JPS6226605B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はセシウム原子発振器を基準としてク
ロツクを発生する標準クロツク発生装置に関する
ものである。

デイジタル通信網においては網内の諸装置を有
機的に結合するため、局間で周波数同期を確立す
る必要がある。このためには非常に安定なクロツ
ク発生源を各局に配置し、相互に独立に運転する
独立同期方式、１局または主要な局に非常に安定
なクロツク発生源を設置してその下位の局にその
クロツクを分配し、下位の局に同期装置を設置し
て周波数同期を確立する従属同期方式が提案され
ている。

いずれの同期方式による場合でも基準となるク
ロツクを発生する標準クロツク発生装置が必要で
あり、かつ網間あるいは国際間でデイジタル通信
の接続を行うことを前提とすればその接続点に相
当する局では相互のクロツク周波数確度を一致さ
せることが必要になる。

このためクロツク源としては周波数確度が高い
セシウム原子発振器の導入が考えられる。その場
合セシウム原子発振器の性能を損わずまたその障
害にも対処できるような標準クロツク発生装置の
実現が重要になる。この種の標準クロツク発生装
置としてはセシウム原子発振器を２重化あるいは
３重化し、その内の一台の出力を利用する構成が
とられる。第１図にその従来の装置を示す。現
用・予備２台のセシウム原子発振器１ａ，１ｂの
出力を切替回路２ａ，２ｂによつて選択し、それ
ぞれにデイジタル処理形位相同期回路３ａ，３ｂ
を従属させ、さらに後段の切替回路４ａ，４ｂに
よつて正常な出力を出力端子５ａ，５ｂに選択で
きるように２重化（現用・予備）して構成した。

この装置のデイジタル処理形位相同期回路３
ａ，３ｂは第２図に示すように端子１１から入力
されたセシウム原子発振器の出力を分周器１２で
分周して位相比較器１３へ供給し、またデイジタ
ル制御入力部を有する電圧制御水晶発振器１４の
出力を分周器１５で分周してデイジタル位相比較
器１３へ供給し、この位相比較器１３はその両入
力を位相比較して出力する。制御部１６では
CPU１７がメモリ１８内のプログラムを読出し
て解読実行することにより、デイジタル位相比較
器１３の出力を取込み、これを統計処理して電圧
制御発振器１４へ制御値を与える。制御部１６内
にその処理に利用されるデータの読み書きのため
メモリ１９が設けられる。電圧制御発振器１４の
出力が出力端子２１へ供給される。

この第１図及び第２図に示した従来装置では２
台のセシウム原子発振器１ａ，１ｂの障害時にも
デイジタル制御水晶発振器１４を直前の制御デー
タを入力として自走させることができ、極端な周
波数跳躍は生じない。しかしセシウム原子発振器
１ａ，１ｂでおこる可能性のある周波数異常に対
しては、いずれの発振器に異常があるかを判別で
きないため、現用系セシウム原子発振器が周波数
異常状態になつた場合は、これに対処できない欠
点があつた。またセシウム原子発振器１ａ，１ｂ
が正常時でもデイジタル処理形位相同期回路３
ａ，３ｂの出力は回路内のデイジタル制御の精度
に依存する離散的な周波数値をとることとなり、
セシウム原子発振器１ａ，１ｂの出力周波数とは
わずかにずれた値になる欠点があつた。さらに位
相同期回路３ａ，３ｂのループ内に複雑な制御部
１６を含むため高い信頼性を確保することが困難
になる欠点もあつた。

第３図は従来の他のクロツク発生装置を示す。
セシウム原子発振器を１ａ，１ｂ，１ｃと３重化
し、第１図の場合と同様に切替回路２ａ〜２ｃ、
位相同期回路６ａ〜６ｃ、後段の切替回路４ａ〜
４ｃを設け、更に周波数測定監視部２２を設け、
３台のセシウム原子発振器１ａ〜１ｃに優先順位
を附与することができ、かつ１台の発振器が周波
数異常をおこした場合にはその１台を検出するこ
とが可能である。したがつて、後段の切替回路４
ａ〜４ｃによつて異常なセシウム原子発振器を排
除し、常に正常な１台の出力をクロツク源として
選択することができる。

しかし、この従来装置ではクロツク源に従属す
る位相同期回路６ａ〜６ｃをアナログ形位相同期
発振器で構成しているため、セシウム原子発振器
１ａ〜１ｃが全系統障害時には位相同期発振器６
ａ〜６ｃは内蔵の水晶発振器の周波数安定度でき
まる大きな周波数偏差で自走することになる。ま
たセシウム原子発振器１ａ〜１ｃの切替時には位
相同期発振器６ａ〜６ｃ出力は過渡的に大きな周
波数偏差を生じる欠点があつた。さらにこの装置
では周波数測定監視部２２を１系統しかもたない
ため、それが障害した時にはセシウム原子発振器
１ａ〜１ｃ間の周波数偏差の測定が不可能にな
り、現用のセシウム原子発振器に周波数異常が生
じた場合には装置出力端子５ａ〜５ｃには異常な
周波数出力を出すことになり装置信頼性を損う欠
点があつた。

この発明はこれらの欠点を除去するために、常
に３重化可能なセシウム原子発振器を装備すると
ともに３台の相互の周波数差を比較計測し、その
比較データによつて作動する選択スイツチを設
け、さらに切替時の位相跳躍を低減するための位
相調整機能をもちかつ入力断時に直前までのデー
タによつて周波数制御可能な位相同期発振器をそ
れぞれ２系統以上上記セシウム原子発振器に従属
する構成としたものである。

第４図はこの発明の実施例を示し、セシウム原
子発振器１ａ〜１ｄはそれぞれセシウム原子発振
器の障害検出回路７ａ〜７ｄを通じて二つの優先
順位選択スイツチ２３ａ，２３ｂにそれぞれ共通
に接続される。これらスイツチ２３ａ，２３ｂは
優先順位を手動設定する機能とセシウム原子発振
器の障害時に優先順位を変更する機能を有し、こ
れらスイツチ２３ａ，２３ｂの出力側は周波数測
定監視部、２２ａ，２２ｂと、現用系選択スイツ
チ２４ａ，２４ｂにそれぞれ接続される。これら
スイツチ２４ａ，２４ｂはそれぞれ３系統のセシ
ウム原子発振器出力から現用系出力を選択するた
めのものであり、制御部２５により制御される。
現用系選択スイツチ２４ａ，２４ｂは現用および
予備系出力を切替えるためのスイツチ２６ａ，２
６ｂの両者にそれぞれ接続され、これらスイツチ
２６ａ，２６ｂは制御部２７により制御され、か
つ位相調整機能をもち自走時に周波数制御可能な
位相同期発振器２８ａ，２８ｂに接続される。位
相同期発振器２８ａ，２８ｂの状態は制御部２９
により制御される。位相同期発振器２８ａ，２８
ｂは切替スイツチ３１ａ，３１ｂの両者にそれぞ
れ接続され、スイツチ３１ａ，３１ｂは制御部３
２により制御されると共に装置出力端子５ａ，５
ｂに接続される。

セシウム原子発振器１ａ〜１ｃの出力は通常
5MHzの周波数で動作し、その周波数確度はこの
装置で使用するような可搬形の発振器の場合１×
10^-11程度といわれている。しかし、セシウム原
子発振器の利用にあたつては主要構成要素である
セシウム原子ビーム管に寿命（〓３年）が存在す
ることと、発振器の内部の制御回路の劣化、異常
によつて１×10^-11をこえる周波数異常が生じる
可能性があること、特に周波数異常に関してはセ
シウム原子発振器単体では検出できない可能性が
あることを考慮する必要がある。

したがつてセシウム原子発振器の周波数異常を
検出するため、少なくとも３台作動させ、相互の
周波数比較を行う構成とした。この実施例では４
台のセシウム原子発振器１ａ〜１ｄを装備し、動
作状態にある発振器を３台１ａ〜１ｃとし、他の
１台１ｄを動作中の発振器１ａ〜１ｃのうち１台
が障害時にあるいは障害の徴候がある場合に動作
状態に移行する待機用発振器とした。障害検出回
路７ａ〜７ｄはそれぞれセシウム原子発振器１ａ
〜１ｄの出力断、制御系異常等を検出する。優先
順位選択スイツチ２３ａ，２３ｂはそれぞれ４台
のセシウム原子発振器１ａ〜１ｄを手動により選
択してその出力として３系統のセシウム原子発振
器出力を得るものであり、この例ではその３系統
中の優先順位を設定することができる。スイツチ
２３ａ，２３ｂでそれぞれ選択されたこの３系統
の信号は周波数測定監視部２２ａ，２２ｂによつ
て常時比較され、３系統の信号の平均周波数に近
い周波数をもつ系の順に優先順位を附与するとと
もに、異常値の有無を監視して、選択スイツチ２
４ａ，２４ｂを制御する信号を得る。その附与さ
れた優先順位を操作員はスイツチ２３ａ，２３ｂ
に手動設定し、この優先順位データが制御部２５
へ与えられる。制御部２５に対し優先順位を直接
設定してもよい。

周波数測定監視部２２ａ，２２ｂは例えば第５
図に示すように入力端子３４ａ〜３４ｃに加えら
れる３系統の信号の周波数をそれぞれV₁，V₂，
V₃とすると、周波数偏差測定回路３５ａ〜３５
ｃによつて次式で表わされる相互の周波数偏差率
δ₁₂，δ₂₃，δ₃₁ δ₁₂＝（V₁−V₂）／V₀ (1) δ₂₃＝（V₂−V₃）／V₀ δ₃₁＝（V₃−V₁）／V₀ ただしV₀〓V₁〓V₂〓V₃ を計測し、データ処理回路３６において計測結果
を統計処理して優先順位を判定するとともに、異
常周波数の有無を識別して、端子３７より選択ス
イツチ制御信号を表示出力する。たとえばV₁≠
V₂＝V₃の場合、δ₁₂＝−δ₃₁≠Ｏ，δ₂₃＝Ｏの計
測結果が得られるから、偏差率の絶対値が最少と
なるV₂，V₃の組合せ以外の入力V₁を最悪と判定
することができる。

また、相互の周波数偏差率の絶対値に上限値δ
ｌ（たとえば１×10^-11）を設ければ、｜δij｜≧
δｌ（ｉ，ｊ＝１，２，３）となる場合ｉ，ｊ以
外の１系統を、｜δ₁₂｜，｜δ₂₃｜，｜δ₃₁｜＜
δｌの場合にはその最大値を与えない組合せ以外
の１系統を優先順位１位と判定することができ
る。

優先順位の現用系選択スイツチ２４ａ，２４ｂ
には優先順位選択スイツチ２３ａ，２３ｂの３系
統の出力がそれぞれ入力され、平常時はそのうち
優先順位第１位の系統が選択されて出力される。
選択された１位のセシウム原子発振器の異常時あ
るいは上記限界値をこえる周波数異常時にはそれ
ぞれ障害検出器７ａ〜７ｄおよび周波数測定監視
部２２ａ，２２ｂからの障害情報がスイツチ制御
部２５に転送され、制御部２５は選択スイツチ２
４ａ，２４ｂへの切替信号を発生し、優先順位第
２位の出力への自動的な切り替えを行なう。

セシウム原子発振器１ａ〜１ｄの動作状況、周
波数測定監視部２２ａ，２２ｂのデータの履歴を
保守者が判断し、優先順位の変更を行なう必要が
ある場合設定スイツチ２３ａ，２３ｂを手動によ
つて作動させることができる。

また、予防保全措置として３台の発振器のうち
１台を撤去して、待機用発振器１ｄを動作系に組
み入れる場合には待機用発振器１ｄに電源を投入
して定常状態に達した後、予備系の優先順位切替
スイツチ、例えば２３ｂによつて動作系発振器群
の変更を行なう。次に予備系周波数監視部２２ｂ
によつて周波数比較を行ない、変更後の優先順位
を定め優先順位設定スイツチ２３ｂを再び手動操
作で新たな優先順に変更する。さらに現用系の優
先順位設定スイツチ２３ａを手動操作して優先順
を上記の順に変更して現用系も新しい状態に移行
させることができる。

選択スイツチ２４ａ，２４ｂの出力には優先順
位１位のセシウム原子発振器出力が得られるが、
現用・予備切替スイツチ２６ａ，２６ｂを介して
これに２系統の位相同期発振器２８ａ，２８ｂを
従属させる。スイツチ２６ａ，２６ｂの制御信号
は、周波数測定監視部２２ａ，２２ｂの異常時に
スイツチ制御部２５より発せられる。位相同期発
振器の構成は例えば第６図に示す通りである。入
力端子３８に加えられる信号をてい倍器３９によ
つてｎてい倍し、出力周波数V₀をもつ電圧制御
水晶発振器４１の信号をてい倍器４２でｎてい倍
した後の信号と位相検波器４３によつて位相比較
し、平常時は誤差信号を低域フイルタ４４および
切替スイツチ４５を介して電圧制御発振器４１の
制御端子に帰還する。

このように平常時はアナログ的な位相同期回路
として動作するから、セシウム原子発振器に同期
した周波数確度の高い信号が発振器４１の出力端
子４６よりえられる。また位相比較をｎ倍の周波
数で行なつているために、入力での位相跳躍は
１／ｎに圧縮される位相調整機能をもつ。すなわ
ち、ｎ＝８とすれば、入力端子３８に加えられる
信号が選択スイツチ２４ａ又は２４ｂによつて切
替えられ、入力信号位相が最悪１周期に相当する
200ns跳躍しても、出力端子４６にあらわれる信
号は最悪25ns（＝200／８）以下の位相跳躍量に
低減される。また低域フイルタ４４の作用により
その跳躍は平滑化される。

一方アナログ電圧メモリ４７には、平常時の低
域フイルタ４４の出力電圧を印加し、その電圧を
デイジタル化して記憶更新するとともに低域フイ
ルタ４４の出力電圧と略一致するアナログ電圧を
メモリ４７の出力端子に得る。この電圧は位相同
期回路ループ内の特性変化、主として電圧制御水
晶発振器４１の周波数エージング等を補正するよ
うに時間的に変化する。メモリ４７は列えばＡ／
Ｄ変換器、可逆カウンタ、Ｄ／Ａ変換器で構成さ
れる。

動作系の３台のセシウム原子発振器の異常時あ
るいは保守のための交換作業時には障害検出器７
ａ〜７ｄからの信号をスイツチ制御部２９に転送
して制御部２９の信号によつてスイツチ４５を作
動させ、アナログメモリ４７の出力電圧を電圧制
御発信器４１の制御端子に印加して自走状態と
し、正常時とほぼ同一の周波数で発振させる。自
走時のアナログメモリ４７からの制御電圧は、正
常時のデータにもとづいて処理発生され、電圧制
御発振器４１の固有の周波数エージング等のルー
プ内特性変化を補正することができる。

セシウム原子発振器切替時には、位相比較器４
３への入力位相が急変し、位相同期発振器の出力
端子４６の出力はその影響をうけて周波数が過渡
的に偏移する。また位相同期発振器２８ａ，２８
ｂを自走させる場合にもアナログメモリ４７の量
子化ステツプに依存する微小な周波数変化を生じ
る。

第７図はこの発明の実施例の場合の実測値の一
例を示したものであり、同図Ａはセシウム原子発
振器を時点t₁で切り替えて、最悪時の25nsの位相
変化が、位相比較器４３でおこつた場合の特性
で、位相同期発振器２８ａ，２８ｂのループ定数
で定まる位相変化、周波数変化を示す。この例で
はループの固有周波数を0.02〔rad／sec〕、減衰
定数を1.56とした結果位相変化を最大1.1×10^-3
以下に抑圧できており、さらに位相調整用のてい
倍器３９、のてい倍次数ｎを増大するか、ωｎを
低減することによつて最大周波数跳躍量を低減で
きる。

第７図Ｂはアナログメモリ４７の周波数に関す
る量子化ステツプを3.92×10^-10とした場合に時
点t₁で自走状態とした時のデータであり、自走状
態に移行しても位相は連続的に変化することにな
り、その傾斜が上記量子化ステツプに対応してい
る。さらに量子化ステツプを小さくすることによ
り自走状態の周波数誤差を低減できる。

切替スイツチ３１ａ，３１ｂは現用系の位相同
期発振器２８ａ，２８ｂの障害時に制御部３２の
信号により作動し、常に正常動作状態にある別の
位相同期発振器２８ａ，２８ｂの出力を装置出力
端子５ａ，５ｂに得る機能をもつ。

先に述べたように優先順位の設定はスイツチ２
３ａ，２３ｂで行うことなく、制御部２５に対し
直接行つてもよい。スイツチ２４ａ，２４ｂの切
替えは必ずしも優先順位を付けて行わなくてもよ
い。また位相同期発振器２８ａ，２８ｂ内におい
て、ｎてい倍した信号の位相制御ループを設けこ
れにより位相調整し、その出力側をスイツチ２６
ａ，２６ｂと同様に切替え、その出力は周波数を
ｎ分周し、これに対し発振器を同期させる位相制
御ループを設け、位相同期発振器２８ａ，２８ｂ
の出力としてもよい。更にこの位相同期発振器２
８ａ，２８ｂとしてはデイジタルで構成してもよ
い。

以上説明したように、この発明においては３台
以上のセシウム原子発振器を動作させ、常時相互
の周波数比較を行つて各発振器の出力周波数の平
均値に最も近い周波数もをつ１台を基準発振器と
して選択する構成であり、その切替時の位相跳躍
を低減する機能をもつ高安定アナログ形位相同期
発振器を従属させる場合は周波数確度の高い装置
出力信号が得られ、かつ優先順位変更時にもその
影響を低減できる利点がある。また上記位相同期
発信器は制御ループ外にメモリをもつ構成である
から全てのセシウム原子発振器が障害になつた場
合でも、正常時と同等の周波数確度をもつ装置出
力が得られる利点がある。

さらにセシウム原子発信器以外の各部も２重化
した構成としたから保守も容易であり、きわめて
高い装置信頼性が得られる利点がある。このよう
に信頼性と周波数確度が高い標準クロツク装置が
実現できるから、デイジタル網の網同期系の基準
クロツクを発生する装置として利用でき、網間接
続が行なわれる場合にも充分な品質信頼性が確保
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２重化された標準クロツク装置
を示す構成図、第２図は第１図の要素であるデイ
ジタル処理形位相同期発振器を示す構成図、第３
図は従来の３重化された標準クロツク発生装置を
示す構成図、第４図はこの発明による標準クロツ
ク発生装置の一実施例を示す構成図、第５図は第
４図の周波数測定監視部の例を示す構成図、第６
図は第４図の位相同期発振器の例を示す構成図、
第７図はこの発明装置の実施例における優先順位
切替時および自走時の装置出力周波数変化の実測
結果を説明する図である。 １ａ〜１ｄ：セシウム原子発振器、５ａ，５
ｂ：装置出力端子、７ａ〜７ｄ：セシウム原子発
振器障害検出器、２２ａ，２２ｂ：周波数監視
部、２３ａ，２３ｂ：優先順位選択スイツチ、２
４ａ，２４ｂ：現用系選択スイツチ、２５：選択
スイツチ制御部、２６ａ，２６ｂ：現用予備切替
スイツチ、２９：位相同期状態制御部、３２：切
替スイツチ制御部、３４：アナログ電圧メモリ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 常に動作状態にある３台以上のセシウム原子
   発振器と１台以上の待機用セシウム原子発振器を
   装備し、そのうちから３系統の出力を選択する設
   定スイツチ、その選択された３系統の出力間の周
   波数偏差を測定処理する周波数測定監視部、その
   周波数比較結果にもとづいて１系統セシウム原子
   発振器出力を選択する機能をもち上記設定スイツ
   チに後置する現用系選択スイツチ、その現用系選
   択スイツチに後置する現用予備切替スイツチ、平
   常時はその現用予備切替スイツチ出力に位相調整
   後同期し、かつ制御データを記憶するメモリをも
   ち、セシウム原子発振器全系障害時に直前の制御
   データで周波数制御して自走可能な位相同期発振
   器、その位相同期発振に後置する現用予備切替ス
   イツチとをそれぞれ２系統以上を具備する標準ク
   ロツク発生装置。