JP2855449B2 - 標準周波数信号生成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位相追尾式の標準電波受信機に連動した弱結
合発振器に関し、殊に標準電波の電波伝搬による位相変
動を補正し、標準電波の原振に高精度に同期した信号を
得るための標準周波数信号生成装置の構成に関する。

（従来技術） 従来、各種機器の周波数測定や校正を行う高精度な基
準周波数を得る場合には原子周波数標準器の出力を変調
信号又は搬送波とした標準電波を受信し、校正する比較
信号をその位相に追尾させる方法と前記原子周波数標準
器出力をデジタル通信網を介して受信し、弱結合発振器
を用いて前記原子周波数標準器出力に同期した安定で高
精度な出力を再生する方法とがある。

標準電波とは電波管理、学術研究及び産業活動等にお
ける基準周波数となるものであり、わが国における標準
電波はセシウムビーム周波数標準器を原器として作出さ
れており、その精度は10^-13台の高精度を維持し、その
周波数帯域は長波で１波、短波で５波送信されている。

上記短波標準電波の場合、電離層伝搬により電波伝搬
が行われるため、遠達性があるが伝搬路の変動により生
じるドップラー効果等により、その信号受信精度は周波
数で10^-7〜10^-8に留まっている。

一方、長波標準電波の場合、その電波伝搬は波長が長
いため地表波の減衰が少なく、且つ空間波も最も安定し
ている最下部電離層（Ｄ層）で反射するため周波数、強
度共に安定であり、日周位相変動或は急始電離層擾乱等
による突発的な位相変動を補正することにより24時間比
較で10^-11程度の高精度な周波数比較が得られる。

上述した理由により標準電波を用いて高精度の周波数
測定を行う場合には、位相追尾式の長波標準電波受信機
を用い、受信した標準電波の位相とローカル標準周波数
の位相とを比較し、両者の位相が常に一致するように移
相器でローカル標準周波数の位相を制御する手段が用い
られている。

しかしながら、標準電波を用いて高精度な出力を得る
方法は電波の伝搬路上の影響によりその精度が左右さ
れ、また標準電波の電界強度の劣化や停波により受信機
より標準電波を受けられない場合等には高精度な周波数
信号を得ることが出来ないという問題点があった。

一方、デジタル通信回線網より基準クロックを直接抽
出し、該クロック信号を用いて高精度な出力を得る方法
は、前述したような標準電波を用いる場合と異なり電界
層の影響は受けないものの伝搬路上の影響により位相変
動（ジッタ）が重畳されるため直接通信機器等には用い
ることが出来ない問題点がある。

この問題点を除去するためにデジタル通信回線網より
基準クロックを抽出し高精度な周波数信号を得る方法
は、該基準クロックを用いて弱結合発振器を制御するこ
とによりシステムジッタ等の影響を除去している。

しかしながら、上記デジタル通信回線網を使用する方
法は専用線が必要であり任意の場所において容易に高精
度の標準周波数を得ることが出来ないという問題点があ
った。

（発明の目的） 本発明は上述した如き従来の問題点に鑑みなされたも
のであって、標準電波を任意の位置で捕捉するという電
波伝搬による利点を有すと共に標準周波数信号の受信強
度が劣化した場合または標準電波が停波した場合等であ
ってもその影響が直接及ぶことを防止し、極めて高精度
な周波数信号を得ることが出来る標準電波受信機と連動
した標準周波数信号生成装置を提供することを目的とす
る。

（発明の概要） この目的を達成するために本発明に係る標準周波数信
号生成装置の請求項１記載の発明は、標準電波受信機と
該標準電波受信機と連動して作動する弱結合発振器とか
らなり、前記標準電波受信機において前記弱結合発振器
出力を標準電波信号に同期させた位相追尾信号を作出す
ると共に、前記弱結合発振器において該弱結合発振器出
力信号と前記位相追尾信号との位相を比較し、該比較に
より得た位相差に基づいて該弱結合発振器の発振出力の
位相又は周波数を可変制御することにより標準電波の信
号に同期した信号を得たことを特徴とする。

また、本発明に係る標準周波数信号生成装置の請求項
２記載の発明は、標準電波を受信する標準電波受信手段
と、発振周波数制御が可能な発振手段と、該発振手段の
出力信号と前記標準電波受信手段からの標準電波信号と
を入力し、両者の位相を比較する第１の位相比較手段
と、該比較手段出力に基づき前記発振手段出力を前記標
準電波信号に同期させた位相追尾信号を生成する移相手
段と、該移相手段より出力された位相追尾信号と前記発
振手段出力手段とを比較する第２の位相比較手段と、該
第２の位相比較手段出力を入力し、短周期な位相変動を
検出すると共に、該短周期な位相変動を抑圧した制御デ
ータを出力する第１のフィルタ手段と、該第１のフィル
タ手段からの出力を入力し、中、長周期の位相変動を検
出すると共に、該中、長周期の位相変動を抑圧した制御
データを出力する第２のフィルタ手段とを備え、該第２
のフィルタ手段出力により前記発振手段出力の位相又は
発振周波数を制御したことを特徴とする。

（実施例） 以下、本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に
説明する。

先ず、本実施例の理解を助けるため従来用いられてい
た標準電波受信機を用いた標準周波数受信方法とデジタ
ル通信回線網を用いて標準周波数信号を得る方法とを簡
単に説明する。

第２図は従来用いられていた長波標準電波受信機を用
いて相対周波数偏差を測定する装置の回路構成を示すブ
ロック図であって、同図において１はアンテナであっ
て、該アンテナを介して受信した標準電波を高周波増幅
器２及び中間周波増幅器３を介して位相比較器６に入力
し、該入力信号を基準として被測定信号の位相変化量を
測定すると共に該位相比較器６出力は次段の移相器５に
与えられ、該移相器５は前記位相比較器６出力に応じ被
測定信号の移相量を制御し、位相追尾信号出力として出
力すると共に必要であれば移相器５における制御量をD/
Aコンバータ７を介してアナログ信号として出力する。

また、前記標準電波は、例えば40kHzの搬送波に対し
て、1Hzの変調波（タイムコード）により変調を施した
ものであって、前記40kHzの搬送波が500msごとに断続を
繰り返す信号である。該標準電波信号と移相器５出力信
号とを同期検波器４に入力することにより、同期検波器
４は標準電波信号のマーキング部である40kHzの信号が
到来したときのみにおいて位相比較器６が作動し、スペ
ース部が入力したときは休止するように制御する。

上述したような位相追尾式（位相引き込み式）位相同
期方式は、長波標準電波を用いた標準周波数信号手段の
中で他の方式、例えばフリップフロップ式位相比較受信
機またはPLL方式受信機等を用いた方式と比較してゲー
ト回路の制御及びフィルタが必要ないことから標準電波
のレベルが雑音レベル以下になっても高精度な周波数比
較が出来、高安定の標準周波数を得ることが出来るとい
う利点を有す。

一方、デジタル通信回線網を用いて標準周波数を得る
弱結合発振器を用いた手段は第３図に示す如くデジタル
位相比較器10、マイクロプロセッサ12、デジタルフィル
タ14、デジタルアナログコンバータ16および電圧制御型
水晶発振器（以下、VCXOと記す）18から構成されてい
る。

デジタル通信回路網よりの同期クロック信号とVCXO18
からの出力信号とをデジタル位相比較器10に入力し、該
デジタル位相比較器10において両者の位相差を例えば２
ミリ秒毎に検出すると共にその出力は次段のデジタルフ
ィルタ14に与えられる。

該デジタルフィルタ14では前記２ミリ秒毎にデジタル
位相比較器10より出力される8.192秒間分のデータ、即
ち4096個の位相差データをマイクロプロセッサ12に与
え、該マイクロプロセッサ12では8.192秒間に於ける位
相差データの平均値を算出すると共に該平均値の階差も
算出し、その結果をデジタルフィルタ14を介して次段の
デジタルアナログコンバータ16に出力する。

該デジタルアナログコンバータ16は前記デジタルフィ
ルタ14より印加された8.192秒間の位相差平均値に応じ
て作出された制御信号に基づいて直流電圧を発生し、こ
れを次段のVCXO18に印加し、その結果、該VCXO18の出力
は通信回線網より供給された同期クロックとの位相差を
補正され、該同期クロックに正確に同期した出力信号を
発振する。

したがって、長波標準電波より抽出した標準周波信号
で弱結合発振器を制御し、高精度な周波数信号を得るた
めには、第２図に示した移相器５の出力である位相追尾
信号を第３図の同期クロックとして用いれば良いが、デ
ジタル回線網に起因して発生するジッターを抑圧するた
めに弱結合発振器に於ける入力位相変動（ジッター）抑
圧周期が一般に約８秒〜10秒以下と設定されているた
め、標準電波故に発生する電波伝搬に起因した数10分〜
数時間周期の位相変動は長波標準電波受信機の復調信号
に重畳されたまま弱結合発振器の同期クロックとして供
給され、抑圧することが出来ないという問題点があっ
た。

また、電波伝搬による位相変動を抑制するために弱結
合発振器におけるデジタルフィルタ部の平均値算出周期
を長くすると、VCXOを制御する間隔が長くなりすぎてし
まい、短期的な周波数の安定が失われてしまうという問
題点があった。

これら上述した問題点を除去するために本発明に係る
標準電波受信機を用いた弱結合発振器は例えば第１図に
示す如く構成する。

同図において、22はアンテナ、24は高周波増幅器、26
は中間周波増幅器、28は同期検波器、30は第１の位相比
較手段である位相比較器、32は移相手段である移相器、
34は第２の位相比較手段であるデジタル位相比較器、35
は第１のフィルタ手段、37は第２のフィルタ手段、36及
び38はデジタルフィルタ、40及び41はマイクロプロセッ
サ、42はデジタルアナログコンバータ、44は発振手段で
ある電圧水晶発振器（VCXO）であり、前記高周波増幅器
24及び中間周波増幅器26は標準電波を受信する標準電波
受信手段の一部である。

このように構成した装置においてアンテナ22から受信
した標準電波は高周波増幅器24および中間周波増幅器26
を介して位相比較器30に与えられVCXO44の出力信号と位
相比較を行い、その比較結果に基づいて次段の移相器32
を制御し、VCXO44出力の位相調整を行い、該位相調整を
行った位相追尾信号をデジタル位相比較器34に出力す
る。

また、同期検波器28は移相器32の出力を用いて中間周
波増幅器26の出力を同期検波し、標準電波信号に重畳さ
れているタイムコード（変調波）を復調している。

位相比較器30は該同期検波器28の出力に基づいて作動
することにより、受信した長波標準電波のマーク部、即
ち、40kHzの搬送波信号が存在するタイミングにおいて
のみ位相比較を行っている。

デジタル位相比較器34には前述した移相器32出力以外
にVCXO44からの出力信号も入力しており、両入力信号の
位相を２ミリ秒毎に比較し、その結果をデジタルフィル
タ36に出力する。

該デジタルフィルタ36では２ミリ秒毎に入力する位相
差信号を演算処理を行うマイクロプロセッサ40に与えマ
イクロプロセッサ40は4096個（8.192秒間）の位相差信
号を入力することによりその平均値を算出し、該算出値
に基づいてデジタルフィルタ36の出力は制御される。

即ち、デジタルフィルタ36は短周期のジッターを抑制
するものであり、その出力は8.192秒間の平均位相差比
較データである。

前記デジタルフィルタ36出力は次段のデジタルフィル
タ38に入力し、該デジタルフィルタ38はその信号をマイ
クロプロセッサ41に出力する。

該マイクロプロセッサ41では前記8.192秒間の平均位
相差比較データをさらに平滑化するために“T"時間分の
データを蓄積すると共に、8.192秒毎に“T"時間分の移
動平均値を算出し、該算出値を制御データに変換してD/
Aコンバータ42へ出力する。

即ち、デジタルフィルタ38は電波伝搬により生じる数
10分〜数時間の中、長周期な位相変動を十分抑制するよ
うな時間に設定し、前記“T"時間は例えば10時間程度に
すればよい。

前記デジタルフィルタ38出力は短周期及び中、長周期
の位相変動を抑圧した制御データを次段のD/Aコンバー
タ42に出力し、該制御データを入力したD/Aコンバータ4
2は入力デジタル信号を直流電圧に変換し、VCXO44を制
御することにより標準電波の原器であるセシウムビーム
周波数標準器の発振周波数に高精度に同期することが出
来る。

尚、前記マイクロプロセッサ40及び41はその内部メモ
リ或は図示しない外部メモリに抽出したデータをサイク
リックに記憶しておき、電界強度の悪化や停波によっ
て、受信機よりの位相追尾信号を得ることが出来ない場
合であっても、その直前に入力した制御データを初期値
として電圧制御型水晶発振器が自走状態で出力し続ける
ように構成してもよく、更には受信機より位相追尾信号
が再び出力された際に、位相追尾信号に対する弱結合発
振出力の位相差を位相追尾信号が停波、あるいは電界強
度の悪化等により得られなくなる直前の位相差と同じ値
になるように補正し、再び標準電波に対して同期するよ
うに制御を開始すれば、電圧制御発振器の自走期間に生
じた位相差を補正して、再入力する標準電波に対する周
期を早める上で有効である。

したがって、標準電波信号を受信している際には短、
中及び長周期の位相差変動を補正し、高精度に周波数同
期した弱結合信号出力を得ることが出来ると共に標準電
波信号が何らかの原因により得ることが出来ない場合に
はマイクロプロセッサに記憶されたデータに基づいて電
圧制御型水晶発振器を自走させるため略安定した出力を
得ることが出来る。

尚、本発明の実施例ではマイクロプロセッサを２つ用
いて説明したがこれに限定されるものではなく１つのマ
イクロプロセッサによりその両者の演算処理を行っても
よく、あるいは日、月、年等、３以上の異なる周期変動
に対応するために夫々の期間毎の位相変化平均を算出す
るフィルタブロックを縦列接続することも有用であろ
う。

また、標準電波として長波標準電波を受信する場合に
ついて説明したが、これに限定されるものではなく、短
波標準電波を用いたものに適用しても同様の効果を得る
ことが出来る。

更に、他の原子周波数標準器を原器としている信号、
例えばテレビジョンの同期信号を抽出し、該同期信号を
位相追尾信号として用いても同様に高精度且つ高安定な
信号を作出することが出来、また弱結合発振器として電
圧制御型水晶発振器を用いて説明したが、発振周波数制
御が可能な発振器であれば他の方式のものを用いてもよ
いことは明かである。

（発明の効果） 本発明の標準周波数信号生成装置は以上説明したよう
に電波伝搬による様々な時間周期を有す位相変動を抑制
しながら短時間の周期で同期制御を行うことにより安定
な弱結合信号出力を得ることが出来ると共に電界強度の
悪化あるいは停波等により位相追尾信号が得られない間
においても比較的安定した周波数信号を自走により出力
することが出来るため、高価な原子周波数標準器を用い
ずに高精度な周波数信号を得る上で著しい効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は従来の長
波標準電波受信機を用いて相対周波数偏差を測定する装
置のブロック図、第３図は従来の弱結合発振器を用いて
標準周波数を得る装置のブロック図である。 １、22……アンテナ、２、24……高周波増幅器、３、26
……中間周波増幅器、４、28……同期検波器、６、30…
…位相比較器、５、32……移相器、７、16、42……デジ
タルアナログコンバータ、10、34……デジタル位相比較
器、12、40、41……マイクロプロセッサ、14、36、38…
…デジタルフィルタ、18、44……電圧制御型水晶発振器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】標準電波受信機と該標準電波受信機と連動
   して作動する弱結合発振器とからなり、前記標準電波受
   信機において前記弱結合発振器出力を標準電波信号に同
   期させた位相追尾信号を作出すると共に、前記弱結合発
   振器において該弱結合発振器出力信号と前記位相追尾信
   号との位相を比較し、該比較により得た位相差に基づい
   て該弱結合発振器の発信出力の位相又は周波数を可変制
   御することにより標準電波の信号に同期した信号を得た
   ことを特徴とする標準周波数生成装置。
2. 【請求項２】標準電波を受信する標準電波受信手段と、
   発信周波数制御が発信手段と、該発信手段の出力信号と
   前記標準電波受信手段からの標準電波信号とを入力し、
   両者の位相を比較する第１の位相比較手段と、該比較手
   段出力に基づき前記発信手段出力を前記標準電波信号に
   同期させた位相追尾信号を生成する移相手段と、該移相
   手段により出力された位相追尾信号と前記発信手段出力
   手段とを比較する第２の位相比較手段と、該第２の位相
   比較手段出力を入力し、短周期な位相変動を検出すると
   共に、該短周期な位相変動を抑圧した制御データを出力
   する第１のフィルタ手段と、該第１のフィルタ手段から
   の出力を入力し、中、長周期の位相変動を検出すると共
   に、該中、長周期の位相変動を抑圧した制御データを出
   力する第２のフィルタ手段とを備え、該第２のフィルタ
   手段出力により前記発信手段出力の位相又は発振周波数
   を制御したことを特徴とする標準周波数生成装置。