(57)【要約】【課題】電圧制御型温度補償水晶発振器（voltage controlled, temperature compensated crystal oscillator；ＶＣＴＣＸＯ）の経年劣化による周波数のずれを補正する。【解決手段】無基地局と通信を行う無線端末に搭載される周波数制御装置において、標準電波を受信し、該標準電波に基づいて周波数が調整された基準クロックを出力する受信部と；周波数設定値に対応する制御電圧に応じた周波数の出力信号を得る電圧制御型温度補償水晶発振器と；電圧制御型温度補償水晶発振器の出力信号を分周して分周クロックを出力する分周器と；基準クロックに対する分周クロックの周波数偏差が小さくなるように周波数設定値を補正する制御部と；を具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局と通信を行う無線端末に搭載される周波数制御装置において、
標準電波を受信し、該標準電波に基づいて周波数が調整された基準クロックを出力する受信部と、
周波数設定値に対応する制御電圧に応じた周波数の出力信号を得る電圧制御型温度補償水晶発振器と、
前記電圧制御型温度補償水晶発振器の出力信号を分周して分周クロックを出力する分周器と、
前記基準クロックに対する前記分周クロックの周波数偏差が小さくなるように前記周波数設定値を補正する制御部と、
を具備する周波数制御装置。
【請求項２】
基地局と通信を行う無線端末に搭載される周波数制御装置において、
標準電波を受信し、該標準電波に基づいて周波数が調整された基準クロックを出力する受信部と、
周波数設定値に対応する制御電圧に応じた周波数の出力信号を得る電圧制御型温度補償水晶発振器と、
前記電圧制御型温度補償水晶発振器の出力信号を分周して分周クロックを出力する分周器と、
前記周波数設定値及び該周波数設定値の補正日時を記憶する記憶部と、
前記発振器の出力信号を分周して分周クロックを出力する分周器と、
前記基準クロックに対する前記分周クロックの周波数偏差が小さくなるように前記周波数設定値を補正すると共に前記補正日時を更新する制御部と、
を具備する周波数制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧制御型温度補償水晶発振器（voltage controlled, temperature compensated crystal oscillator；ＶＣＴＣＸＯ）を基準信号源とする無線端末における周波数制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＣＴＣＸＯは、周波数調整端子に印加される制御電圧によって発振周波数が調整できるとともに、制御電圧が基準電圧に保持された場合の周波数精度が使用温度範囲において所望の範囲に収束できるように構成されている。ＶＣＴＣＸＯは、例えば無線端末において基準信号源として用いられる。
【０００３】
ＶＣＴＣＸＯを基準信号源とする無線端末では、自動周波数制御（automatic frequency control；ＡＦＣ）機能により、基地局との通信状態にあれば高精度な周波数制御が可能である。しかしながら、無線端末の電源投入直後や、無線端末が基地局のカバーエリア外にいる、いわゆる圏外状態にある場合のように、ＡＦＣ機能が働かない状態では、基地局の高精度な送信周波数に追従することができないため、基準信号の周波数精度は無線端末内部のＶＣＴＣＸＯ単体での周波数精度のみに依存することになる。
【０００４】
このような観点から、ＶＣＴＣＸＯは使用温度範囲内において周波数精度を±数ｐｐｍ以内に収束させることが要求されており、特に通信方式標準規格であるＡＲＩＢ  ＳＴＤ−Ｔ６１にて規定されているＳＣＰＣ（single channel per carrier）方式の移動無線通信システムにおいては、±０．９ｐｐｍ以内という非常に高い精度が要求されている。また、要求される周波数精度を有するＶＣＴＣＸＯであっても、例えば経年劣化によって回路内の浮遊容量などが変化し、周波数変動が生じる。ＶＣＴＣＸＯの周波数精度がシステムの許容範囲を超えることは、無線端末の通信不能、または規格外の周波数での送信の要因となる。
【０００５】
従って、無線端末を長期間、安定して使用するためにはＶＣＴＣＸＯの経年劣化による周波数のずれを補正する必要がある。例えば、特許文献１には、基地局及び移動局がＧＰＳ衛星あるいは標準電波等の時刻情報に基づいてフレームタイミングを同期させる方法について開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２２２４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＶＣＴＣＸＯでは、経年劣化による周波数のずれが、無線端末の通信不能、または規格外の周波数での送信を引き起こすという問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、ＶＣＴＣＸＯの経年劣化による周波数のずれを補正可能な周波数制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る周波数制御装置は、基地局と通信を行う無線端末に搭載される周波数制御装置において、標準電波を受信し、該標準電波に基づいて周波数が調整された基準クロックを出力する受信部と；周波数設定値に対応する制御電圧に応じた周波数の出力信号を得る電圧制御型温度補償水晶発振器と；前記電圧制御型温度補償水晶発振器の出力信号を分周して分周クロックを出力する分周器と；前記基準クロックに対する前記分周クロックの周波数偏差が小さくなるように前記周波数設定値を補正する制御部と；を具備する。
【０００９】
また、本発明の別の態様に係る周波数制御装置は、基地局と通信を行う無線端末に搭載される周波数制御装置において、標準電波を受信し、該標準電波に基づいて周波数が調整された基準クロックを出力する受信部と；周波数設定値に対応する制御電圧に応じた周波数の出力信号を得る電圧制御型温度補償水晶発振器と；前記電圧制御型温度補償水晶発振器の出力信号を分周して分周クロックを出力する分周器と；前記周波数設定値及び該周波数設定値の補正日時を記憶する記憶部と；前記発振器の出力信号を分周して分周クロックを出力する分周器と；前記基準クロックに対する前記分周クロックの周波数偏差が小さくなるように前記周波数設定値を補正すると共に前記補正日時を更新する制御部と；を具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、基地局からの信号を受信できない場合や無線端末間で直接通信を行う場合には、標準電波を用いたＡＦＣを行うことにより、基地局からの信号を用いることなく、ＶＣＴＣＸＯの経年劣化による周波数のずれを補正可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。  
（第１の実施形態）  
図１は、本発明の第１の実施形態に係る周波数制御装置を具備する無線端末であり、無線回路部１００、ロジック回路部１１０及びアンテナ１３０を有する。
【００１２】
無線回路部１００は無線信号の送受信処理を行う部分であり、変調器１０１、ＶＣＴＣＸＯ１０２、周波数シンセサイザ１０３、電力増幅器１０４、アンテナ共用器１０５ミキサ１０６〜１０８及び低雑音増幅器１０９を有する。一方、ロジック回路部１１０はロジックレベルの処理を行う部分であり、分周器１１１、記憶装置１１２、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１１３、１１４、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１１５、標準電波受信部１１６及び演算装置部１２０を有する。演算装置部１２０には、送信信号処理部１２１、周波数制御部１２２及び受信信号処理部１２３が備えられる。以下、無線端末の送信動作及び受信動作について説明する。
【００１３】
送信時には、送信信号処理部１２１によって生成されるデジタル送信信号はＤＡＣ１１３によってアナログ信号（アナログ送信信号という）に変換される。アナログ送信信号は変調器１０１によってＶＣＴＣＸＯ１０２を基準発振器とする周波数シンセサイザ１０３からのローカル信号を用いて変調され、変調信号が生成される。変調信号は電力増幅器１０４によって所要レベルまで増幅された後、アンテナ共用器１０５を経由してアンテナ１３０に送られ、アンテナ１３０から電波として送信される。
【００１４】
一方、受信時にはアンテナ１３０によって受信されたアナログ受信信号は、アンテナ共用器１０５を経由してミキサ１０７及び１０８によって中間周波数（intermediate frequency；ＩＦ）信号にダウンコンバートされる。尚、ダウンコンバートに用いるローカル信号は、ＶＣＴＣＸＯ１０２を基準発振器とする周波数シンセサイザ１０３とミキサ１０６によって生成される。ミキサ１０８から出力されるＩＦ信号は、ＡＤＣ１１５によってデジタル信号（デジタル受信信号という）に変換された後、受信信号処理部１２３に入力され、復号処理される。
【００１５】
次に、ＶＣＴＣＸＯ１０２の周波数制御について説明する。本実施形態においては、無線端末の電源投入時に周波数制御部１２２は制御を開始するものとする。基本的には、周波数制御部１２２は基地局からの信号に基づいてＡＦＣ動作を行って設定値を補正し、この補正された設定値によってＶＣＴＣＸＯ１０２の発振周波数を制御する。しかしながら、無線端末の電源投入直後や無線端末が圏外にある場合のように、基地局からの信号を利用できない場合には、周波数制御部１２２は以下のように標準電波に基づいてＡＦＣを行って設定値を補正し、この補正された設定値によってＶＣＴＣＸＯ１０２の発振周波数を制御する。
【００１６】
標準電波受信部１１６は、高精度な時刻情報パルスである標準電波を受信し、標準時刻を再生・出力する他に、標準電波受信部１１６に接続された水晶振動子（図示しない）からの入力信号の周波数を受信した標準電波によって調整して、基準クロックを生成する。生成された基準クロックは、周波数制御部１２２に入力される。ＶＣＴＣＸＯ１０２の出力信号は、分周器１１１によって基準クロックと同一の周波数に分周され、分周クロックが生成される。分周クロックは、周波数制御部１２２に入力される。
【００１７】
記憶装置１１２は、例えばフラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭといった電気的に書き換え可能なメモリであり、無線端末の制御プログラムや無線端末のＩＤ情報などを記憶する。周波数制御部１２２は、記憶装置１１２に格納された制御プログラムに基づいて標準電波受信部１１６からの基準クロックと分周器１１１からの分周クロックとを比較する。この比較結果に基づいて周波数制御部１２２は設定値を補正する。補正された設定値はＤＡＣ１１４によってデジタル−アナログ変換されることにより制御電圧が生成され、この制御電圧はＶＣＴＣＸＯ１０２に印加される。ＶＣＴＣＸＯ１０２は制御電圧に応じた周波数で発振を行う。
【００１８】
以下、ＶＣＴＣＸＯ１０２に対する周波数制御処理について図２を用いて更に詳しく説明する。  
無線端末に電源が投入されると、周波数制御部１２２は周波数制御処理を開始する。まず、周波数制御部１２２は、ＶＣＴＣＸＯ１０２に印加する制御電圧の設定値を記憶装置１１２から読み出す（ステップＳ２０１）。次に、周波数制御部１２２は、無線端末の現在の通信モードが基地局通信モードであるか、直接通信モードであるかを判断する（ステップＳ２０２）。現在の通信モードが基地局通信モードであれば、処理はステップＳ２０３に進む。一方、現在の通信モードが直接通信モードであれば、処理はステップＳ２０５に進む。
【００１９】
ここで、各通信モードについて説明する。「ＡＲＩＢ  ＳＴＤ−Ｔ６１」などで規定される業務用デジタル移動無線通信システムでは、基地局通信モード及び直接通信モードをサポートしており、基地局通信モードは、基地局を経由して他の無線端末と通信するモードであり、直接通信モードは基地局を経由せずに無線端末同士で直接通信するモードである。ステップＳ２０２では、現在の通信モードがこれらのうちのいずれであるかを判断している。
【００２０】
ステップＳ２０３では、周波数制御部１２２は、基地局信号が受信可能か否かを判断する。基地局信号が受信可能であれば、処理はステップＳ２０４に進む。一方、基地局信号が受信不可能であれば、処理はステップＳ２０５に進む。
【００２１】
ステップＳ２０４では、周波数制御部１２２は、基地局信号に基づいて公知のＡＦＣを行って、設定値を補正し、周波数制御処理を終了する。この処理により、ＶＣＴＣＸＯ１０２の発振周波数は基地局の周波数に追従することができる。一方、ステップＳ２０５では、周波数制御部１２２は、標準電波受信部１１６が生成した基準クロックに基づくＡＦＣを行って、設定値を補正し、周波数制御処理を終了する。
【００２２】
以下、ステップＳ２０５における基準クロックに基づくＡＦＣ処理について図３を用いて更に詳しく説明する。  
まず、ステップＳ２０５の処理が開始すると、標準電波受信部１１６は標準電波を受信し、標準電波受信部１１６に接続された水晶振動子（図示しない）からの入力信号を、受信した標準電波に基づいて周波数を調整して基準クロックを生成し、ステップＳ３０２へと進む（ステップＳ３０１）。
【００２３】
ステップＳ３０２では、分周器１１１はＶＣＴＣＸＯ１０２の発振周波数を基準クロックと同一の周波数になるように分周し、分周クロックを生成する。このときＶＣＴＣＸＯ１０２の発振周波数に経年劣化等によるずれがあれば、分周クロックと基準クロックとの間に周波数のずれが生じることとなる。そこで、次に周波数制御部１２２は基準クロックに対する分周クロックの周波数偏差を算出する（ステップＳ３０３）。具体的には、例えば分周クロックを１／４周期ずらして基準クロックとの排他的論理和をとることによりクロック差分を生成し、このクロック差分から周波数のずれ量Δｆ［Ｈｚ］を算出し、基準クロックの周波数に対するこの周波数のずれ量Δｆ［Ｈｚ］の比率から周波数偏差を求める手法がある。基準クロックと分周クロックとの間に周波数のずれがない場合（Δｆ＝０［Ｈｚ］）には、図４に示すようにクロック差分は基準クロックに対して周波数が２倍、デューティ比が５０％のクロックとなり、周波数偏差は０［ｐｐｍ］である。一方、基準クロックと分周クロックとの間に周波数のずれがある場合（Δｆ≠０［Ｈｚ］）には、クロック差分は基準クロックに対して、デューティ比を５０％に保つことができず、徐々にずれていくこととなる。
【００２４】
ここで、基準クロックの周期をＴ［ｓ］、分周クロックの周期を周期Ｔ［ｓ］からΔＴ（≠０）［ｓ］ずれた（Ｔ＋ΔＴ）［ｓ］とし、基準クロックとＴ／４［ｓ］遅らせた分周クロックとの間のクロック差分をとる例について図５を用いて説明する。このとき、周波数のずれ量Δｆ［Ｈｚ］は、分周クロックの周波数が１／（Ｔ＋ΔＴ）［Ｈｚ］、基準クロックの周波数が１／Ｔ［Ｈｚ］であるから、これらの差を計算すると、以下のようになる。
【００２５】
【数１】
2008199523.tif 000003
【００２６】
図５において、クロック差分の最初のパルスの幅は基準クロックが立ち上がる時刻０［ｓ］から、分周クロックが立ち上がる時刻Ｔ／４［ｓ］までの、Ｔ／４［ｓ］となる。また、クロック差分の次のパルスの幅は基準クロックが立ち下がる時刻２Ｔ／４［ｓ］から、分周クロックが立ち下がる時刻（３Ｔ＋２ΔＴ）／４［ｓ］までの、（Ｔ＋２ΔＴ）／４［ｓ］となり、最初のパルス幅Ｔ／４［ｓ］に比べてΔＴ／２［ｓ］ずれている。以下、同様にクロック差分のパルス幅を求めると、パルス毎にΔＴ／２［ｓ］ずれていく。従って、あるパルスの幅及び前後いずれかのパルスの幅を求め、これらパルス幅の差分から、周期のずれ量ΔＴを導出できる。また、この例では１２Ｔ／４［ｓ］と（１３Ｔ＋１２ΔＴ）／４［ｓ］とが一致しており、ここから周期のずれ量ΔＴ＝−Ｔ／１２［ｓ］と求めることもできる。式（１）に周期のずれ量ΔＴ＝−Ｔ／１２［ｓ］を代入し、周波数のずれ量Δｆ＝１／１１Ｔ［Ｈｚ］と求まる。従って、周波数偏差は基準クロックの周波数１／Ｔ［Ｈｚ］の１／１１（＝約９１０００ｐｐｍ）と求まる。尚、この手法は一例に過ぎず、別の手法であっても周波数偏差が求められさえすればよい。
【００２７】
次に、周波数制御部１２２は、ステップＳ３０３で求めた周波数偏差が、予め定められた許容範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ３０４）。周波数偏差が許容範囲内であれば、周波数制御部１２２は処理を終了し、現在の設定値によってＶＣＴＣＸＯ１０２の周波数を維持することとなる。一方、周波数偏差が許容範囲外であれば、ステップＳ３０５へと進む。この許容範囲は、通常例えば±数ｐｐｍ程度の範囲と規定するが、ＶＣＴＣＸＯ１０２に要求する周波数精度によって適宜変更すべき設計事項であり、前述した通信方式標準規格「ＡＲＩＢ  ＳＴＤ−Ｔ６１」にて規定されているＳＣＰＣ方式移動無線通信システムであれば、例えば±０．９ｐｐｍ以内を許容範囲として規定する。
【００２８】
ステップＳ３０５では、設定値を補正し、ステップＳ３０２へと戻る。即ち、周波数偏差が許容範囲外であれば、無線端末の通信不能、または規格外の周波数での送信の要因となるため、設定値を補正する。この補正では例えば、以前の設定値及び周波数偏差を記憶しておき、周波数偏差がより小さくなるように設定値を試行錯誤的に増減させるものとする。以下、周波数偏差が許容範囲内に収束するまでステップＳ３０２−ステップＳ３０５のループを繰り返す。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、無線端末内のＶＣＴＣＸＯの経年劣化による周波数のずれを補正可能な周波数制御装置を提供できる。
【００３０】
（第２の実施形態）  
本発明の第２の実施形態に係る周波数制御装置を具備する無線端末の構成は、前述した図１と同様であるため、同一の部分については説明を省略し、異なる部分を中心に述べる。
【００３１】
前述したように、本発明の第１の実施形態では携帯端末の電源投入毎に周波数制御部１２２がＶＣＴＣＸＯ１０２の周波数制御を行っていたが、本実施形態では携帯端末の電源投入毎ではなく、予め定める補正日時が経過した後の電源投入時に限って周波数制御を行うものとする。この補正日時は、ＶＣＴＣＸＯ１０２の素子特性や使用環境等から経年劣化による周波数のずれが生じる頃合を推定したもので、例えば数ヶ月といった期間が周波数制御部１２２によって設定され、この期間で定まる補正日時が記憶装置１１２によって記憶される。
【００３２】
この補正日時経過後に携帯端末の電源が投入されると、周波数制御部１２２は図６に示す周波数制御を行う。尚、図６は図２のフローチャートにステップＳ６０６を追加したものである。従って、図２と同一の部分については説明を省略し、異なる部分を中心に述べる。
【００３３】
前述したとおり、ステップＳ２０４またはステップＳ２０５において、周波数制御部１２２はＶＣＴＣＸＯ１０２に印加する制御電圧の設定値を補正した後、周波数制御処理を終了していたが、本実施形態では更にステップＳ６０６へと進む。
【００３４】
ステップＳ６０６では、周波数制御部１２２は補正された設定値を記憶装置１１２に記憶させて設定値を更新し、以降の携帯端末の電源投入時にこの設定値を読み出す。また、同時に次の周波数制御を行うための補正日時も記憶装置１１２に記憶させて更新し、この更新された補正日時が経過した後の携帯端末の電源投入時に再び周波数制御処理を行うこととなる。このようにして設定値及び補正日時を更新すると、周波数制御部１２２は処理を終了する。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、携帯端末の電源投入毎に周波数制御処理を行う必要が無く、効率的に無線端末内のＶＣＴＣＸＯの経年劣化による周波数のずれを補正可能な周波数制御装置を提供できる。
【００３６】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００３７】
例えば、本発明の第２の実施形態では、設定時を無線端末内の記憶装置１１２が記憶するように構成したが、例えば、基地局側で無線端末毎に設定時を管理してもよい。即ち、周波数制御部１２２が設定値の更新を行った際に、まず、無線端末はその旨の通知を基地局に送信する。次に、基地局はこの通知を受信すると、この信号の受信日時を記憶する。尚、この受信日時の記憶管理は無線端末毎に行うものとし、例えば各無線端末ＩＤと受信日時で構成されるテーブルとして記憶されるものとする。次に、基地局は記憶した受信日時に基づいて、無線端末が次に設定値の更新を行うべき日時を算出し、この日時が経過すると、対応する無線端末に設定値を更新するように促す旨の通知を送信する。次に、無線端末はこの通知を受信すると、設定値の更新を行う。このような構成によれば、各無線端末の周波数のずれ補正の実施を基地局が一括管理することができる。
【００３８】
その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を施しても同様に実施可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る周波数制御装置を具備する無線端末を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る周波数制御装置による周波数制御の処理手順を示すフローチャート。
【図３】図２のステップＳ２０５における詳しい処理手順を示すフローチャート。
【図４】図３のステップＳ３０３において生成したクロック差分の一例を示す図。
【図５】図４の別の例を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る周波数制御装置による周波数制御の処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４０】
１００・・・無線回路部
１０１・・・変調器
１０２・・・ＶＣＴＣＸＯ
１０３・・・周波数シンセサイザ
１０４・・・増幅器
１０５・・・共用器
１０６・・・ミキサ
１０７・・・ミキサ
１０８・・・ミキサ
１０９・・・増幅器
１１０・・・ロジック回路部
１１１・・・分周器
１１２・・・記憶装置
１１３・・・ＤＡＣ
１１４・・・ＤＡＣ
１１５・・・ＡＤＣ
１１６・・・標準電波受信部
１２０・・・演算装置部
１２１・・・送信信号処理部
１２２・・・周波数制御部
１２３・・・受信信号処理部
１３０・・・アンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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