JP5166869B2 - クロックジッターの測定 - Google Patents

Description

本発明は、クロック信号においてジッターを補正するための方法及び装置に関する。

ジッターは、実際のパルスと理想パルスとの間の偏差として広く定義されており、振幅、位相及び／又はパルス幅における偏差でありうる。ジッターは、通常、機械的な振動、供給電圧の変動、制御システムの不安定性などによって引き起こされる高周波波形変化から形成される。クロックジッターは、クロックの出力における特定のイベントが、特定のイベントの理想的なタイミングから、先行又は遅延のいずれかにより変化する場合として決定されうる。

電子装置のクロックレートが高くなればなるほど、ジッターに起因する時間測定の誤差は、比例的にますます著しくなる。クロック信号におけるジッターが著しい誤差を引き起こすところの多数の状況が存在する。例えば、無線周波数信号を用いて無線ネットワークにおいて他の装置と通信する送受信機は、無線周波数フロントエンド及びデジタルバックエンドを有し、ジッターは、無線周波数フロントエンドとデジタルバックエンドとの間のインターフェースにおいて誤差を引き起こしうる。アナログ−デジタル変換器は、通常、アナログ無線周波数信号をデジタル信号へと変換するために使用され、次に、このデジタル信号は、メッセージを解釈するよう、期待される信号と比較される。アナログ信号を変換するために使用されるクロック信号の周期がジッターに起因して変化する場合には、デジタル信号には誤差が存在し、メッセージを復号する際にも誤差が存在しうる。

ジッターがネットワークの機能性において著しい誤差を引き起こすところの代替的な状況は、無線ネットワークにおいて装置間の距離を決定する場合である。ネットワーク内の２つのノード間の距離は、第１のノードが範囲要求（ｒａｎｇｅ ｒｅｑｕｅｓｔ）を第２のノードへ送信することにより決定されうる。第２のノードは、要求が到達した時間を記録し、要求が到達した時間と応答が送信された時間とを含む時間データを有する範囲応答（ｒａｎｇｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を返す。第１のノードは、応答を受信し、時間スタンプに基づいてノード間の距離を計算する。時間スタンプがジッターに起因して僅かに不正確でない場合には、計算された距離には大きな誤差が生じうる。特に、隣接する装置間の平均距離が１から１０ｍの範囲にあるところの低出力無線周波数ネットワークでは、クロックにおけるジッターは、１ｍよりも大きい誤差を引き起こしうる。隣接する装置間の距離を計算する場合に、第２のノードで費やされる時間は、２つの装置のクロックが、著しく広がる（ｄｒｉｆｔ）時間を有さないように、可能な限り短いことが重要である。結果として、即座に且つ正確に時間を決定する方法は重要である。

クロック信号におけるジッターを測定する利用可能な方法は、非常に高価か、非常に遅いかのいずれかであり、範囲要求の受信と範囲応答の送信との間の短時間に時間測定を補正するには適さない。

安価な方法でクロック信号におけるジッターを測定するための方法及び装置は、バーンズ等により米国特許番号６，２４０，１３０号明細書で開示される。当該方法は、クロック信号を供給するためのクロック、正弦波発生器、サンプリング回路及びデジタル信号処理装置を有する多数の構成要素の全体的なジッターの合計を測定するステップを有する。個々の構成要素のジッターは、その構成要素のジッターが他の構成要素のジッターよりも十分に高い限りは正確に測定されうる。入力信号の等しく間を空けられた多数のサンプルの夫々の信号対雑音比の二乗平均平方根への反比例としてジッターを計算するための式が開示される。結果として、多数のサンプルが、ジッターの正確な値を得るために必要とされる。結果として、当該方法は、２つのノード間の距離を測定するために要する時間期間における時間測定の際のジッターに起因する誤差を見つけるには遅すぎる。
米国特許番号６，２４０，１３０号明細書

本発明は、上記問題を解決することを目的とする。

本発明は、ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号に基づく時間測定においてジッターに起因する誤差を推定する方法を提供することを目的とする。

本発明は、更に、時間測定に基づく処理及び計算の精度が改善されるように、時間測定を補正する方法を提供することを目的とする。

本発明に従って、ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号に基づく時間測定の精度を改善する方法が提供される。当該方法は、前記クロック信号における第１のイベントでの時間依存参照変数の測定値と、前記第１のイベントに関連する測定時間データでの前記変数の期待値との間の差を決定するステップと、前記差に依存して前記時間測定を補正するステップとを有する。

一実施例において、本発明に従って、前記時間依存参照変数は、充電キャパシタの両端の電圧である。クロック信号におけるジッターに起因する誤差は、測定電圧と期待される電圧との間の差に線形に比例する。

本発明に従って、ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号に基づく時間測定の精度を改善する装置も提供される。当該装置は、前記クロック信号の供給源と、局部的なジッターに比較的影響されない基準デバイスと、前記クロック信号における第１のイベントでの、前記デバイスに関連する時間依存参照変数の測定値と前記第１のイベントに関連する測定時間データでの前記変数の期待値との間の差を決定するための手段と、前記差に依存して前記時間測定を補正するための手段とを有する。

参照変数の期待される値は、当該装置を有する機器のメモリ内に記憶されたルックアップテーブルから見つけられても良い。

以下、本発明の実施例を、一例として、添付の図面を参照して説明する。

図１を参照すると、無線ネットワークで他の装置と通信する装置１が示されている。装置１は、無線周波数信号３を送信及び受信するための短距離送受信機２と、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）４と、メモリ（ＲＯＭ）５と、記憶装置（ＲＡＭ）と、他のノードと同期化して、ＣＰＵ４の処理を協調させるための時間測定ユニット７とを有する。一実施例において、装置１は、ユーザへのインターフェースを提供する入出力手段８を更に有する。装置１は、更に、バッテリーを有しうる電源９へ接続されている。

多数の無線ネットワークにおいて、記録が個々の装置の間の距離に関して保たれることは重要である。このような記録は、絶えず更新される必要がある。記録は、装置のうちの１つの位置のユーザに情報を与えるために、及び互いの通信範囲内にはない２つの装置の間の最速ルートを見つけるために使用されても良い。図２は、ネットワーク内の２つのノード、即ち、互いと通信中であるデスクトップコンピュータであるノードＡ及び携帯電話であるノードＢを示す。夫々のノードは、装置１へ接続される／装置１を有する。ノードＢまでの距離を知るために、ノードＡは、時間Ｔ１にノードＢへ範囲要求１０を送信する。ノードＢは、要求を受信し、要求が受信された時間Ｔ２を書き留め、応答１１を準備し、時間スタンプＴ２と、応答が送信された時間Ｔ３とを含む応答を送信する。ノードＡは、時間Ｔ４で応答を受信し、要求がノードＡからノードＢへ移動するのに要した時間ｄＴ_ＡＢと、応答がノードＢとノードＡとの間を移動するのに要した時間ｄＴ_ＢＡとを求めることによってノードＡとノードＢとの間の距離を計算する。ｄＴ_ＡＢ又はｄＴ_ＢＡのうちのいずれか一方に光速を乗じることにより、ノードＡとノードＢとの間のおよその距離が求められる。しかし、ノードＡ及びノードＢのクロックは、僅かに一致していないことが起こり得る。２つのクロックの間に時間遅延が存在する場合には、ｄＴ_ＡＢにおける誤差は、ｄＴ_ＢＡでの誤差と、符号は反対であるが等しい値を有しうる。従って、ｄＴ_ＡＢ及びｄＴ_ＢＡの平均を計算することにより、ノードＡとノードＢとの間の距離に関して、より正確な値が求められる。ノードＡとノードＢとの間の距離は、以下：
Ｄ＝（ｄＴ_ＡＢ＋ｄＴ_ＢＡ）＊ｃ／２＝（Ｔ２−Ｔ１＋Ｔ４−Ｔ３）＊ｃ／２ （１）
によって与えられる。ここで、ｃは、光速である。

クロック間の同期誤差の大きさは、式２により計算される：
Ｃｌｏｃｋ_{ｅｒｒｏｒ}＝（Ｔ２−Ｔ１−（Ｔ４−Ｔ３））／２ （２）。

クロック誤差を求めることにより、ノードＢは、ノードＡに対して更に同期することができる。

しかし、同期誤差は、考慮される必要がある、計算における潜在的な誤差のみではない。両ノードのクロック信号に影響を及ぼすジッターは、前出の式によっては考慮されていない。ノードＢのクロックにおけるジッターは、要求の到着と応答の送信との間の短い時間期間に亘って変化しうる。ジッターは、電源変動、機械的な振動、又は装置の異なる構成要素への同等でない電力供給に起因しうる。従って、計算された距離又はクロック間の時間遅延は、正確でないことが起こり得る。標準的な装置１において、時間測定ユニット７は、通常、図３に示されるように、発振器の形をした信号発生器１３と、カウンタ１４とを有するクロック１２を有する。信号発生器１３は、一定の時間周期を有する発振信号を供給し、カウンタ１４は、所定のイベント以降の周期の数を数えることによって時間のトラックを保つ。信号発生器１３は、信号を発生させる電源を必要とし、電源９へ接続されている。無線ネットワーク内の標準的な短距離低出力送受信機において、電源９はバッテリーであっても良く、信号発生器１３は水晶又は電圧制御発振器（ＶＣＯ）であっても良く、カウンタ１４はソフトウェアで作られても良い。構成要素を接続する回路は雑音により影響を及ぼされ、この雑音はクロック信号においてジッターを引き起こす。ジッターの１つの発生源は、電源における雑音１５ａである。クロック１２への電力供給は、バッテリー９の使用期間及び電圧と、装置１での入出力作動の数とに依存して変動する。クロック１２の回路自体も、ジッターの発生源１５ｂでありうる。例えば、ジッターは、クロックへの電圧信号が回路内の他の信号へ電磁気的に結合する場合に生成されうる。更なるジッター発生源は、環境雑音１５ｃによって作られる。環境雑音は、例えば、装置の機械的相互作用又は環境の温度によって作られる。発振回路１３も、ジッター１５ｄを生成しうる。結果として、カウンタ１４へ供給される信号は、一定の周期を有する理想的な信号ではない。

図４は、発振信号の変動を示す。理想的な信号は、ライン１６により示され、ジッターにより影響を及ぼされた実際の信号は、破線１７によって示される。灰色の領域は、クロック信号の立ち上がり及び立ち下がりの起こり得る時間変動を示す。低出力無線ネットワークにおける標準的なクロック信号は、数百ナノ秒の周期を生ずる数ＭＨｚの周波数を有する。図４の理想的な信号１６は、１００ｎｓの周期と同等な１０ＭＨｚの周波数を有する周期的な信号を示す。結果として、数パーセントの雑音レベルは、数ナノ秒の推定誤差を生ずる。実際の信号１７は、周期のおよそ５％の雑音レベルを有する。従って、クロックエッジは、その時間の５ｎｓ前に到着しうる。無線周波数信号が３ナノ秒ごとにおよそ１メートル進むとすると、５ｎｓの誤差は、図４のクロック信号が２つの装置１の間の範囲要求の到達の時間を決定するために使用される場合に、範囲測定において重大な誤差を引き起こしうる。５ナノ秒の時間誤差は、１ｍを超える、ノードＡとノードＢとの間の距離における誤差を生ずる。この誤差は、フライト時間の測定が、ノード間の平均距離がおよそ５メートルであるところのネットワークで測定されうる、と考えた場合には重大である。

本発明に従って、局部的なジッターに比較的影響されない構成要素は、時間測定におけるジッターに起因する誤差を推定するために使用可能であり、誤差の推定は、時間測定を補正するために使用可能である。局部的なジッターに比較的影響されない装置の一例は、別の安定電源により充電されるキャパシタである。クロック信号に影響を及ぼす電源雑音は、充電キャパシタでは重大な影響を有することがない。充電過程の間に、キャパシタ電圧は、時間とともに変化して、時間の経過に対応するパラメータとして使用されうる。このパラメータは、ジッターを含まない。本発明に従って、このジッターを含まない時間パラメータは、ジッターの補償が実施されうるように、クロック信号と比較されて、そのジッターを測定する。

最初にキャパシタは、放電され、それによりリセットされる。キャパシタの充電は、範囲要求が受信されて、時間測定が必要とされる前のある時点で開始される。メッセージが受信されると、カウンタ１４の値は読み込まれ、同時に、キャパシタの両端の電圧が読み込まれる。キャパシタがリセットされた以降の周期の正確な数が知られ、結果として、期待されるキャパシタ電圧は、理想的なクロック信号の波形及び周期性に基づいて計算可能である。キャパシタ電圧の正確な値が期待値よりも高い場合には、ジッターは、クロック信号を理想的なクロック信号より遅らせることが推測される。ｎ番目のクロックエッジが、理想的なクロック信号のｎ番目のクロックエッジよりも時間ｄｔだけ遅く到着する場合には、キャパシタは、キャパシタの電圧が読み込まれる前に充電する時間をｄｔだけ長く有し、結果として、キャパシタ電圧の値は、ｎ番目のクロックエッジの検出時点に、期待されるよりも高くなりうる。他方で、キャパシタ電圧の値が期待値よりも低い場合には、ジッターは、測定時点でのクロックエッジが理想的なクロック信号の前に到着するようにクロック信号の速度を上げたと考えられる。十分に短い時間期間の間に、キャパシタの充電は、ほぼ線形であり、結果として、実際のキャパシタ電圧値と、期待されるキャパシタ電圧値との間の差は、ジッターにより引き起こされたタイミング誤差に直接的に比例する。

キャパシタの期待される電圧は、多数の異なる方法により求めることが可能である。例えば、装置１を製造する前に、キャパシタは、実験室条件で試験されて、ルックアップテーブルが、規則的な間隔でキャパシタの期待される電圧を与えるよう記録されても良い。多数のこのようなテーブルは、装置１のメモリに保存されても良い。メモリには、異なる温度及び異なるバッテリー電圧に関する異なるテーブルが存在しても良い。図５は、２０℃の温度で実験室条件において動作するキャパシタに関するこのようなテーブル１８の一例を示す。キャパシタの電圧は、所定の条件下で充電されている場合に、非常に正確なクロックを用いてサンプリングされても良い。このクロックは、１０ｍｓの周期を有するクロック信号を発生させる。キャパシタ電圧の値は、１０回目のカウントごとに、即ち、１００ｍｓごとに記録される。その場合に、テーブルは、装置１のメモリに保存される。装置１の動作中に、装置内のカウンタ１４は、キャパシタ電圧のリセット後、８５回目のカウントで、即ち、０．８５ｓで読み込まれる。キャパシタの電圧は、同時に読み込まれる。８５回目のカウントに関してテーブルには期待値がない。しかし、８０回目及び９０回目のカウントに関して値が記録されている。テーブルに従って、キャパシタの電圧は、８０回目から９０回目のカウントの間に１１．００ｍＶだけ増大しており、キャパシタの電圧レベルが時間とともにほぼ線形に増大するとすれば、キャパシタの電圧は、クロック信号の１周期ごとにおよそ１．１０ｍＶだけ増大する。従って、８５回目のカウントでのキャパシタの両端の電圧は、８４．５０ｍＶであったと考えられる。この例で、実際の値は８６．０４ｍＶである。結果として、キャパシタの実際の値は、期待値よりも１．５ｍＶだけ高い。キャパシタが、この例において、周期ごとにおよそ１．１０ｍＶだけ変化するとすれば、キャパシタは、期待されたよりも長い１．５４／１．１０＝１．４クロック周期の間は充電することを認められた。即ち、８５回目のクロックエッジは、１．４周期、即ち１４ｍｓだけ理想タイミングよりも遅れていた。図５のテーブル１８の代替の実施例で、キャパシタ電圧の値は、クロック信号の周期に対応する夫々の間隔で記録されても良い。前出の例でのクロック信号は、比較的低い周波数を有する。この例での周波数の値は、説明に過ぎず、本発明の適用範囲を制限するように解釈されるべきではない。

他の実施例で、時間測定ユニット７は、期待されるキャパシタ電圧のテーブルを自動で更新しても良い。例えば、装置の処理動作が低く、クロック信号におけるジッターが低減されうる時間期間の間に、回路は、キャパシタ電圧の一連の測定を行って、それらをテーブルに保存するよう設けられても良い。代替的に、テーブルは、バッテリーが変更される度に、装置１が動かされる度に、又は所定の規則的な間隔で、更新されても良い。

キャパシタの期待値を知る他の方法は、どのように電圧が時間とともに変化するかを表す式を見つけることである。キャパシタの変化率は、特定のキャパシタの仕様、実験室条件で記録された値、又はキャパシタを有する装置の通常動作中に記録された値から求められる。その場合に、キャパシタ電圧の期待値は、計算可能である。キャパシタが非常に短時間にしか充電することを認められない場合に、電圧レベルは、時間とともにほぼ線形に増大する。例えば、実験室条件が、キャパシタが特定の温度で毎秒１００．００ｍＶの充電率を有し、装置１のクロックが１００Ｈｚの周波数を有するクロック信号を有することを示す場合には、クロックの１０５回目の周期の終了時におけるキャパシタの期待される電圧は１０５．００ｍＶであることが、容易に計算可能である。キャパシタの実際の値が１０４．２０ｍＶである場合には、クロック信号の１０５回目の周期の終了は、８ミリ秒だけ早く、即ち、１０５０ｍｓではなく、１０４２ｍｓに到着したと推測可能である。

図６は、ジッターを推定するために使用され、本発明の一実施例に従う回路２０において接続されたキャパシタ１９の特定の例を示す。キャパシタは、ゲート２２を介して電流源２１へ接続されている。ゲート２２は、電界効果トランジスタであっても良い。電流源２１は、更に接地へ接続されている。キャパシタ１９の充電は、電流源２１からの電流がゲート２２を介してキャパシタ１９へ流されるように、ゲート２２へ電圧を印加することによって、正確な測定時間が必要とされる前のある時点で開始される。装置のＣＰＵ４は、ゲート２２が開放される場合と、それが閉じられる場合とを制御しても良い。アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）２３は、キャパシタ電圧をデジタルでサンプリングするために使用される。サンプルが取得される時間の間隔は、クロック１２から供給されるクロック信号によって定められる。キャパシタ１９の電圧は、クロック信号の立ち上がり又は立ち下がりの夫々で読み込まれても良い。代替的に、電圧は、クロック信号のｎ回目のエッジごとに読み込まれても良い。ＡＤＣは、更に、キャパシタ電圧の一連の値を保存するユニット（図示せず。）へ接続されている。ゲート２２が開放された時間からのカウントの正確な数が知られ、結果として、後で更に詳細に説明するように、ジッターを推定するよう実際の値と比較されうるキャパシタ２２の期待される電圧レベルが存在する。

図７は、ゲート２２が開放している短い時間期間の間のキャパシタ１９の電圧レベルを示す。キャパシタの両端の電圧２４は、時間期間が十分に小さい場合に、時間とともにほぼ線形に増大して、実質的に線形な時間依存パラメータを提供する。このパラメータは、ジッターの影響を含まない。図８は、ジッターにより影響を及ぼされない理想的なクロック１２が回路２０で使用される場合のＡＤＣ２３の出力を示す。理想的なクロック信号１６は、この例では、１００ｎｓの周期を有する。垂直な破線は、規則的な信号の周期を表す。キャパシタの電圧は、１００ナノ秒ごとに対応する、クロック信号の立ち下がりごとにＡＤＣ２３によってサンプリングされる。結果として、ＡＤＣ２３が理想クロックへ接続される場合のキャパシタの電圧レベル２５は、完全な増加ステップで増大するように見える。サンプリングされた電圧は、ルックアップテーブル１８に保存されても良い。図９は、ジッターにより影響を及ぼされるクロック信号１７がＡＤＣ２３に入力される場合のキャパシタ１９の電圧レベル２６を示す。サンプリングされた電圧の増加ステップは時間とともに変化する。ジッターが、クロック信号の周期を期待されるよりも長くする場合には、キャパシタ１９は、期待されるよりも長い、二度の読み込みの間の時間に充電しているままとされ、結果として、キャパシタ１９の両端で測定される電圧の大幅な増加がもたらされる。信号１７の周期が期待された周期よりも短い場合には、二度の読み込みの間の期間は、期待されるよりも短く、キャパシタ１９の電圧は、期待される量よりも少ない量だけ増大する。理想的なサンプリングレートで測定される、即ち、期待されるキャパシタ電圧に等しい電圧レベルは、ライン２６に重ねられた破線２５で示される。波形２５及び波形２６の比較は、１２０ｎｓでキャパシタの実際の値がキャパシタの期待値よりも高いことを示す。それは、示される第１の周期でのクロック信号の立ち下がりがジッターに起因して遅れて到着することを暗示する。これは、クロック信号１７によっても確認される。従って、ジッターは、（波形２６に対応する）キャパシタ電圧のサンプル値と、（波形２５に対応する）キャパシタ電圧の期待値との比較によって推定され、テーブル１８に保存されうる。波形２５の期待値は、理想クロック信号１６と比較して、いつ実際のクロック信号１７のクロックエッジが到着したかを推定するよう補間される。精度を向上させるために、実際の電圧と期待される電圧との間の差、即ち、二度の読み込みの間の電圧レベルは、二度の読み込みの間を推定することにより得られる。

図１０は、本発明に従うキャパシタ１９を有する回路の他の実施例を示す。この回路と図６に示された回路との相違は、キャパシタの充電がクロック信号により制御される点である。ゲート２２を開放し、一時間期間に連続的にキャパシタを充電する代わりに、キャパシタは、クロック信号の夫々の期間の半周期の間にのみ充電することを認められる。回路は、更なるゲート２７を有する。電圧は、時間測定が期待される時間期間全体にわたってゲート２７へ印加される。キャパシタは、一定間隔でリセットされても良い。電圧がゲート２７へ印加される場合に、クロック信号は、ゲート２２へ入力され、結果として、電流源２１からの電流は、クロック信号の電圧が正である場合に、即ち、半周期の間に、キャパシタ１９へ流される。ＡＤＣは、図６を参照して説明されたように、一定間隔でキャパシタの電圧をサンプリングするために使用される。ゲート２２へ入力されたクロック信号が、図１１のライン１６により示されるように、雑音により影響を及ぼされない場合には、キャパシタは、図１１のライン２４に従って充電する。電流がゲートに流される場合に、キャパシタは、ほぼ線形に充電し、ゲートが閉じられる場合には、電圧は一定のままである。ＡＤＣからの出力は、図１１においてライン２５により示される。電圧レベルは、規則的な増加ステップで増加する。しかし、ゲート２２へ印加されたクロック信号が、図１２のライン１７により示されるように、ジッターにより影響を及ぼされる場合には、キャパシタの充電は不規則となる。クロック信号が異常に長い周期を有する場合には、ゲート２２は、期待されるよりも長い時間開放され、キャパシタは、期待されるよりも充電する。他方で、ジッターが周期を異常に短くする場合には、キャパシタは、期待されるほどには充電しない。ライン２６は、クロック信号がジッターにより影響を及ぼされる場合のキャパシタのサンプリングされた電圧を示す。理想クロック信号２５に関するキャパシタのサンプリングされた電圧増加率は、破線により示される。ライン２５と２６とを比較することにより、理想クロック信号に従って充電するキャパシタの電圧レベルと、実際のクロック信号に従って充電するキャパシタの電圧レベルとの間の差は、理想的なクロック信号及び実際のクロック信号のエッジのタイミングにおける差に対応することが明らかである。従って、ジッターは、図５のデータベーステーブル１８から導出される理想的なクロック波形に対応するデータを、キャパシタ電圧をサンプリングすることにより導出される実際のクロック波形２６のデータと比較することにより、図９を参照して上述されたように、推定可能である。

図１３は、本発明に従う装置１の時間測定ユニット７の機能ブロック図である。時間測定ユニット７は、時間要求制御ユニット２８と、クロックメモリユニット２９と、クロック１２と、最終リセットメモリユニット３０と、キャパシタ回路ユニット２０と、ジッター測定ユニット３１と、補間器ユニット３２と、データベース３３と、比較器ユニット３４と、測定メモリユニット３５と、カウント補正器ユニット３６と、時間応答ユニット３７とを有する。一実施例において、キャパシタ回路ユニット２０は、図６の回路を有する。他の実施例において、キャパシタ回路ユニットは、図１０の回路を有する。本発明の一実施例に従って、時間測定が必要とされる前のある時点で、装置１のＣＰＵ４は、時間要求制御ユニット２８へ要求を送信して、時間測定に備える。時間要求制御ユニット２８は、クロックメモリユニット２９へカウンタ１４の読み込みのために要求を送信する。同時に、時間要求制御ユニット２８は、キャパシタが充電を開始するように、低ジッター回路２０のゲートへ電圧ステップを印加する。図６の実施例で、ステップ電圧は、回路のゲート２２へ印加され、電流は、電圧が印加されている限りはゲート２２に流された。図１０に示されるキャパシタ回路の実施例で、ステップ電圧は、ゲート２７へ印加される。これは、代わって、クロック信号がゲート２２を介してキャパシタへ入力されることを可能にする。クロックメモリユニット２９は、時間要求制御ユニット２８へカウンタ１４の値を送信する。カウンタ読み込みは、最終リセットメモリユニット３０に保存される。その後のある時点で、ＣＰＵ４は、時間を尋ねるために時間要求制御ユニット２８へ他の要求を送信する。時間要求制御ユニット２８は、その後、クロックメモリユニット２９へ他のメッセージを送信する。クロックメモリユニット２９は、カウンタ１４の最後の電流値を保存し、時間要求制御ユニット２８へその値を返す。時間要求制御ユニット２８は、最終リセットメモリユニット３０のカウント読み込みを新しい読み込みから引き算することにより、キャパシタの最後のリセットと、クロックの現在のカウントとの間のカウント数を計算する。

それによって計算されたキャパシタの最後のリセット以降の周期の数は、ジッター測定ユニット３１へ送られる。ジッター測定ユニット３１は、補間器ユニット３２へ要求を送信して、計算されたカウント値に基づいて、即ち、図５に示されたテーブルに対応するデータを用いて、キャパシタ電圧の期待値を求める。補間器ユニット３２は、データベース３３内のルックアップテーブルの値を参照し、その値を補間して、（理想的なクロック波形に基づいて）キャパシタ電圧の期待値を求める。キャパシタの期待値は、比較器ユニット３４へ送られる。同時に、ＡＤＣからの出力を記憶する測定メモリユニット３５は、比較器ユニット３４へサンプリングされたキャパシタ電圧の実際のデジタル値を送るようジッター測定ユニット３１により指示される。比較器ユニット３４は、キャパシタ電圧の実際の値と期待値との間の差を計算し、その差をカウント補正器ユニット３６へ送る。カウント補正器ユニット３６は、クロックメモリユニット２９から測定時間データを受信し、実際のキャパシタ電圧データと、期待されるキャパシタ電圧データとの間の差を、対応する時間誤差に変換し、ジッターに関して時間データを補正する。補正されたカウントは、時間応答ユニット３７へ送られる。時間応答ユニット３７は、そのカウントを時間単位に変換し、その時間長さをＣＰＵ４へ送る。

前出の回路は、毎秒１００Ｈｚ又は１０ＭＨｚのクロック信号について記述されていた。しかし、周波数逓倍器を使用することにより、ほぼナノ秒までイベントを計時することができるクロック信号を発生させることが可能である。更に、クロック信号における誤差は、クロック信号が理想クロック信号に先行する又はそれよりも遅れるかどうかを知ることが可能になるように、１００ｎｓごとに決定されうる。従って、多数の周期に亘る、ジッターによる平均時間差を求め、時間データが補正されることが可能である。結果として、無線ネットワーク内でのノード間の距離は、より正確に決定されうる。キャパシタ読み込みの周波数が高ければ高いほど、ジッターに起因する誤差の推定精度もますます高くなる。更に、クロック信号におけるジッターは、必ずしも、メッセージの送信又は受信の正確な時間に測定される必要はない。ジッターは、計時されるべきイベントの前又は後の多数のイベントにおいて測定されても良く、ジッターの平均近似値が計算されうる。

当業者には明らかであるように、キャパシタは、ジッターに比較的影響されない如何なる他の適切な装置によっても置換可能である。更に、本発明は、図面に示される回路及び装置に限定されない。更に、本発明は、範囲要求の時間又は範囲要求を正確に決定すること以外の目的のために使用されても良い。例えば、装置でのデジタル処理のような内部処理、装置間のクロック同期化、又はマスター・スレーブ・ネットワークにおけるスレーブ装置への時間スロットの正確な割り当ては、全て、本発明が使用されうる状況の例である。

更に、無線ネットワーク内の全ての装置が、上述されたような時間補正装置を有する必要はない。例えば、マスター・スレーブ・ネットワークでは、スレーブノードは、通常、より小さく、より安価であり、従って、外部温度、機械的な振動及びバッテリー電圧からの影響をより受けやすく、結果として、クロックにおけるジッターは増大する。更に、クロックは、より低い品質でありうる。その場合には、スレーブノードで本発明に従う時間測定ユニットを有することが優先されうる。

代替的に、時間測定ユニットの費用及び処理能力が問題である場合に、本発明に従う１つの時間測定ユニットがマスターノードに置かれても良く、スレーブノードは、マスターノードに関して繰り返し同期しても良い。

特許請求の範囲は、特徴の特定の組合せを目的として本願で明示されているが、当然のことながら、本発明の開示の範囲は、また、如何なる新規の特徴又は明白に若しくは暗に本願で開示される特徴の如何なる新規の組合せ、あるいはそれらの如何なる総括をも、それがいずれかの請求項で目下請求されているのと同じ発明に関するか否か、及びそれが本発明を実施するのと同じ問題の幾つか又は全てを軽減するか否かによらず、含む。これによって、本願は、本願若しくはそれらから導き出される如何なる更なる出願の審査の間にも、新しい特許請求の範囲がこのような特徴及び／又はこのような特徴の組合せを目的として明示されうることを告示する。

本発明が使用されうる装置の構成要素の概略図である。 無線ネットワークで通信する２つのノードの概略図である。 クロック信号におけるジッターの発生源を表す。 クロック信号へのジッターの影響を表す。 装置のメモリに保存されたデータの表を表す。 本発明の一実施例に従う、局部的なジッターに比較的影響されない長時間定常なデバイスを接続する回路を示す。 本発明の一実施例に従う、充電キャパシタの電圧レベルを表すグラフである。 理想クロック信号を用いるキャパシタのサンプル電圧値を表すグラフである。 ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号を用いるキャパシタのサンプル電圧値を表すグラフである。 本発明の第２の実施例に従う、局部的なジッターに比較的影響されない長時間定常なデバイスを接続する回路を示す。 本発明の第２の実施例に従う充電キャパシタの電圧と、理想クロック信号を用いるキャパシタのサンプル電圧とを表すグラフである。 本発明の第２の実施例に従う充電キャパシタの電圧と、ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号を用いるキャパシタのサンプル電圧とを表すグラフである。 本発明に従う時間測定ユニットの機能ブロック図である。

Claims (28)

1. ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号に基づく時間測定の精度を改善する方法であって、
   前記クロック信号における第１のイベントでの時間依存参照変数の測定値と、前記第１のイベントに関連する測定時間データでの前記変数の期待値との間の差を決定するステップと、
   前記差に依存して前記時間測定を補正するステップとを有する方法。
2. 前記時間測定は、前記第１のイベントに対応する、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記時間依存参照変数は、充電キャパシタの両端の電圧である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記第１のイベントの前のある時点で前記キャパシタの充電を開始するステップを更に有する、請求項３記載の方法。
5. 前記決定するステップは、
   前記クロック信号の立ち上がり又は立ち下がりに応答して前記充電キャパシタの両端の電圧をサンプリングするステップと、
   前記第１のイベントの終わりにサンプリングされた電圧を、前記第１のイベントの終わりにカウントされた前記クロック信号のサイクル数に対応する時点で期待される電圧と比較するステップと、
   前記サンプリングされた電圧と前記期待される電圧との間の差を、対応する時間誤差に変換するステップと
   を有し、
   前記補正するステップは、前記時間誤差に依存して前記時間測定を補正するステップを有する、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記参照変数の値を読み込むためにＡＤＣを使用するステップを更に有する、請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の方法。
7. 前記ＡＤＣへ前記クロック信号を入力するステップを有する、請求項６記載の方法。
8. 前記時間測定での誤差は、前記差に直接的に比例する、ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の方法。
9. ルックアップテーブルに保存されたデータに基づいて前記期待値を決定するステップを有する、請求項８記載の方法。
10. 前記ルックアップテーブル内のデータは、前記第１のイベントの前のある時点に記録されている、ことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記ルックアップテーブル内のデータは、実験室条件で記録されている、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記クロック信号における前記第１のイベントを含む複数のイベントでの前記時間依存参照変数の測定値と、前記複数のイベントに関連する測定時間データでの前記変数の期待値との間の差を決定するステップと、
    前記差の平均に依存して前記時間測定を補正するステップとを更に有する、請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載の方法。
13. 低出力無線ネットワークにおける２つのノードの間の距離を決定する方法であって、
    前記ノード間のフライト時間を測定するよう請求項１乃至１２のうちいずれか一項記載の方法を使用するステップを有する方法。
14. ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号に基づく時間測定の精度を改善する装置であって、
    前記クロック信号の供給源と、
    局部的なジッターに比較的影響されない基準デバイスと、
    前記クロック信号における第１のイベントでの前記デバイスに関連する時間依存参照変数の測定値と、前記第１のイベントに関連する測定時間データでの前記変数の期待値との間の差を決定するための手段と、
    前記差に依存して前記時間測定を補正するための手段とを有する装置。
15. 前記基準デバイスはキャパシタであり、前記時間依存参照変数は、前記キャパシタが充電している間の、前記キャパシタの両端の電圧である、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記キャパシタの充電は、前記第１のイベントの前のある時点で開始され、
    前記決定するための手段は、
    前記クロック信号の立ち上がり又は立ち下がりに応答して前記充電キャパシタの両端の電圧をサンプリングし、
    前記第１のイベントの終わりにサンプリングされた電圧を、前記第１のイベントの終わりにカウントされた前記クロック信号のサイクル数に対応する時点で期待される電圧と比較し、
    前記サンプリングされた電圧と前記期待される電圧との間の差を、対応する時間誤差に変換する
    よう動作し、
    前記補正するための手段は、前記時間誤差に依存して前記時間測定を補正するよう動作する、ことを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 前記キャパシタへ接続される安定電流源を更に有する、請求項１５又は１６記載の装置。
18. 前記キャパシタをリセットするための手段を更に有する、請求項１５乃至１７のうちいずれか一項記載の装置。
19. 最後のリセット以降の前記クロック信号の周期数を保存するためのメモリを更に有する、請求項１４乃至１８のうちいずれか一項記載の装置。
20. 前記時間依存参照変数の値を読み込むための手段を更に有する、請求項１４乃至１９のうちいずれか一項記載の装置。
21. 前記値を読み込むための手段は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を有し、前記クロック信号は、前記ＡＤＣの入力の１つに入力される、ことを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 前記参照変数の前記期待値を決定するための手段を更に有する、請求項１４乃至２１のうちいずれか一項記載の装置。
23. 前記参照変数の前記期待値に関するデータを保存するためのメモリを更に有する、請求項１４乃至２２のうちいずれか一項記載の装置。
24. 前記データは、前記基準デバイスの作動が開始された後の様々な数のクロック周期で前記前記基準デバイスに関連する前記時間依存参照変数の期待値を有するルックアップテーブルの形式である、ことを特徴とする請求項２３記載の装置。
25. 前記データは、前記参照変数と時間との間の関係を反映する方程式の形式である、ことを特徴とする請求項２３記載の装置。
26. 請求項１４乃至２５のうちいずれか一項記載の装置を有する、無線ネットワークで動作するよう構成された短距離送受信機。
27. ジッターにより影響を及ぼされたクロック信号に基づく時間測定の精度を改善する装置とともに使用されるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
    前記クロック信号における第１のイベントでの時間依存参照変数の測定値と、前記第１のイベントに関連する測定時間データでの前記変数の期待値との間の差を決定する命令と、
    前記差に依存して前記時間測定を補正する命令とを有する、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
28. 前記第１のイベントの前のある時点でキャパシタの充電を開始する命令を更に有し、
    前記決定する命令は、
    前記クロック信号の立ち上がり又は立ち下がりに応答して前記キャパシタの両端の電圧をサンプリングする命令と、
    前記第１のイベントの終わりにサンプリングされた電圧を、前記第１のイベントの終わりにカウントされた前記クロック信号のサイクル数に対応する時点で期待される電圧と比較する命令と、
    前記サンプリングされた電圧と前記期待される電圧との間の差を、対応する時間誤差に変換する命令と
    を有し、
    前記補正する命令は、前記時間誤差に依存して前記時間測定を補正する命令を有する、ことを特徴とする請求項２７記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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