを互いに同期させる従属同期システムにお
   いて、 送信側に、送信側基準クロックを発生する送信側基準発
   振器と、該送信側基準クロックに基づいて各種のタイミ
   ング信号を発生するタイミング信号発生器と、前記送信
   側基準クロックで動作する時計によってデータを通信網
   に送信する時刻を測定し、これを該データに付加する送
   信時刻書込部とを設け、 受信側に、受信側基準クロックを発生する受信側基準発
   振器と、受信したデータに付加された前記送信時刻を読
   出す読出部と、前記受信側基準クロックで動作する時計
   によってデータを通信網から受信した受信時刻を測定す
   る受信時刻測定部と、複数の送信時刻及び受信時刻から
   送信側基準発振器と受信側基準発振器との発振周波数の
   比を推定する周波数比推定部と、受信側基準クロックに
   対し前記発振周波数の比に従う周波数を有する第２の基
   準クロックを作成する第２の基準クロック作成手段と、
   該第２の基準クロックに基づいて各種のタイミング信号
   を発生するタイミング信号発生器とを設けたことを特徴
   とする従属同期システム。
3. 【請求項３】 第２の基準クロック作成手段は、発振周
   波数の比を２つの整数の比の形に変換する分周比計算部
   と、第２の基準クロックを発生する電圧制御発振器と、
   該電圧制御発振器及び受信側基準発振器の出力信号をそ
   れぞれ前記分周比に従って分周する２つの分周器と、該
   ２つの分周器の出力信号の位相差を検出し、両者が一致
   するように電圧制御発振器の発振周波数を制御する位相
   比較器とからなることを特徴とする請求項２記載の従属
   同期システム。
4. 【請求項４】 発振周波数の比ｒは、送信時刻をｘ
   _i （ｉ＝１，２，……Ｎ）、受信時刻をｙ_i （ｉ＝１，
   ２，……Ｎ）、Ｎをデータの総数とした時、 【数１】 で表されることを特徴とする請求項２または３記載の従
   属同期システム。