JP4961973B2

JP4961973B2 - 発振器の周波数補正システム及びその方法並びに周波数補正データ生成システム及びその方法

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Publication number: JP4961973B2
Application number: JP2006320986A
Authority: JP
Inventors: 政夫村井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: JP2008136004A

Description

本発明は発振器の周波数補正システム及びその方法並びに周波数補正データ生成システム及びその方法に関し、特に外部から基準周波数を得られない通信装置における発振器の周波数補正方式を提供することである。

高精度の発振周波数を必要とする通信装置において、特に無人で長期にわたり連続運転する通信装置で、かつ外部から基準周波数を得られない通信装置は、発振周波数の経年変化が問題になる。外部から基準周波数信号を得られる通信装置の場合には、特許文献１に開示されているように、外部からの基準周波数信号を受信して、この基準周波数と内部発振器の発振周波数とを比較して、その誤差に基いて当該内部発振器を制御することにより、自動周波数制御動作をなすことが可能である。

しかしながら、外部から基準周波数信号を得られない通信装置においては、特に、水晶を利用した高精度の発振器では、水晶発振器の構造、例えば、水晶結晶のカット方法、支持方法などによって、数年の長期にわたる経年変化特性に特有の傾向が現れる。この場合、予め経年変化の特性が分かっていれば、通信装置の製造時に経年変化の偏差をオフセット値として設定することができるが、新規に開発された水晶発振器を使用する場合は水晶発振器の経年変化を調査するために、数年の時間がかかり、１年程度の通信装置の開発期間内では水晶発振器の経年変化の特性データが得られない。そのために、水晶発振器の経年変化に未確定部分が存在することになり、通信装置として必要とする経年変化の偏差を保証できないことがある。

ここで、特許文献２を参照すると、通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を算出する機能と、この算出された経年変化を補正する機能とを、予め通信装置の内部に組み込んでおく技術が開示されている。

特開平１０−０６５４４７号公報特開２００４−２８２１１８号公報

電圧制御型の水晶発振器が用いられる通信装置においては、通信装置が出荷されてから、自走で５年間は周波数保証する必要があるが、電圧制御型水晶発振器の経年変化の傾向を調査するのに５年以上かかるために、通信装置の開発期間内では調査できず、よって、５年後の経年変化による偏差値は予想値となり、誤差が大きくなってしまう。

そこで、特許文献２に開示の技術のように、通信装置の内部に、発振器の発振周波数の経年変化を算出する機能と、この算出された経年変化を補正する機能とを、予め組み込んでおけば良いが、装置の小型化や低コスト化が要求される昨今においては、通信装置内部にこのような機能を組み込むことは極めて困難である。そこで、経年変化の偏差値を要求値に入れるためには、水晶発振器ではない、例えば、ルビジュウム発振器など、高価な発振器を用いることが必要となるが、これまた通信装置のコストアップの要因となる。

本発明の目的は、外部から基準周波数を得ることができない場合でも、ローコストで経年変化を含めた周波数偏差の保証値を満足できるようにした発振器の周波数補正システム及びその方法並びに周波数補正データ生成システム及びその方法を提供することである。

本発明による周波数補正システムは、第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正システムであって、前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置と、前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定してこの測定データに基いて周波数補正値を決定する手段と、前記周波数補正値を前記第一通信装置へ送信する手段とを含み、前記第一通信装置において、前記周波数補正値を受信してこの受信した周波数補正値に基いて前記発振器の補正をなすことを特徴とする。

本発明による周波数補正方法は、第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正方法であって、前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置を準備し、前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定するステップと、この測定データに基いて周波数補正値を決定するステップと、前記周波数補正値を前記第一通信装置へ送信するステップと、前記第一通信装置において、前記周波数補正値を受信してこの受信した周波数補正値に基いて前記発振器の補正をなすステップとを含むことを特徴とする。

本発明による周波数補正データ生成システムは、第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正データ生成システムであって、前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置と、前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定してこの測定データに基いて周波数補正値を決定する手段と、前記周波数補正値を、前記第一通信装置の前記発振器の周波数補正値として、前記第一通信装置へ送信する手段とを含むことを特徴とする。

本発明による周波数補正データ生成方法は、第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正データ生成方法であって、前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置を準備し、前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定するステップと、この測定データに基いて周波数補正値を決定するステップと、前記周波数補正値を、前記第一通信装置の前記発振器の周波数補正値として、前記第一通信装置へ送信するステップとを含むことを特徴とする。

本発明によるプログラムは、第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正データ生成方法をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定する処理と、この測定データに基いて周波数補正値を決定する処理と、前記周波数補正値を、前記第一通信装置の前記発振器の周波数補正値として、前記第一通信装置へ送信する処理とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、以下に記載するような効果を奏する。第１の効果は、遠隔操作により、通信装置内の発振器の周波数補正を行うことによって、無人の通信装置の周波数補正ができるので、通信装置に人が出向くことなく、経年変化を小さくすることができ、長期に渡って通信装置の周波数安定度が期待できることである。

また、第２の効果は、通信装置にもともと備えられている通信機能を使用するので、通信装置には新たな設備を必要とせず、通信装置の出荷台数が多い場合でも、擬似通信装置は１台または数台でよいので、全体として通信装置に高価な発振器を持たせるよりも、擬似通信装置を持ったほうがコストが少なくてすむことである。

以下に図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態としての通信装置１００と遠隔制御装置２００とが示されている。通信装置１００は、電圧制御型水晶発振器１０１と、この電圧制御型水晶発振器１０１の電圧制御端子に接続されたＤ／Ａコンバータ１０２と、このＤ／Ａコンバータ１０２のデジタル端子に接続されたＣＰＵ１０３と、このＣＰＵ１０３に接続されたＲＯＭ１０５と、ＣＰＵ１０３に接続された通信回路１０４とを含んで構成されている。

この通信装置１００は通信回線により遠隔制御装置２００と接続されており、この遠隔制御装置２００から、遠隔操作にて、通信回線を通して、通信装置１００のＣＰＵ１０３に電圧制御型水晶発振器１０１の周波数補正データを送り、ＣＰＵ１０３はこの周波数補正データをＲＯＭ１０５に格納すると共に、Ｄ／Ａコンバータ１０２を通して、この周波数補正データを電圧制御型水晶発振器１０１の制御電圧として与えることにより、周波数補正を行うようになっている。

この周波数補正データは、通信装置１００と同等の回路構成及び部品を用いた、図２に示す擬似通信装置３００を工場に設置し、通信装置１００と並行して長期間稼動させ、擬似通信装置３００内蔵の電圧制御型水晶発振器３０１の周波数の経年変化のデータから割り出したものである。

電圧制御型水晶発振器１０１は、通信装置１００の基準周波数を決めるためのものであり、通信装置１００に無線回路がある場合には、無線周波数の基準としても使用される。電圧制御型水晶発振器１０１は周波数制御用の端子を持っており、この端子に印加する電圧によって、周波数を微調整することができる。

この電圧と周波数偏差の関係は予め分かっており、この電圧はＤ／Ａコンバータ１０２にて制御される。Ｄ／Ａコンバータ１０２はデジタル信号をアナログ信号、ここでは電圧値に変換するものである。Ｄ／Ａコンバータ１０２のデジタル端子はＣＰＵ１０３に接続されており、ＣＰＵ１０３からの指示でデジタル値を設定し、電圧制御型水晶発振器１０１の周波数を調整することができる。ＣＰＵ１０３にはＲＯＭ１０５が接続されており、電圧制御型水晶発振器１０１の周波数補正値を記憶させることができる。

ＣＰＵ１０３には、通信回路１０４が接続されており、例えば、通信回路１０４はイーサーネット（登録商標）通信回路であって、外部のインターネット網と接続される。遠隔制御装置２００は通信装置１００を遠隔から制御するものであり、例えば、インターネット網を通して制御を行う。

図２は、図１に示した通信装置１００の電圧制御型発振器１０１に対する周波数補正を行うための擬似通信装置３００を含む、工場に設置された周波数補正データ作成のための機能ブロック図である。図２を参照すると、擬似通信装置３００は、図１の通信装置１００と同等の回路構成、部品構成（電圧制御型水晶発振器３０１、Ｄ／Ａコンバータ３０２、ＣＰＵ３０３、ＲＯＭ３０５）を有する装置である。特に、電圧制御型水晶発振器３０１は図１の電圧制御型水晶発振器１０１と同一ロットで製造したものとし、擬似通信装置３００は工場内に設置され、図１の通信装置１００と並行して同等の期間稼動させる。

電圧制御型水晶発振器３０１には、この発振器３０１の発振周波数を測定する周波数カウンタ５００が接続され、この周波数カウンタ５００は精度を保つために基準周波数４００に接続されている。この基準周波数４００は、例えば、ＧＰＳを利用した高精度の周波数であるものとする。

周波数カウンタ５００には、周波数偏差データ取得部７００が接続されており、この周波数偏差データ取得部７００は電圧制御型水晶発振器３０１の周波数偏差を取得するものである。そして、この周波数偏差は経年変化傾向判断部８００へ入力されて電圧制御型水晶発振器３０１の経年変化傾向が判断されることになる。この判断結果は、周波数補正値決定部９００へ供給されて、この判断結果に基いて電圧制御型水晶発振器３０１の周波数補正値が決定され、遠隔制御装置２００から通信回線を介して、図１の通信装置１００へ送信されることになる。

図３は図２の電圧制御型水晶発振器３０１の経年変化の特性例を示している。横軸は時間を対数表示としたもので、縦軸は周波数偏差をｐｐｂ（１０のマイナス９乗）で示している。図４は図１の電圧制御型水晶発振器１０１の特性例を示したものであり、１０００日目で遠隔制御装置２００から＋２０ｐｐｂの補正を行っている様子を示している。

図５は電圧制御型水晶発振器をＤ／Ａコンバータで制御した場合において、Ｄ／Ａコンバータのデジタル設定値と周波数偏差の関係を示す例である。図６は通信装置１００及び電圧制御型水晶発振器１０１の設計から製造、そして評価をして出荷するまでを、また出荷後の通信装置１００及び擬似通信装置３００の稼動状況を、時間経過と共に示した例である。ここでは、通信装置１００の出荷後、約３年目で通信装置１００の周波数調整を行った例を示している。

次に、図２の電圧制御型水晶発振器３０１の特性を図３に示すグラフを使用して説明する。高精度の電圧制御型水晶発振器３０１の長期に渡る経年変化を正確に見るために、電源投入後、１０日たってから周波数調整を行い、１０日目の周波数偏差を０ｐｐｂとし、その後の経年変化を示している。電圧制御型水晶発振器３０１は固体のバラツキがあるので、複数のサンプルで同時に経年変化を測定し、統計的に経年変化の傾向（平均値）を調べる。図３の例では、４個のサンプル＃１〜＃４の経年変化の傾向を示している。この例では、５年後の経年変化として、３０ｐｐｂ以内が要求されている場合を示している。

図３において、電源投入後１０日目から１０００日目までの周波数偏差の測定をしたところ、４００日目付近において、周波数偏差が下降する傾向が現れ、下降の傾きから、５年後には、偏差が−３０ｐｐｂを超えることが予想できる。また、１０００日目で＋２０ｐｐｂの補正をすれば、５年後において、−３０ｐｐｂの規格を超えないことが予想できるので、１０００日目において、＋２０ｐｐｂの補正が必要と判断している。この判断により、図１の通信装置１００が稼動してから１０００日目に遠隔制御装置２００からの遠隔制御によって、電圧制御型水晶発振器１０１の周波数を、相対的に＋２０ｐｐｂだけ補正する。

図４は図１の通信装置１００の電圧制御型水晶発振器１０１の経年変化の様子を示したもので、１０００日目において、＋２０ｐｐｂの周波数補正が行われている。補正しない場合は、５年後に−３０ｐｐｂの規格値を超えることが予想されるのが、補正を行うことによって５年後において規格値に入ることが予想される。

図５は電圧制御型水晶発振器にＤ／Ａコンバータを接続して電圧制御型水晶発振器の周波数調整をしたときの設定値と周波数偏差との関係を示した例である。Ｄ／Ａコンバータのデジタル端子は１６ビットであり、１６進数で００００からＦＦＦＦまでの値を取ることができるが、有効な設定は３０００からＦ０００である。００００からＦＦＦＦの中間点の８０００付近で周波数偏差が０ｐｐｂとなり、０ｐｐｂを中心に±２００ｐｐｂの調整が可能である。１６進数の１単位での周波数変化は０．００８ｐｐｂなので、周波数調整としては充分な精度を持っている。

図６は通信装置１００の設計製造から出荷及び出荷後の５年間の稼動状況を時間の経過と共に示した例であり、図７のフローチャートと共に説明する。通信装置１００の設計製造と並行して電圧制御型水晶発振器１０１の設計製造を行い、電圧制御型水晶発振器１０１を通信装置１００に組み込んで全体の評価をして通信装置１００を出荷する。ここまでに約１年かかる。

通信装置１００の出荷と同時に擬似通信装置３００の稼動を開始し（ステップＳ１）、擬似通信装置３００の電圧制御型水晶発振器３０１の周波数偏差のデータ取得を開始する（ステップＳ２）。通信装置１００の稼動から約３年たった頃に、擬似通信装置３００で得た周波数偏差データを解析し、経年変化の傾向を割り出して（ステップＳ３）、通信装置１００の周波数補正値を決定し（ステップＳ４）、遠隔制御２００にて通信装置１００の電圧制御型発振器１０１の周波数補正を行うのである（ステップＳ５）。

周波数補正を行った以降も、擬似通信装置３００での周波数測定は続け、経年変化の特性に変化がないかの観測をする。もし、経年変化の特性に変化が現れた場合には、再度遠隔制御によって通信装置１００の電圧制御型発振器１０１の周波数補正を行うこともある。

本発明の他の実施の形態として、その基本的構成は上記の通りであるが、擬似通信装置３００について更に工夫している。その構成を図８に示す。図８において、電圧制御型発振器を４台（３０１−１〜３０１−４）実装している。電圧制御型水晶発振器を複数台実装することで、サンプル数を増やし、電圧制御型水晶発振器の固体のバラツキの影響を少なくできる。すなわち、この場合における周波数補正値は、複数の発振器の発振周波数の経年変化による測定データの平均値に基いたものとなる。

周波数カウンタ５００は１台なので、周波数測定時には、スイッチ６００を切り替えて、電圧制御型水晶発振器３０１−１〜３０１−４のそれぞれの周波数測定を行うようにしている。他の構成は図２と同等であり、その説明は省略する。

上述したように、出荷する通信装置と同等の回路構成、かつ部品構成、特に水晶発振器は同一ロットを使用した擬似通信装置を工場内に設置し、出荷して現地で稼動している通信装置と同等の期間稼動させる。出荷後、３年程度経過して擬似通信装置の水晶発振器の経年変化の傾向を見ることによって、現地で稼動している通信装置の水晶発振器の経年変化の傾向を推定し、遠隔制御によって現地で稼動している通信装置の水晶発振器の周波数補正をすることにより、経年変化の偏差を小さくすることができ、結果的に水晶発振器の経年変化を長期に渡って保証できるようになる。

従って、高精度の周波数を必要とし、かつ外部から基準周波数を得ることができない長期間連続運転を行う無人の通信装置において、装置内蔵の電圧制御型水晶発振器の周波数の経年変化を、ローコストで抑制できるようになる。

なお、上述した図７の動作フローは、予めその動作手順をプログラムとしてＲＯＭなどの記録媒体に格納しておき、これをコンピュータに読み取らせて実行させるように構成できることは明白である。

本発明の一実施の形態における補正対象の通信装置を含むシステム構成図である。本発明の一実施の形態における補正対象の通信装置と同一構成の擬似通信装置を含むシステム構成図である。図２の電圧制御型水晶発振器３０１の経年変化の特性例を示す図である。図１の電圧制御型水晶発振器１０１の特性例を示す図である。電圧制御型水晶発振器をＤ／Ａコンバータで制御した場合において、Ｄ／Ａコンバータのデジタル設定値と周波数偏差の関係を示す通信装置及び電圧制御型水晶発振器の設計から製造、そして評価をして出荷するまでを、また出荷後の通信装置及び擬似通信装置の稼動状況を、時間経過と共に示した図である。本発明の実施の形態の動作を示すフローチャートである。本発明の他の実施の形態における補正対象の通信装置と同一構成の擬似通信装置を含むシステム構成図である。

符号の説明

１００通信装置
１０１，３０１電圧制御型水晶発振器
１０２，３０２Ｄ／Ａコンバータ
１０３，３０３ＣＰＵ
１０４通信回路
１０５，３０５ＲＯＭ
２００遠隔制御装置
３００擬似通信装置
４００基準周波数
５００周波数カウンタ
６００スイッチ
７００周波数偏差データ取得部
８００経年変化傾向判断部
９００周波数補正値決定部

Claims

第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正システムであって、
前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置と、
前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定してこの測定データに基いて周波数補正値を決定する手段と、
前記周波数補正値を前記第一通信装置へ送信する手段とを含み、
前記第一通信装置において、前記周波数補正値を受信してこの受信した周波数補正値に基いて前記発振器の補正をなすことを特徴とする周波数補正システム。
前記周波数補正値は、複数の発振器の発振周波数の経年変化による測定データの平均値に基いたものであることを特徴とする請求項１記載の周波数補正システム。
第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正方法であって、
前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置を準備し、
前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定するステップと、
この測定データに基いて周波数補正値を決定するステップと、
前記周波数補正値を前記第一通信装置へ送信するステップと、
前記第一通信装置において、前記周波数補正値を受信してこの受信した周波数補正値に基いて前記発振器の補正をなすステップとを含むことを特徴とする周波数補正方法。
前記周波数補正値は、複数の発振器の発振周波数の経年変化による測定データの平均値に基いたものであることを特徴とする請求項３記載の周波数補正方法。
第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正データ生成システムであって、
前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置と、
前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定してこの測定データに基いて周波数補正値を決定する手段と、
前記周波数補正値を、前記第一通信装置の前記発振器の周波数補正値として、前記第一通信装置へ送信する手段とを含むことを特徴とする周波数補正データ生成システム。
前記周波数補正値は、複数の発振器の発振周波数の経年変化による測定データの平均値に基いたものであることを特徴とする請求項５記載の周波数補正データ生成システム。
第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正データ生成方法であって、
前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置を準備し、
前記第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定するステップと、
この測定データに基いて周波数補正値を決定するステップと、
前記周波数補正値を、前記第一通信装置の前記発振器の周波数補正値として、前記第一通信装置へ送信するステップとを含むことを特徴とする周波数補正データ生成方法。
前記周波数補正値は、複数の発振器の発振周波数の経年変化による測定データの平均値に基いたものであることを特徴とする請求項７記載の周波数補正データ生成方法。
第一通信装置の発振器の発振周波数の経年変化を補正する周波数補正データ生成方法をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、
前記第一通信装置と同一部品からなる同一回路構成の第二通信装置を前記第一通信装置の稼働と並行して稼働させつつ前記第二通信装置内の発振器の発振周波数の経年変化を測定する処理と、
この測定データに基いて周波数補正値を決定する処理と、
前記周波数補正値を、前記第一通信装置の前記発振器の周波数補正値として、前記第一通信装置へ送信する処理とを含むことを特徴とするプログラム。