JP2015152308A

JP2015152308A - 同期信号供給方法及び同期信号供給システム

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Publication number: JP2015152308A
Application number: JP2014023371A
Authority: JP
Inventors: 茂夫杉谷; Shigeo Sugitani; 雨谷　純; Jun Ametani; 純雨谷
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【課題】１ナノ秒程度、またはそれ以上の時刻精度を得ることができるように、同期信号を所定の装置に供給する。【解決手段】親装置１の送信部１２が第１の時刻信号を第１周波数に変換する第１過程と変調部１３が所定の疑似雑音符号を第２の時刻信号で変調して変調信号を生成する第２過程と、送信部１２が変調信号を第２周波数に変換し、第１周波数に変換された第１の時刻信号とともに、同期信号として送信する第３過程と、子装置２の受信部２２が同期信号を受信し、該同期信号の周波数変換を行って第１の時刻信号を再現する第４過程と、復調部２３が、所定信号と第４過程で周波数変換された同期信号に含まれている変調信号との相互相関処理によって群遅延を求める第５過程と、復調部２３が相互相関処理において相関値がピークになる変調信号を復調して第２の時刻信号を再現する第６過程とを有する。【選択図】図１

Description

この発明は、時刻同期を必要とするシステム等において、離間した複数の装置間で相互同期を図る同期信号供給方法及び同期信号供給システムに関するものである。

例えば、複数の装置によって構成されたシステムにおいて、各装置の時刻同期を行う必要がある場合、各装置間を有線接続しているときには同軸ケーブル等を用いて同期信号を当該装置に供給している。
また、各装置間を非有線方式によって接続したときにはＧＰＳ（Global Positioning System）やＪＪＹ（商標登録番号第４３５５７４９号：標準周波数局）からの信号を各装置が受信して時刻同期を図るようにしている。

同軸ケーブル等を使用して有線接続を行った場合には、各装置の配置が上記の同軸ケーブル（接続ケーブル）の施設などによって制限されてしまうため、装置の設置において物理的自由度が低くなる。特に、無線通信システム等を構成する各装置をケーブル接続した場合には、無線通信システムが本来備えている高い自由度が損なわれ、システムの利便性が著しく低下する。
そのため、複数の装置によって構成されたシステムでは、非有線方式の時刻同期が広く用いられている。

また、疑似雑音符号を用いて遠隔配置された２つの時計の時刻差を精密に測定する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
この方法は、例えば遠隔地に配置された２つの局の時計について時刻合わせを行うとき、時刻を表す信号で疑似雑音符号を変調して送信信号を生成し、この送信信号を各局間で相互に送受信する。次に、それぞれの局において受信信号の群遅延測定を行って到達時刻を計測する。この到達時刻は、自局の時計を基準として計測していることから、２つの局の到達時刻の差を求めると、それぞれの局の時計を同期させることができる。

"複疑似雑音方式衛星双方向時刻比較装置の開発"，雨谷純，後藤忠広，情報通信研究機構季報Vol.56，Nos.3/4，2010年

従来の時刻同期は以上のように行われており、各装置を有線接続したシステム構成では装置の配置などに関して自由度が低くなる。各装置を非有線方式で接続したシステム構成では、ＧＰＳデータを用いると時刻精度が数十ナノ秒から１００ナノ秒程度になり、ＪＪＹからの時刻信号を用いると１００ミリ秒程度の時刻精度となるため、数ナノ秒の時刻精度が必要になるシステムにおいては使用することが難しいという問題点があった。また、ＧＰＳデータあるいはＪＪＹ等を用いる場合には、遠距離に在る人工衛星や送信所等からの信号を安定して受信することができる環境等を要するという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、１ナノ秒程度、またはそれ以上の時刻精度を得ることができるように同期信号を所定の装置に供給する同期信号供給方法及び同期信号供給システムを提供することを目的とする。

この発明に係る同期信号供給方法は、親装置の時刻に子装置の時刻を同期させる同期信号供給方法であって、前記親装置の送信部が第１の時刻信号を第１周波数に変換する第１過程と前記親装置の変調部が所定の疑似雑音符号を第２の時刻信号で変調して変調信号を生成する第２過程と、前記親装置の送信部が前記変調信号を第２周波数に変換し、前記第１周波数に変換された第１の時刻信号とともに、同期信号として送信する第３過程と、前記子装置の受信部が前記同期信号を受信し、該同期信号の周波数変換を行って前記第１の時刻信号を再現する第４過程と、前記子装置の復調部が、所定信号と前記第４過程で周波数変換された同期信号に含まれている変調信号との相互相関処理によって群遅延を求める第５過程と、前記復調部が前記相互相関処理において相関値がピークになる変調信号を復調して前記第２の時刻信号を再現する第６過程と、を有することを特徴とする。

また、前記第１の時刻信号は１０ＭＨｚ信号であり、前記第２の時刻信号は１ＰＰＳ信号であることを特徴とする。

また、前記第２過程は、前記子装置の復調部によって前記同期信号を復調するとき所定の群遅延決定精度となる分離周波数間隔で、前記親装置の送信部が前記第１の時刻信号と前記第２の時刻信号とを離間した同期信号を生成することを特徴とする。

また、前記第５過程は、前記子装置の復調部が前記所定信号として前記変調信号のレプリカ信号を生成する第７過程を含むことを特徴とする。

この発明に係る同期信号供給システムは、親装置の時刻に子装置の時刻を同期させる同期信号供給システムであって、前記親装置は、第１の時刻信号を第１周波数に変換する送信部と、所定の疑似雑音符号を第２の時刻信号で変調して変調信号を生成する変調部と、を備え、前記送信部が前記変調信号を第２周波数に変換し、前記第１周波数に変換された第１の時刻信号とともに、同期信号として送信し、前記子装置は、前記同期信号を受信し、該同期信号の周波数変換を行って前記第１の時刻信号を再現する受信部と、所定信号と前記周波数変換された同期信号に含まれている変調信号との相互相関処理によって群遅延を求める復調部と、を備え、前記復調部が前記相互相関処理において相関値がピークになる変調信号を復調して前記第２の時刻信号を再現することを特徴とする。

また、前記親装置の送信部は、前記子装置の復調部によって前記同期信号を復調するとき所定の群遅延決定精度となる分離周波数間隔で、前記第１の時刻信号と前記第２の時刻信号とを離間した同期信号を生成することを特徴とする。

この発明によれば、非有線方式で接続構成された複数の装置の時刻同期を高精度で行うことができる。

本発明の同期信号供給方法を用いる親装置および子装置の概略構成を示す説明図である。図１の子装置において求めた同期信号のクロススペクトルを示す説明図である。

以下、この発明の実施の一形態を図に基づいて説明する。
（実施例）
図１は、本発明の同期信号供給方法を用いる親装置および子装置の概略構成を示す説明図である。この図は、親装置１と子装置２の各構成のうち、時計の同期を図る際に用いる部分のみを抽出して示したものである。なお、図中、１台の子装置２を示しているが、１台の親装置１に対して複数台の子装置２が接続するシステム構成とすることも可能である。
図示した親装置１は、同期用アンテナ１１、送信部１２、変調部１３、無変調同期信号源１４を少なくとも備えている。子装置２は、同期用アンテナ２１、受信部２２、復調部２３、１０ＭＨｚ信号源２４を少なくとも備えている。

親装置１の送信部１２は、子装置２へ送信する同期信号を生成し、同期用アンテナ１１を介して子装置２へ送信するように構成されている。この送信部１２は、変調器１３から出力された変調信号Ｂ、無変調同期信号源１４から出力された無変調同期信号Ａを入力し、それぞれ所定のチャンネル周波数に変換（アップコンバート）する第１の周波数変換手段（図示省略）を備えている。
変調部１３は、所定の周期パターンを有する、例えばＭ系列の疑似雑音符号を記憶している記憶手段（図示省略）を備えている。
また、変調部１３は、外部入力によって１秒毎に有意の１パルスを有する１ＰＰＳ信号を取得する、あるいは自身に備えたパルス信号生成手段（図示省略）によって１ＰＰＳ信号を生成するように構成されている。また、上記の疑似雑音符号を搬送波として、１ＰＰＳ信号で変調するように構成されている。
無変調同期信号源１４は、外部入力の、あるいは自身に備えた発振手段（図示省略）を用いて生成した一定周波数の、例えば１０［ＭＨｚ］の正弦波信号を前述の無変調同期信号Ａとして出力するように構成されている。

子装置２の受信部２２は、同期用アンテナ２１を介して受信した同期信号を例えば所定の各チャンネル周波数に変換（ダウンコンバート）する第２の周波数変換手段（図示省略）を備え、それぞれのチャンネル周波数に変換された無変調同期信号Ａと変調信号Ｂとを出力するように構成されている。
復調部２３は、変調部１３が用いた疑似雑音符号を復調するように構成されている。詳しくは、受信部２２から変調信号Ｂを入力して、これと所定の信号との相関検出を行うように構成されている。
１０ＭＨｚ信号源２４は、例えば正弦波１０［ＭＨｚ］の信号を出力するもので、前述の無変調同期信号源１４と同様に、外部入力の、あるいは自身に備えた発振手段（図示省略）を用いて一定周波数の、例えば周波数が１０［ＭＨｚ］のクロック信号Ｃ２を生成するように構成されており、また、受信部２２から無変調同期信号Ａを入力し、無変調同期信号Ａとクロック信号Ｃ２の位相遅延を計測するように構成されている。

次に動作について説明する。
親装置１の無変調同期信号源１４は、時刻合わせに要求される精度を有する１０［ＭＨｚ］のクロック信号Ｃ１を生成あるいは外部から入力し、このクロック信号Ｃ１を無変調同期信号Ａとして送信部１２へ出力する。
変調部１３は、例えば無変調同期信号源１４から１０［ＭＨｚ］のクロック信号Ｃ１を取得し、当該変調部１３のパルス信号生成手段が、クロック信号Ｃ１に同期して１秒に１パルスを有する１ＰＰＳ信号を生成する。あるいは、同様な１ＰＰＳ信号を外部から変調部１３へ入力する。

変調部１３は、Ｍ系列の周期パターンで変遷する疑似雑音符号を１ＰＰＳ信号で変調して変調信号Ｂを生成し、これを送信部１２へ出力する。即ち、疑似雑音符号（疑似雑音信号）を搬送波として用いる。
なお、１ＰＰＳ信号を外部から取得した場合には、クロック信号Ｃ１との同期を図って上記の変調を行い、パルス信号生成手段によって１ＰＰＳ信号を生成した場合と同様な変調信号Ｂを生成する。

親装置１から出力される同期信号は、前述のように無変調同期信号Ａと変調信号Ｂからなり、送信部１２は、上記の同期信号を例えば１２００［ＭＨｚ］の周波数領域において送信する。
具体的には、送信部１２（図示を省略した第１の周波数変換手段）が、無変調同期信号源１４から入力した無変調同期信号Ａを、例えば特定小電力無線局制度において規定されている上記周波数領域の第２チャネルの第１周波数へ変換する。また、変調部１４から入力した変調信号Ｂを、第２チャネルの第２周波数へ変換して、これらを同期信号として同期用アンテナ１１から送信する。
また、送信部１２は、ここで例示したように１２００［ＭＨｚ］の周波数領域を用いて送信を行う場合には、無変調同期信号Ａと変調信号Ｂの離間周波数ｆｓが３６［ＭＨｚ］となるように（例えば前述の特定小電力無線局制度の規定内において）周波数変換を行う。

また、変調信号Ｂは、前述のようにアップコンバートするとき、１２００［ＭＨｚ］の周波数領域で３２［ｋＨｚ］の帯域幅Ｂｗを有するように変換処理される。
換言すると、時刻同期に１２００［ＭＨｚ］領域のデータチャネルを用いるとき、また、時刻同期通信に用いる占有周波数帯域幅が３２［ｋＨｚ］以下である場合には、１つのデータチャネルに含まれる２つの周波数は３６［ＭＨｚ］離間される。なお、このようにアップコンバートされた無変調同期信号Ａと変調信号Ｂは、コヒーレントな関係を有している。

図２は、図１の子装置において求めた同期信号のクロススペクトルを示す説明図である。この図は、親装置１から子装置２へ送信される同期信号を示したもので、図中、上段の縦軸はクロススペクトルの強度（振幅）、横軸はクロススペクトルを求めた同期信号の周波数である。下段の縦軸はクロススペクトルの位相、横軸はクロススペクトルを求めた同期信号の周波数である。
また、図中、上段に示したクロススペクトル強度−周波数特性において左側に示したピーク波形は無変調同期信号Ａのクロススペクトルであり、右側に示したピーク波形は変調信号Ｂのクロススペクトルである。

子装置２の受信部２２は、同期信号を受信すると当該同期信号のダウンコンバートを行う。詳しくは、前述の第１周波数からダウンコンバートした無変調同期信号Ａを無変調同期信号源２４へ出力し、第２周波数からダウンコンバートした変調信号Ｂを復調部２３へ出力する。
復調部２３は、入力した変調信号Ｂの群遅延を計測するため、例えば無変調同期信号源２４から取得したクロック信号Ｃ２を用いて、変調信号Ｂと同様なレプリカ信号を生成する。ここで、復調部２３は、親装置１の変調部１３が用いた疑似雑音符号を予め記憶しており、これを用いて上記のレプリカ信号を生成する。

復調部２３は、上記のレプリカ信号と変調信号Ｂとの相互相関を求めて群遅延を算出する。群遅延は、変調信号Ｂとレプリカ信号との相互相関を求めたとき、相互相関関数が極大値となる場合の遅延時間として求めることができる。
変調信号Ｂの群遅延は、変調信号Ｂとレプリカ信号のクロススペクトルの位相傾きとなることから、図２の下段に示したクロススペクトル位相−周波数特性においては、当該特性線の傾斜によって表される。即ち、群遅延は、上記の傾斜を計測することによって求められることから、この傾斜を計測するとき、変調信号Ｂの帯域幅が広い程、群遅延決定精度が向上することがわかる。なお、この実施例においては、同期信号の送受信に特定小電力無線局制度の１２００［ＭＨｚ］周波数領域を使用していることから、変調信号Ｂの帯域幅を当該制度に規定された最大帯域幅３２［ｋＨｚ］としている。
群遅延決定精度σは、無変調同期信号Ａの位相が変調信号Ｂより高精度に決定できる場合、次の式（１）を満たす。

ここで、Ｆは分離周波数間隔（離間周波数ｆｓ／２）、Ｔは積分時間、Ｃ／Ｎ₀は搬送波対雑音比である。
例えばＦ＝１６［ＭＨｚ］、Ｔ＝１［ｓ］、Ｃ／Ｎ₀＝６５.１［ｄＢＨｚ］としたとき、群遅延決定精度σ＜２．７×１０^-12［ｓ］となり、１ナノ秒程度の時刻精度が要求される場合であっても十分な精度で時刻同期を行うことができる。
疑似雑音符号を用いるとき、デジタル処理によって相互相関を計測する際のチップレートＲは、次の式（２）を満たす必要がある。

１２００［ＭＨｚ］周波数領域を用いて同期信号を送受するとき、親装置１から帯域幅が３２［ｋＨｚ］の第２周波数によって変調信号Ｂを送信し、受信側の子装置２においてＣ／Ｎ₀＝６５.１［ｄＢＨｚ］で受信して得られる変調信号Ｂの相互相関を積分時間１秒で計測する場合には、チップレートＲは式（２）を満たすように、１１．９［ｋｃｐｓ］よりも大きな値に設定する。
チップレートＲの相互相関処理における群遅延決定精度σ₁は、式（３）のようになり、チップレートＲもしくは分離周波数間隔Ｆと依存関係を有する。
復調部２３は、上記のようにして相互相関処理を行い、この処理において相関値がピークとなる変調信号Ｂを復調して１ＰＰＳ信号を再現し、これを後述する１０［ＭＨｚ］信号とともに子装置２の所定各部へ出力する。

子装置２が受信した同期信号は、前述のように受信部２２においてダウンコンバートされる。上記の同期信号に含まれる第１周波数の無変調同期信号Ａは、当該ダウンコンバート（分周処理等）を行うことにより、親装置１において生成された１０［ＭＨｚ］の信号に再現される。この１０［ＭＨｚ］信号を、無変調同期信号源２４を介して子装置２の各部へ出力する。
ここで、無変調同期信号源２４は、前述のように１０［ＭＨｚ］のクロック信号Ｃ２を生成している。そこで上記の再現した１０［ＭＨｚ］信号とクロック信号Ｃ２について位相遅延を計測し、当該計測した位相遅延を用いて子装置２のクロック信号Ｃ２を親装置１からの無変調同期信号Ａ（再現した１０［ＭＨｚ］信号）と同期させる。
このようにして、子装置２の無変調同期信号源２４は、親装置１の無変調同期信号Ａと同期している１０［ＭＨｚ］信号を、前述のように復調した１ＰＰＳ信号とともに子装置２の所定各部へ出力する。

なお、この実施例では、１２００［ＭＨｚ］周波数領域を使用しているが、本発明は、例えば６０［ＧＨｚ］周波数領域など、他の周波数領域を用いて実施することも可能である。
また、図１に示した親装置１と子装置２は各々１台であるが、本発明の同期信号供給方法を用いるとき、親装置１から複数の子装置２へ同期信号を送信し、各子装置２において時刻同期を行うことも可能である。

以上のように、この実施例によれば、１周期が１ナノ秒程度となる１２００［ＭＨｚ］の周波数領域を用いて、１ナノ秒程度の時刻精度を有する同期信号を親装置１から子装置２へ供給することができる。
また、１２００［ＭＨｚ］周波数領域を同期信号の送受に用いることにより、装置構成に係るコストを抑制して高い精度の時刻同期を行うことができる。

１親装置
２子装置
１１，２１同期用アンテナ
１２送信部
１３変調部
１４，２４無変調同期信号源
２２受信部
２３復調部

Claims

親装置の時刻に子装置の時刻を同期させる同期信号供給方法であって、
前記親装置の送信部が第１の時刻信号を第１周波数に変換する第１過程と
前記親装置の変調部が所定の疑似雑音符号を第２の時刻信号で変調して変調信号を生成する第２過程と、
前記親装置の送信部が前記変調信号を第２周波数に変換し、前記第１周波数に変換された第１の時刻信号とともに、同期信号として送信する第３過程と、
前記子装置の受信部が前記同期信号を受信し、該同期信号の周波数変換を行って前記第１の時刻信号を再現する第４過程と、
前記子装置の復調部が、所定信号と前記第４過程で周波数変換された同期信号に含まれている変調信号との相互相関処理によって群遅延を求める第５過程と、
前記復調部が前記相互相関処理において相関値がピークになる変調信号を復調して前記第２の時刻信号を再現する第６過程と、
を有する、
ことを特徴とする同期信号供給方法。
前記第１の時刻信号は１０ＭＨｚ信号であり、前記第２の時刻信号は１ＰＰＳ信号である、
ことを特徴とする請求項１に記載の同期信号供給方法。
前記第２過程は、前記子装置の復調部によって前記同期信号を復調するとき所定の群遅延決定精度となる分離周波数間隔で、前記親装置の送信部が前記第１の時刻信号と前記第２の時刻信号とを離間した同期信号を生成する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の同期信号供給方法。
前記第５過程は、前記子装置の復調部が前記所定信号として前記変調信号のレプリカ信号を生成する第７過程を含む、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の同期信号供給方法。
親装置の時刻に子装置の時刻を同期させる同期信号供給システムであって、
前記親装置は、
第１の時刻信号を第１周波数に変換する送信部と、
所定の疑似雑音符号を第２の時刻信号で変調して変調信号を生成する変調部と、
を備え、
前記送信部が前記変調信号を第２周波数に変換し、前記第１周波数に変換された第１の時刻信号とともに、同期信号として送信し、
前記子装置は、
前記同期信号を受信し、該同期信号の周波数変換を行って前記第１の時刻信号を再現する受信部と、
所定信号と前記周波数変換された同期信号に含まれている変調信号との相互相関処理によって群遅延を求める復調部と、
を備え、
前記復調部が前記相互相関処理において相関値がピークになる変調信号を復調して前記第２の時刻信号を再現する、
ことを特徴とする同期信号供給システム。
前記親装置の送信部は、前記子装置の復調部によって前記同期信号を復調するとき所定の群遅延決定精度となる分離周波数間隔で、前記第１の時刻信号と前記第２の時刻信号とを離間した同期信号を生成する、
ことを特徴とする請求項５に記載の同期信号供給システム。