WO2014073503A1 - 基準信号発生装置及び基準信号発生方法 - Google Patents

基準信号発生装置及び基準信号発生方法 Download PDF

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reference signal
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signal generator
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真也 小和田
一典 宮原
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古野電気株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08—Details of the phase-locked loop
    • H03L7/14—Details of the phase-locked loop for assuring constant frequency when supply or correction voltages fail or are interrupted

Definitions

  • the present invention mainly relates to a reference signal generator for controlling an oscillator in consideration of humidity.
  • a reference signal generated by a reference signal generator is used in a mobile phone base station, a digital broadcasting transmitter station, and the like in order to synchronize signal transmission timing and frequency.
  • the reference signal generator compares the signal output from the oscillator with a highly accurate reference signal obtained from a GNSS receiver or the like to obtain a phase difference.
  • the reference signal generator generates a highly accurate signal by controlling the oscillator so that the phase difference approaches zero.
  • a voltage-controlled oscillator is usually used for the reference signal generator.
  • the voltage controlled oscillator is configured to generate different frequencies according to the input control voltage.
  • the control voltage-oscillation frequency characteristic (hereinafter referred to as FV characteristic) of the voltage controlled oscillator changes slightly though the temperature around the voltage controlled oscillator and the passage of time.
  • Patent Document 1 discloses an automatic characteristic compensation device that corrects a change in the FV characteristic of an oscillator.
  • Patent Document 1 discloses a method for correcting changes in FV characteristics mainly based on temperature changes. In addition to the temperature, it is described that correction can be performed according to pressure and humidity.
  • Patent Document 2 discloses a configuration for correcting a frequency (oscillation frequency) output from an oscillator based on temperature, humidity, and elapsed time in a communication terminal equipped with the oscillator.
  • Patent Document 2 discloses the following method as a method for calculating a correction value based on humidity. That is, a correction value based on humidity is calculated based on the humidity detected by the humidity sensor and the humidity duration time indicating how long the humidity has continued. Then, the reference signal generator calculates the correction value of the oscillator by adding the correction value based on the humidity and the correction value based on the temperature and time.
  • the reference signal generator described above cannot receive a signal from the GNSS satellite due to various causes such as the position of the GNSS satellite, an obstacle, an interference wave, and the like, and an appropriate reference signal cannot be used. There is. Therefore, a reference signal generator that performs self-running control in order to continuously output the reference signal even when the reference signal cannot be used is known.
  • Patent Documents 1 and 2 do not describe a configuration in which an oscillator or the like is applied to a reference signal generator. Accordingly, there is no description or suggestion of a configuration that performs self-running control in consideration of humidity.
  • Patent Document 1 only describes that humidity can be used, and does not describe what correction is specifically performed using humidity.
  • Patent Document 2 is configured to calculate the correction value only from the humidity and the humidity duration time, but does not describe how to calculate the correction value when the humidity changes.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to provide a reference that can maintain the output of an appropriate reference signal by performing correction in consideration of humidity even when an appropriate reference signal cannot be obtained.
  • the object is to provide a signal generator.
  • a reference signal generator having the following configuration. That is, the reference signal generator includes a synchronization circuit, a humidity acquisition unit, and a self-running control unit.
  • the synchronization circuit controls the oscillator by a first control signal obtained based on a reference signal.
  • the humidity acquisition unit acquires the humidity around the oscillator.
  • the self-running control unit When the reference signal cannot be acquired, the self-running control unit generates a second control signal in consideration of the influence of humidity on the oscillator based on the humidity acquired by the humidity acquisition unit, and the second control The oscillator is controlled by a signal.
  • the self-running control unit obtains a correction value for correcting the influence of humidity on the oscillator using a humidity correction formula, and uses the correction value to perform the second control.
  • a signal is generated.
  • the humidity correction formula includes a function with the humidity acquired by the humidity acquisition unit as a variable.
  • the second control signal can be generated using the correction value obtained based on the current humidity.
  • the humidity correction formula includes a function with a variable obtained by differentiating the humidity acquired by the humidity acquisition unit with respect to time.
  • the second control signal can be generated using the correction value obtained based on the humidity gradient.
  • the humidity correction formula preferably includes a function having a variable obtained by second-order differentiation of the humidity acquired by the humidity acquisition unit with time.
  • the second control signal can be generated using the correction value obtained based on the second-order differential value (humidity acceleration) of humidity.
  • the humidity correction formula preferably includes a function with time as a variable.
  • the humidity correction formula includes a function using the humidity acquired by the humidity acquisition unit as a variable, and a function using a value obtained by differentiating the humidity acquired by the humidity acquisition unit as a variable. It is preferable that the humidity acquired by the humidity acquisition unit is a sum of a value obtained by second-order differentiation with respect to time and a function with time as a variable.
  • the second control signal can be generated using the correction value obtained based on the humidity, humidity gradient, humidity acceleration, and time.
  • the self-running control unit preferably updates the humidity correction formula based on a value obtained during operation (of the reference signal generating device).
  • the humidity acquisition unit acquires absolute humidity.
  • the oscillator can be controlled based on the absolute humidity that is considered to be more related to the correction value than the relative humidity, so that a more accurate second control signal can be generated.
  • the reference signal generation method includes a synchronization process, a humidity acquisition process, and a self-running control process.
  • the oscillator is controlled by a first control signal obtained based on the reference signal.
  • the humidity acquisition step the humidity around the oscillator is acquired.
  • a second control signal that takes into account the influence of humidity on the oscillator is generated based on the humidity acquired in the humidity acquisition process. To control the oscillator.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a reference signal generator according to an embodiment of the present invention.
  • the graph which shows roughly the relationship between humidity and the variation
  • the flowchart which shows an example of the control which a reference signal generator performs.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a reference signal generator 10 according to the present embodiment.
  • the reference signal generator 10 is used for a mobile phone base station, a terrestrial digital broadcasting transmitter station, a WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) communication facility, and the like. Provides a reference timing signal and a reference frequency signal. Below, the structure of each part of the reference signal generator 10 is demonstrated.
  • the reference signal generator 10 of this embodiment includes a GPS receiver 21, a PLL controller 22, a switch 23, a voltage controlled oscillator (oscillator) 24, and a frequency divider 25.
  • the PLL control unit 22, the voltage control oscillator 24, and the frequency dividing unit 25 constitute a PLL circuit (synchronous circuit) 44.
  • a GPS antenna (GNSS antenna) 11 is connected to the input unit 41 of the reference signal generator 10.
  • a positioning signal received by the GPS antenna 11 from a GPS satellite (GNSS satellite) is input to the GPS receiving unit 21 via the input unit 41.
  • the GPS receiving unit 21 generates a reference signal (one pulse signal per second) by performing positioning calculation based on the positioning signal. This reference signal is appropriately calibrated to accurately synchronize with 1 second of Coordinated Universal Time (UTC).
  • UTC Coordinated Universal Time
  • the voltage controlled oscillator 24 is configured to be able to change the output frequency according to the level of the voltage applied from the outside.
  • a TCXO Tempoture Compensated Crystal Oscillator, temperature compensated crystal oscillator
  • the signal output by the voltage controlled oscillator 24 is output as a reference frequency signal from the output unit 42 to the external user side system and also to the frequency dividing unit 25.
  • the frequency divider 25 is configured to divide and convert the reference frequency signal input from the voltage controlled oscillator 24 from a high frequency to a low frequency, and to output the obtained phase comparison signal to the PLL controller 22. ing.
  • the phase comparison signal is also output from the output unit 43 to the external user side system as a reference timing signal (1PPS signal).
  • the frequency dividing unit 25 divides the 10 MHz signal output from the voltage controlled oscillator 24 by a frequency division ratio of 1 / 10,000,000 and compares the phase at 1 Hz. Signal is generated.
  • the PLL controller 22 receives the reference signal and the phase comparison signal.
  • the PLL control unit 22 compares the phases of these signals to obtain a phase difference, and generates a signal (first control signal) based on the phase difference.
  • the PLL control unit 22 outputs a first control signal to the voltage controlled oscillator 24 via the switch 23 after blocking the high frequency component of the phase difference signal and removing noise. In this way, the PLL control unit 22 controls the voltage controlled oscillator 24 so that the phase difference approaches zero.
  • the PLL controller 22 may be configured to output the output signal of the voltage controlled oscillator 24 or the comparison result between the signal based on the output signal and the reference signal as the first control signal, and the signal processing method is arbitrary.
  • a loop of the PLL circuit 44 is configured, and the voltage-controlled oscillator 24 is controlled so that the output signal is synchronized with the 1PPS signal as the reference signal. Therefore, as long as the GPS receiver 21 generates a 1 PPS signal and supplies it to the reference signal generator 10 and is PLL-locked to the 1 PPS signal, the voltage-controlled oscillator is caused by changes over time, ambient temperature changes, and the like. Even if 24 characteristic fluctuations occur, the reference signal of the reference signal generator 10 can be maintained with high accuracy.
  • the reference signal generation device 10 includes a switch 23, a temperature sensor 26, a humidity sensor (humidity acquisition unit) 27, and a self-running control unit 28 as a configuration for performing the self-running control.
  • the self-running control unit 28 corrects the first control signal output from the PLL control unit 22 when an appropriate reference signal cannot be acquired due to multipath, jamming waves, obstacles, or the like.
  • the second control signal is generated in this way, and the voltage controlled oscillator 24 is controlled by the second control signal.
  • the switch 23 receives a first control signal from the PLL control unit 22 and a second control signal from the self-running control unit 28.
  • the switch 23 outputs one of the two input control signals to the voltage controlled oscillator 24.
  • the temperature sensor 26 acquires the temperature around the voltage controlled oscillator 24.
  • the humidity sensor 27 acquires the absolute humidity (the amount of water vapor contained in the air) around the voltage controlled oscillator 24.
  • the humidity sensor 27 is configured to directly acquire the humidity, but may alternatively be configured to indirectly acquire the humidity by detecting a value related to the humidity.
  • the temperature sensor 26 may not be directly, but may be obtained from, for example, the current value of the OCXO heater.
  • the temperature sensor 26 and the humidity sensor 27 output the acquired temperature and humidity to the self-running control unit 28.
  • a reference signal is input from the GPS receiver 21 to the self-running controller 28.
  • the self-running control unit 28 determines whether or not the received reference signal is appropriate (normal or not), and switches the second control signal to be output to the voltage-controlled oscillator 24 when it is determined that it is not appropriate. 23 is switched.
  • the first control signal is input from the PLL control unit 22 to the self-running control unit 28, and the temperature is input from the temperature sensor 26 and the humidity is input from the humidity sensor 27.
  • the self-running control unit 28 calculates a frequency shift (that is, a correction value) of the voltage controlled oscillator 24 based on temperature, humidity, elapsed time, and the like.
  • the self-running control unit 28 generates a second control signal based on the first control signal and the correction value, and outputs the second control signal to the switch 23.
  • the reference signal generator 10 can continue to output a highly accurate reference signal even when an appropriate reference signal cannot be acquired.
  • the amount of change in the frequency of the voltage controlled oscillator 24 is related to the humidity, the value obtained by differentiating the humidity by time (humidity gradient), and the value obtained by differentiating the humidity by the second order (humidity acceleration) and time. It has been found to be.
  • FIG. 2 (a) is a graph schematically showing the relationship between humidity and the amount of change in frequency. As shown in FIG. 2A, the amount of change in frequency increases as the humidity increases, and the amount of change in frequency decreases as the humidity decreases. Note that the rate of change is considered to be substantially constant.
  • FIG. 2 (b) is a graph schematically showing the relationship between the humidity gradient and the amount of change in frequency.
  • the amount of change in frequency varies depending on the gradient (slope). For example, even if the humidity is the same, if the humidity is rising (humidity gradient is positive), the amount of frequency change is relatively low, whereas if the humidity is decreasing (humidity gradient is negative). In the case of), the frequency change amount is relatively high.
  • FIG. 2 (c) is a graph in which the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents humidity and the amount of change in frequency.
  • the frequency fluctuates after the slope of the humidity (broken line) changes, and that the frequency stabilizes with time. It is considered that the frequency is stabilized because the internal temperature becomes high by energizing the voltage controlled oscillator 24 and the internal substrate is baked and dried. That is, it is preferable that the amount of change in the frequency is reduced as the time elapses with the humidity acceleration value as a trigger.
  • the amount of change in the frequency of the voltage controlled oscillator 24 depends at least on the humidity, the humidity gradient, and the humidity acceleration. Therefore, in this embodiment, the following formula is used as a formula (humidity correction formula) for obtaining a correction value for correcting the influence of humidity on the oscillator.
  • H indicates humidity. That is, the first term on the right side is a function with humidity as a variable.
  • the second term on the right side is a function with a variable (humidity gradient) obtained by differentiating the humidity with respect to time.
  • the third term on the right side is a function having humidity as a value obtained by second-order differentiation of humidity (humidity acceleration) and time as a variable.
  • Each term of equation (1) includes several coefficients, but these coefficients are obtained before shipping the reference signal generator 10 or the like. Specifically, the amount of change in frequency due to the influence of humidity is obtained by changing the humidity at a constant temperature. In addition, the reference signal generator 10 of the present embodiment obtains the humidity characteristic during operation (while supplying the reference signal to the outside), and updates this coefficient (details will be described later).
  • Patent Document 2 since the correction value is calculated based only on the duration of humidity, the influence of humidity cannot be obtained very accurately. Moreover, it cannot cope with a change in humidity.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of control performed by the reference signal generator 10.
  • the self-running control unit 28 determines whether or not an appropriate reference signal has been acquired (S101). If an appropriate reference signal has been acquired, the PLL control unit 22 generates a first control signal based on the reference signal and controls the voltage controlled oscillator 24 (S102).
  • the self-running control unit 28 calculates various data necessary for the self-running control during this steady state.
  • the handling of the humidity around the oscillator and the level value (DAC value) of the first control signal (control voltage signal) will be described as an example of this data.
  • the handling of temperature is substantially equivalent to humidity, description is abbreviate
  • the self-running control unit 28 updates the humidity correction formula (S104) when the predetermined update timing is reached (S103).
  • the humidity and the DAC value at the humidity are input to the self-running control unit 28. Further, in a steady state, the voltage controlled oscillator 24 outputs a signal with a high accuracy frequency that is close to the target frequency.
  • the self-running control unit 28 can obtain the relationship between the humidity and the frequency by taking into consideration the temperature characteristics and the time-varying characteristics.
  • a weighted least square method in which the weight decreases as it goes back from the time of measurement can be used.
  • the humidity correction formula can be updated so as to match the characteristics of the latest voltage-controlled oscillator 24 by updating the coefficients and the like of the respective terms of the formula (1).
  • the self-running control unit 28 calculates the DAC value at every predetermined update timing. Specifically, the next DAC value is estimated based on the previous DAC value (S105). In the following description, the estimated DAC value may be referred to as an “estimated DAC value”.
  • An appropriate method can be used to estimate the estimated DAC value. For example, it is possible to use a method of calculating only the behavior based on the temporal change characteristic of the reference signal generation device 10 among the behaviors of the DAC value and estimating the next DAC value based on the temporal change characteristic. At this time, the estimated DAC value can also be estimated using the above-described weighted least square method or the like.
  • the self-running control cannot be performed in consideration of the temporal change characteristic or the like, but the arithmetic processing performed by the self-running control unit 28 can be simplified. This method is effective when the influence of other characteristics is larger than that of the time-varying characteristics and the influence of the time-changing characteristics can be almost ignored.
  • the second control signal output to the voltage-controlled oscillator 24 based on the estimated DAC value and the correction formula for correcting the estimated DAC value. To decide.
  • the self-running control unit 28 When detecting the input interruption of the reference signal, the self-running control unit 28 transmits a switching control signal for connecting the self-running control unit 28 and the voltage-controlled oscillator 24 to the switch 23 and shifts to the self-running control. In this self-running control, the second control signal generated by the self-running control unit 28 is transmitted to the voltage controlled oscillator 24 as described above.
  • the input interruption means both a phenomenon in which the pulse of the reference signal is fixed to the Hi side or the Low side and a phenomenon in which the reference continues to be output at an inaccurate timing.
  • the self-running control unit 28 calculates a frequency change amount (correction value) based on the above-described temperature characteristic, humidity characteristic (humidity correction formula), and temporal change characteristic (S106). And based on this correction value and the said estimated DAC value, the DAC value (self-running DAC value) for using for self-running control can be obtained. Then, the free-running control unit 28 outputs a second control signal with the free-running DAC value as the signal level to the voltage controlled oscillator 24 (S107).
  • the reference signal generator 10 can continuously output a highly accurate reference frequency signal by performing the above control in the self-running state. As long as the reference signal cannot be acquired, the self-running control as described above is continued.
  • the reference signal generator 10 of the present embodiment includes the PLL circuit 44, the humidity sensor 27, and the self-running control unit 28.
  • the PLL circuit 44 controls the voltage controlled oscillator 24 by the first control signal obtained based on the reference signal.
  • the humidity sensor 27 acquires the humidity around the voltage controlled oscillator 24.
  • the self-running control unit 28 generates a second control signal in consideration of the humidity acquired by the humidity sensor 27, and controls the voltage-controlled oscillator 24 by the second control signal.
  • the oscillator constituting the reference signal generator 10 is not limited to the TCXO mentioned above, and an OCXO, an atomic oscillator other than a crystal (rubidium oscillator), or the like can also be used. However, in this application, correction is performed in consideration of humidity. Therefore, it is more effective to use an oscillator that is not sealed or an oscillator with a configuration in which the substrate to which the oscillator is attached contacts the outside air (surface mount type). can do.
  • a humidity correction formula including three functions with humidity, humidity gradient, humidity acceleration, and time as variables is used, but a humidity correction formula including at least one may be used.
  • each of the terms of the humidity correction equation is configured to obtain a value by substituting a detection value or the like into a function, but instead of this, a table is prepared in advance, and the table is calculated from the measurement value or the like.
  • the configuration may be such that the value of each term is obtained by referring to it.
  • the above embodiment and the modification are configurations that generate a reference signal based on a signal from a GPS satellite, but can be changed as appropriate as long as the configuration uses a GNSS (Global Navigation Satellite System). For example, it can be changed to a configuration in which a reference signal is generated based on a signal from a GLONASS satellite or a GALILEO satellite. Further, it may be configured to acquire a reference signal from an external device.
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • the GPS receiving unit 21 can be changed to a configuration that generates a signal other than 1 Hz such as PP2S as a reference signal instead of 1PPS. Further, the GPS receiver 21 may be arranged outside the reference signal generator 10 instead of inside.
  • the units included in the reference signal generation device 10 can be configured by software instead of being configured by hardware.

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

【課題】適切なリファレンス信号が取得できない場合であっても湿度を考慮した補正を行うことで適切な基準信号の出力を維持できる基準信号発生装置を提供する。 【解決手段】基準信号発生装置１０は、ＰＬＬ回路４４と、湿度センサ２７と、自走制御部２８と、を備える。ＰＬＬ回路４４は、リファレンス信号に基づいて得られた第１制御信号によって電圧制御発振器２４を制御する。湿度センサ２７は、電圧制御発振器２４の周囲の湿度を取得する。自走制御部２８は、リファレンス信号が取得できなくなると、湿度センサ２７が取得した湿度を考慮した第２制御信号を生成し、当該第２制御信号によって電圧制御発振器２４を制御する。

Description

基準信号発生装置及び基準信号発生方法
　本発明は、主として、湿度を考慮して発振器を制御する基準信号発生装置に関する。
　従来から、携帯電話の基地局やデジタル放送の送信局等では、信号を送信するタイミングや周波数の同期を行うために、基準信号発生装置が発生させた基準信号が用いられる。基準信号発生装置は、発振器が出力した信号と、ＧＮＳＳ受信機等から得られる高精度なリファレンス信号と、を比較して位相差を求める。基準信号発生装置は、この位相差をゼロに近づけるように発振器を制御することで高精度な信号を発生させる。
　基準信号発生装置には、通常は電圧制御発振器が用いられる。電圧制御発振器は、入力される制御電圧に応じて異なる周波数を発生するように構成されている。電圧制御発振器の制御電圧対発振周波数特性（以下、Ｆ－Ｖ特性と称する）は、電圧制御発振器の周囲の温度や時間の経過等に伴って、ごく僅かではあるが変化する。
　特許文献１は、発振器のＦ－Ｖ特性の変化を補正する特性自動補償装置を開示する。特許文献１では、主として温度変化に基づくＦ－Ｖ特性の変化を補正する方法が示されている。また、温度以外にも、圧力や湿度に応じて補正を行うこともできる旨が記載されている。
　特許文献２は、発振器を備えた通信端末等において、温度、湿度、及び経過時間に基づいて発振器が出力する周波数（発振周波数）を補正する構成を開示する。特許文献２では、湿度に基づく補正値の算出方法として、以下の方法が示されている。即ち、湿度センサが検出した湿度と、この湿度がどれだけの期間続いているかを示す湿度継続時間と、に基づいて湿度に基づく補正値を算出する。そして、基準信号発生装置は、この湿度に基づく補正値と、温度及び時間に基づく補正値と、を加味することで発振器の補正値を算出する。
特許第４５１３７４２号公報 特開２０００－３４１０４４号公報
　ところで、上述した基準信号発生装置は、ＧＮＳＳ衛星の位置、障害物、妨害電波等の様々な原因により、ＧＮＳＳ受信機がＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できず、適切なリファレンス信号を利用できなくなることがある。そこで、リファレンス信号を利用できなくなっても基準信号を継続して出力するために自走制御を行う基準信号発生器が知られている。
　しかし、特許文献１及び２は、発振器等を基準信号発生装置に適用する構成が記載されていない。従って、湿度を考慮して自走制御を行う構成は記載も示唆もされていない。
　また、特許文献１では、湿度を用いることができる旨だけが記載されており、湿度を用いて具体的にどのような補正を行うかが記載されていない。特許文献２では、湿度と湿度継続時間のみから補正値を算出する構成であるが、湿度が変化した場合にどのように補正値を算出するかが記載されていない。
　本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、適切なリファレンス信号が取得できない場合であっても湿度を考慮した補正を行うことで適切な基準信号の出力を維持できる基準信号発生装置を提供することにある。
課題を解決するための手段及び効果
　本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
　本発明の第１の観点によれば、以下の構成の基準信号発生装置が提供される。即ち、この基準信号発生装置は、同期回路と、湿度取得部と、自走制御部と、を備える。前記同期回路は、リファレンス信号に基づいて得られた第１制御信号によって発振器を制御する。前記湿度取得部は、前記発振器の周囲の湿度を取得する。前記自走制御部は、前記リファレンス信号が取得できなくなると、前記湿度取得部が取得した湿度に基づいて、湿度が前記発振器に与える影響を考慮した第２制御信号を生成し、当該第２制御信号によって前記発振器を制御する。
　これにより、自走制御中に発振器の周囲の湿度が変化した場合であっても、高精度な基準信号を出力し続けることができる。また、既存の温度特性や経時変化特性を考慮した補正と組み合わせることで、より高精度な基準信号を出力し続けることができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記自走制御部は、湿度が前記発振器に与える影響を補正するための補正値を、湿度補正式を用いて求め、当該補正値を用いて前記第２制御信号を生成することが好ましい。
　これにより、的確な補正値を容易に求めることができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記湿度補正式には、前記湿度取得部が取得した湿度を変数とした関数が含まれることが好ましい。
　これにより、現在の湿度に基づいて求めた補正値を用いて第２制御信号を生成することができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記湿度補正式には、前記湿度取得部が取得した湿度を時間で微分した値を変数とした関数が含まれることが好ましい。
　これにより、湿度勾配に基づいて求めた補正値を用いて第２制御信号を生成することができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記湿度補正式には、前記湿度取得部が取得した湿度を時間で２階微分した値を変数とした関数が含まれることが好ましい。
　これにより、湿度の２階微分値（湿度加速度）に基づいて求めた補正値を用いて第２制御信号を生成することができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記湿度補正式には、時間を変数とした関数が含まれることが好ましい。
　これにより、ベーキング効果等によって時間の経過とともに補正量が小さくなる場合に適した補正式を利用することができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記湿度補正式は、前記湿度取得部が取得した湿度を変数とした関数と、前記湿度取得部が取得した湿度を時間で微分した値を変数とした関数と、前記湿度取得部が取得した湿度を時間で２階微分した値及び時間を変数とした関数と、の和であることが好ましい。
　これにより、湿度、湿度勾配、湿度加速度及び時間に基づいて求めた補正値を用いて第２制御信号を生成することができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記自走制御部は、（基準信号発生装置の）稼動中に得られた値に基づいて、前記湿度補正式を更新することが好ましい。
　これにより、新しい情報に基づいて湿度補正式を更新できるので、より的確な補正値を算出することができる。
　前記の基準信号発生装置においては、前記湿度取得部は、絶対湿度を取得することが好ましい。
　これにより、相対湿度よりも補正値との関連性が高いと考えられる絶対湿度に基づいて発振器を制御できるので、より的確な第２制御信号を生成することができる。
　本発明の第２の観点によれば、以下の基準信号発生方法が提供される。即ち、この基準信号発生方法は、同期工程と、湿度取得工程と、自走制御工程と、を含む。前記同期工程では、リファレンス信号に基づいて得られた第１制御信号によって発振器を制御する。前記湿度取得工程では、前記発振器の周囲の湿度を取得する。前記自走制御工程では、前記リファレンス信号が取得できなくなると、湿度取得工程で取得した湿度に基づいて、湿度が前記発振器に与える影響を考慮した第２制御信号を生成し、当該第２制御信号によって前記発振器を制御する。
　これにより、自走制御中に発振器の周囲の湿度が変化した場合であっても、高精度な基準信号を出力し続けることができる。
本発明の一実施形態に係る基準信号発生装置を示すブロック図。 湿度と周波数の変化量との関係を概略的に示すグラフ。 基準信号発生装置が行う制御の一例を示すフローチャート。
　次に発明の実施の形態について説明する。初めに、図１を参照して、基準信号発生装置１０の全体構成について説明する。図１は、本実施形態の基準信号発生装置１０を概略的に示したブロック図である。
　本実施形態の基準信号発生装置１０は、携帯電話の基地局、地上デジタル放送の送信局及びＷｉＭＡＸ（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ　Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ａｃｃｅｓｓ）の通信設備等に用いられるものであり、接続されるユーザ側の機器に基準タイミング信号や基準周波数信号を提供するものである。以下に、基準信号発生装置１０の各部の構成について説明する。
　図１に示すように、本実施形態の基準信号発生装置１０は、ＧＰＳ受信部２１と、ＰＬＬ制御部２２と、スイッチ２３と、電圧制御発振器（発振器）２４と、分周部２５と、を備える。また、ＰＬＬ制御部２２、電圧制御発振器２４、及び分周部２５は、ＰＬＬ回路（同期回路）４４を構成している。
　基準信号発生装置１０の入力部４１には、ＧＰＳアンテナ（ＧＮＳＳアンテナ）１１が接続されている。ＧＰＳアンテナ１１がＧＰＳ衛星（ＧＮＳＳ衛星）から受信した測位用信号は、この入力部４１を介して、ＧＰＳ受信部２１へ入力される。ＧＰＳ受信部２１は、この測位用信号に基づいて測位計算を行うことで、リファレンス信号（１秒に１回のパルス信号）を生成する。このリファレンス信号は、協定世界時（ＵＴＣ）の１秒に正確に同期するように適宜較正されている。
　電圧制御発振器２４は、外部から印加される電圧のレベルによって出力する周波数を変更可能に構成されている。電圧制御発振器２４としては、例えば水晶振動子を共振器として使用したＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、温度補償型水晶発振器）を用いることができる。この電圧制御発振器２４によって出力された信号は、基準周波数信号として出力部４２から外部のユーザ側のシステムへ出力されるとともに、分周部２５へ出力される。
　分周部２５は、電圧制御発振器２４から入力される基準周波数信号を分周して高い周波数から低い周波数に変換し、得られた位相比較用信号をＰＬＬ制御部２２へ出力するように構成されている。また、この位相比較用信号は、基準タイミング信号（１ＰＰＳ信号）として出力部４３から外部のユーザ側のシステムに対しても出力される。例えば、電圧制御発振器２４が出力する基準周波数が１０ＭＨｚである場合、分周部２５は、電圧制御発振器２４が出力する１０ＭＨｚの信号を分周比１／１０００００００で分周して、１Ｈｚの位相比較用信号を生成する。
　ＰＬＬ制御部２２には、前記リファレンス信号と、この位相比較用信号と、が入力される。ＰＬＬ制御部２２は、これらの信号の位相を比較して位相差を求め、その位相差に基づく信号（第１制御信号）を生成する。
　また、ＰＬＬ制御部２２は、この位相差信号の高周波成分の遮断及び雑音の除去を行った後に、スイッチ２３を介して、第１制御信号を電圧制御発振器２４へ出力する。このようにして、ＰＬＬ制御部２２は、位相差をゼロに近づけるように電圧制御発振器２４を制御する。なお、ＰＬＬ制御部２２は、電圧制御発振器２４の出力信号又はそれに基づく信号とリファレンス信号の比較結果を第１制御信号として出力する構成であれば良く、信号の処理方法は任意である。
　以上に説明した構成によって、ＰＬＬ回路４４のループが構成され、リファレンス信号としての１ＰＰＳ信号に出力信号が同期するように電圧制御発振器２４が制御される。従って、ＧＰＳ受信部２１が１ＰＰＳ信号を生成して基準信号発生装置１０に供給し、当該１ＰＰＳ信号に対してＰＬＬロックしている限り、経時変化や周囲の温度変化等に起因して電圧制御発振器２４の特性の変動が生じたとしても、基準信号発生装置１０の基準信号を高精度に保つことができる。
　また、基準信号発生装置１０は、自走制御を行うための構成として、スイッチ２３と、温度センサ２６と、湿度センサ（湿度取得部）２７と、自走制御部２８と、を備える。
　なお、自走制御とは、マルチパス、妨害電波、及び障害物等によって適切なリファレンス信号を取得できない場合に、ＰＬＬ制御部２２が出力した第１制御信号を自走制御部２８が補正することで第２制御信号を生成して、当該第２制御信号によって電圧制御発振器２４が制御されることである。
　スイッチ２３は、ＰＬＬ制御部２２から第１制御信号が入力されるとともに、自走制御部２８から第２制御信号が入力される。スイッチ２３は、入力された２つの制御信号のうち何れか一方を電圧制御発振器２４へ出力する。
　温度センサ２６は、電圧制御発振器２４の周囲の温度を取得する。湿度センサ２７は、電圧制御発振器２４の周囲の絶対湿度（空気中に含まれる水蒸気量）を取得する。なお、湿度センサ２７は、湿度を直接的に取得する構成であるが、これに代えて、湿度に関連する値を検知することで湿度を間接的に取得する構成であっても良い。
　また、温度センサ２６についても、直接的ではなく、例えばＯＣＸＯのヒータの電流値等から取得する構成でも良い。温度センサ２６及び湿度センサ２７は、取得した温度及び湿度を自走制御部２８へ出力する。
　自走制御部２８には、ＧＰＳ受信部２１からリファレンス信号が入力されている。自走制御部２８は、受信したリファレンス信号が適切か否か（正常か否か）を判定し、適切でないと判断した場合は、第２制御信号が電圧制御発振器２４に出力されるようにスイッチ２３を切り替える。
　また、自走制御部２８には、ＰＬＬ制御部２２から第１制御信号が入力されるとともに、温度センサ２６から温度、湿度センサ２７から湿度が入力されている。自走制御部２８は、温度、湿度、及び経過時間等に基づいて、電圧制御発振器２４の周波数のズレ（即ち補正値）を算出する。そして、自走制御部２８は、第１制御信号と補正値とに基づいて第２制御信号を生成して、スイッチ２３に出力する。
　以上の制御を行うことにより、基準信号発生装置１０は、適切なリファレンス信号が取得できない場合であっても、高精度な基準信号を出力し続けることができる。
　次に、図２を参照して、電圧制御発振器２４の周囲の湿度と、周波数の変化量と、の関係性について説明する。出願人の実験によると、電圧制御発振器２４の周波数の変化量は、湿度、湿度を時間で微分した値（湿度勾配）、及び湿度を時間で２階微分した値（湿度加速度）及び時間に関係することが判明している。
　図２（ａ）は、湿度と周波数の変化量との関係を概略的に示すグラフである。図２（ａ）に示すように、湿度が上昇するほど周波数の変化量も増加し、湿度が下降するほど周波数の変化量も減少する。なお、その変化割合は略一定であると考えられる。
　図２（ｂ）は、湿度勾配と周波数の変化量との関係を概略的に示すグラフである。湿度が上昇又は下降している場合は、図２（ｂ）に示すように、その勾配（傾き）によって、周波数の変化量が異なる。例えば、同じ湿度であっても、湿度が上昇している場合（湿度勾配が正の場合）は周波数の変化量が比較的低くなるのに対し、湿度が下降している場合（湿度勾配が負の場合）は周波数の変化量が比較的高くなる。
　図２（ｃ）は、横軸を時間とし、縦軸に湿度と周波数の変化量とを表示するグラフである。図２（ｃ）に示すように、湿度（破線）の傾きが変化した後に周波数が変動し、時間の経過とともに周波数が安定していくことが分かる。これは、電圧制御発振器２４を通電することによって内部が高温となり、内部の基板がベーキングされて乾燥するために、周波数が安定すると考えられる。つまり、周波数の変化量は、湿度加速度の値をトリガとして時間の経過とともに補正量を小さくすることが好ましい。
　以上から、電圧制御発振器２４の周波数の変化量は、少なくとも、湿度、湿度勾配、及び湿度加速度に依存すると考えられる。従って、本実施形態では、湿度が前記発振器に与える影響を補正するための補正値を求める式（湿度補正式）として以下の式が用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｈは湿度を示している。つまり、右辺の第１項は、湿度を変数とした関数である。右辺の第２項は、湿度を時間で微分した値（湿度勾配）を変数とした関数である。右辺の第３項は、湿度を時間で２階微分した値（湿度加速度）及び時間を変数とした関数である。
　なお、式（１）のそれぞれの項には幾つかの係数を含んでいるが、この係数は、基準信号発生装置１０の出荷前等に求められる。具体的には、温度を一定にして湿度を変化させて、湿度の影響による周波数の変化量が求められる。また、本実施形態の基準信号発生装置１０は、稼動中（基準信号を外部に供給している間）にも湿度特性を求めて、この係数を更新する（詳細は後述）。
　上記の式（１）に対し、特許文献２では、湿度の継続時間にのみ基づいて補正値を算出する構成なので、湿度の影響をあまり正確に求めることができない。また、湿度が変化した場合等に対応できない。
　次に、図３を参照して、定常状態において自走制御部２８が行っている処理について説明する。図３は、基準信号発生装置１０が行う制御の一例を示すフローチャートである。
　自走制御部２８は適切なリファレンス信号が取得できているか否かを判断している（Ｓ１０１）。適切なリファレンス信号が取得できている場合、そのリファレンス信号に基づいてＰＬＬ制御部２２が第１制御信号を生成して電圧制御発振器２４を制御する（Ｓ１０２）。
　また、自走制御部２８は、この定常状態の間に、自走制御に必要な各種データを算出している。以下では、このデータの例として発振器の周囲の湿度と第１制御信号（制御電圧信号）のレベル値（ＤＡＣ値）の取扱いについて説明する。なお、温度の取扱いは湿度と略同等であるため説明を省略する。
　定常状態において、自走制御部２８は、所定の更新タイミングになると（Ｓ１０３）、上記の湿度補正式を更新する（Ｓ１０４）。
　具体的には、自走制御部２８には、湿度と、当該湿度におけるＤＡＣ値と、が入力されている。また、定常状態では電圧制御発振器２４は、目標とする周波数に限りなく近い高精度な周波数の信号を出力する。
　従って、自走制御部２８は、温度特性や経時変化特性等を考慮することで、湿度と周波数の関係を求めることができる。なお、湿度と周波数の関係は、例えば計測時から過去に遡るにつれて重みが小さくなる重み付け最小二乗法等を利用することができる。これにより、上記の式（１）の各項の係数等を更新することで、最新の電圧制御発振器２４の特性に合致するように湿度補正式を更新することができる。
　また、自走制御部２８はＤＡＣ値に対しても所定の更新タイミング毎に演算を行っている。具体的には、前回までのＤＡＣ値に基づいて次回のＤＡＣ値を推定している（Ｓ１０５）。なお、以下の説明では、この推定したＤＡＣ値を「推定ＤＡＣ値」と称することがある。推定ＤＡＣ値の推定には適宜の方法を用いることができる。例えば、ＤＡＣ値の挙動のうち基準信号発生装置１０の経時変化特性に基づいた挙動のみを算出して、この経時変化特性に基づいて次回のＤＡＣ値を推定する方法を用いることができる。このときに、前述の重み付け最小二乗法等を用いて推定ＤＡＣ値を推定することもできる。
　なお、推定ＤＡＣ値として直近のＤＡＣ値をそのまま用いることもできる。この場合、経時変化特性等を考慮して自走制御を行うことができないが、自走制御部２８が行う演算処理を簡単にすることができる。この方法は、経時変化特性よりも他の特性の影響が大きく、経時変化特性の影響をほぼ無視できるときは有効である。
　そして、自走制御部２８は自走状態になったときに、この推定ＤＡＣ値と、推定ＤＡＣ値を補正するための補正式と、に基づいて、電圧制御発振器２４に出力する第２制御信号を決定する。
　次に、自走状態において自走制御部２８が行う制御について説明する。
　自走制御部２８は、リファレンス信号の入力断を検出すると、当該自走制御部２８と電圧制御発振器２４とを接続させるための切換制御信号をスイッチ２３に送信し、自走制御に移行する。この自走制御では、前述のように、自走制御部２８が生成する第２制御信号が電圧制御発振器２４に送信される。なお、前記入力断とは、リファレンス信号のパルスがＨｉ側あるいはＬｏｗ側に固定される現象と、リファレンスが正確でないタイミングで信号を出し続ける現象と、の両方を意味している。
　自走制御部２８は、上述の温度特性、湿度特性（湿度補正式）、経時変化特性に基づいて周波数の変化量（補正値）を算出する（Ｓ１０６）。そして、この補正値と、前記推定ＤＡＣ値とに基づいて、自走制御に用いるためのＤＡＣ値（自走ＤＡＣ値）を得ることができる。そして、自走制御部２８は、自走ＤＡＣ値を信号レベルとした第２制御信号を電圧制御発振器２４に出力する（Ｓ１０７）。
　基準信号発生装置１０は、自走状態において以上のような制御を行うことで、精度の高い基準周波数信号を継続して出力することができる。そして、リファレンス信号が取得できない限り、上記のような自走制御を行い続けるように構成されている。
　以上に説明したように、本実施形態の基準信号発生装置１０は、ＰＬＬ回路４４と、湿度センサ２７と、自走制御部２８と、を備える。ＰＬＬ回路４４は、リファレンス信号に基づいて得られた第１制御信号によって電圧制御発振器２４を制御する。湿度センサ２７は、電圧制御発振器２４の周囲の湿度を取得する。自走制御部２８は、リファレンス信号が取得できなくなると、湿度センサ２７が取得した湿度を考慮した第２制御信号を生成し、当該第２制御信号によって電圧制御発振器２４を制御する。
　これにより、自走制御中に電圧制御発振器２４の周囲の湿度が変化した場合であっても、高精度な基準信号を出力し続けることができる。また、既存の温度特性や経時変化特性を考慮した補正と組み合わせることで、より高精度な基準信号を出力し続けることができる。
　以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
　基準信号発生装置１０を構成する発振器は上記で挙げたＴＣＸＯに限られず、ＯＣＸＯや水晶以外の原子発振器（ルビジウム発振器）等を用いることもできる。しかし、本願では湿度を考慮した補正を行うため、封止されていない発振器や、発振器が取り付けられた基板が外気に触れる構成（表面実装タイプ）の発振器を用いる方が本願の効果を有効に発揮することができる。
　絶対湿度に代えて相対湿度（飽和水蒸気量に対する空気中の水蒸気量の比率）を取得する構成であっても良い。ただし、絶対湿度を用いた方が、湿度の影響による周波数の変化量を正確に見積もることができると考えられる。
　上記実施形態では、湿度、湿度勾配、湿度加速度及び時間を変数とした３つの関数を含む湿度補正式を用いているが、少なくとも１つを含む湿度補正式を用いることもできる。
　上記実施形態では、湿度補正式のそれぞれの項は、関数に検出値等を代入して値を求める構成であるが、これに代えて、予めテーブルを用意しておき、測定値等からテーブルを参照することで各項の値を求める構成であっても良い。
　上記実施形態及び変形例は、ＧＰＳ衛星からの信号に基づいてリファレンス信号を生成する構成であるが、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｓｙｓｔｅｍ）を利用する構成であれば、適宜変更することができる。例えば、ＧＬＯＮＡＳＳ衛星やＧＡＬＩＬＥＯ衛星からの信号に基づいてリファレンス信号を生成する構成に変更することができる。また、外部装置からのリファレンス信号を取得する構成としても良い。
　上記実施形態では、位相差を比較するＰＬＬ回路を用いているが、周波数差を比較するＦＬＬ回路を用いることもできる。
　ＧＰＳ受信部２１は、１ＰＰＳに代えて、ＰＰ２Ｓ等の１Ｈｚ以外の信号をリファレンス信号として生成する構成に変更することができる。また、ＧＰＳ受信部２１は、基準信号発生装置１０の内部ではなく外部に配置されていても良い。
　基準信号発生装置１０が備える各部は、ハードウェアとして構成することに代えて、ソフトウェアにより構成することもできる。
　１０　基準信号発生装置
　２１　ＧＰＳ受信部
　２２　ＰＬＬ制御部
　２３　スイッチ
　２４　電圧制御発振器（発振器）
　２５　分周部
　２６　温度センサ
　２７　湿度センサ（湿度取得部）
　２８　自走制御部
　４４　ＰＬＬ回路（同期回路）

Claims (10)

  1. 　リファレンス信号に基づいて得られた第１制御信号によって発振器を制御する同期回路と、
    　前記発振器の周囲の湿度を取得する湿度取得部と、
    　前記リファレンス信号が取得できなくなると、前記湿度取得部が取得した湿度に基づいて、湿度が前記発振器に与える影響を考慮した第２制御信号を生成し、当該第２制御信号によって前記発振器を制御する自走制御部と、
    を備えることを特徴とする基準信号発生装置。
  2. 　請求項１に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記自走制御部は、湿度が前記発振器に与える影響を補正するための補正値を、湿度補正式を用いて求め、当該補正値を用いて前記第２制御信号を生成することを特徴とする基準信号発生装置。
  3. 　請求項２に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記湿度補正式には、前記湿度取得部が取得した湿度を変数とした関数が含まれることを特徴とする基準信号発生装置。
  4. 　請求項２又は３に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記湿度補正式には、前記湿度取得部が取得した湿度を時間で微分した値を変数とした関数が含まれることを特徴とする基準信号発生装置。
  5. 　請求項２から４までの何れか一項に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記湿度補正式には、前記湿度取得部が取得した湿度を時間で２階微分した値を変数とした関数が含まれることを特徴とする基準信号発生装置。
  6. 　請求項２から５までの何れか一項に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記湿度補正式には、時間を変数とした関数が含まれることを特徴とする基準信号発生装置。
  7. 　請求項２に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記湿度補正式は、
    　前記湿度取得部が取得した湿度を変数とした関数と、
    　前記湿度取得部が取得した湿度を時間で微分した値を変数とした関数と、
    　前記湿度取得部が取得した湿度を時間で２階微分した値及び時間を変数とした関数と、
    の和であることを特徴とする基準信号発生装置。
  8. 　請求項２から７までの何れか一項に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記自走制御部は、稼動中に得られた値に基づいて、前記湿度補正式を更新することを特徴とする基準信号発生装置。
  9. 　請求項１から８までの何れか一項に記載の基準信号発生装置であって、
    　前記湿度取得部は、絶対湿度を取得することを特徴とする基準信号発生装置。
  10. 　リファレンス信号に基づいて得られた第１制御信号によって発振器を制御する同期工程と、
    　前記発振器の周囲の湿度を取得する湿度取得工程と、
    　前記リファレンス信号が取得できなくなると、前記湿度取得工程で取得した湿度に基づいて、湿度が前記発振器に与える影響を考慮した第２制御信号を生成し、当該第２制御信号によって前記発振器を制御する自走制御工程と、
    を含むことを特徴とする基準信号発生方法。
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