(57)【要約】振動回路（１０）はクロック信号（２０）を生成するための水晶発振器（１２）を含む。振動回路（１０）が主信号（１９）へのアクセスを有するロックイン期間中はクロック信号を主信号（１９）に同期させる。振動回路（１０）が主信号（１９）へのアクセスを失うホールドオーバー期間中は、水晶振動周波数に影響を与える可能性のある時間や温度などの物理的パラメータに関して、振動周波数関数により水晶振動周波数を予測する。予測周波数と標準周波数とを比較して誤差信号を生成する。この誤差信号に応じて、端数処理ブロック（２８）はクロック信号に対してサイクルを追加するか削除するかを決定して、振動回路（１０）の振動信号（１３）を較正する。
2004516740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動クロック回路であって、
水晶振動信号を生成する水晶発振器を有し、
前記水晶振動信号を受けるよう結合されたコントローラを有し、該コントローラは、前記水晶振動信号から修正周波数信号を生成し、更に同期信号を受けるよう結合され、前記修正周波数信号を前記同期信号との比較に基づいて第１の較正信号を生成し、更に前記水晶発振器の物理的パラメータに応じて前記水晶振動信号の周波数の予測に基づいて第２の較正信号を生成し、
前記修正周波数信号と前記コントローラからの較正信号とを受けるよう結合された合成器を有し、該合成器は、前記修正周波数信号に応じてクロック信号を生成しかつ前記較正信号に応じて前記クロック信号を調整する、ことを備える振動クロック回路。
【請求項２】
前記コントローラは前記同期信号へのアクセスを失うとこれに応じて前記第２の較正信号を生成する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項３】
前記水晶発振器の物理的パラメータは経年数である、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項４】
前記水晶発振器の物理的パラメータは温度である、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項５】
前記コントローラは前記修正周波数信号と前記同期信号とを受けるよう結合する比較器を有し、前記比較器は前記修正周波数信号と前記同期信号とを比較して誤差信号を生成し、前記第１の較正信号は前記誤差信号に基づく、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項６】
前記コントローラは前記修正周波数信号を生成する周波数信号発生器を有する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項７】
前記周波数信号発生器は周波数逓倍器を含む、請求項６記載の振動クロック回路。
【請求項８】
前記コントローラは前記水晶振動信号の周波数を前記水晶発振器の温度の関数として予測する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項９】
前記コントローラは前記水晶振動信号の周波数を前記水晶発振器の経年数の関数として予測する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項１０】
前記コントローラは前記水晶振動信号の周波数を前記水晶発振器の温度と経年数の関数として予測する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項１１】
振動クロック回路であって、
水晶振動信号を生成する水晶発振器と、
前記水晶振動信号を受け、前記水晶発振器の物理的パラメータに応じて前記水晶振動信号の周波数を予測するよう結合するコントローラと、
を備える振動クロック回路。
【請求項１２】
前記コントローラは更に同期信号を受けるよう結合し、前記コントローラは前記水晶振動信号を前記同期信号との比較に基づいて第１の較正信号を生成し、かつ前記予測水晶振動周波数に基づいて第２の較正信号を生成し、前記クロック回路は更に、
前記水晶振動信号と前記コントローラからの較正信号とを受けるよう結合した合成器を有し、該合成器は、前記水晶振動信号に応じてクロック信号を生成しかつ前記較正信号に応じて前記クロック信号を調整する、ことを含む請求項１１記載の振動クロック回路。
【請求項１３】
前記水晶発振器の物理的パラメータは経年数である、請求項１１記載の振動クロック回路。
【請求項１４】
前記水晶発振器の物理的パラメータは温度である、請求項１１記載の振動クロック回路。
【請求項１５】
前記コントローラは前記水晶振動信号と前記同期信号とを受けるよう結合した比較器を有し、該比較器は前記水晶振動信号と前記同期信号とを比較して誤差信号を生成し、前記第１の較正信号は前記誤差信号に基づく、請求項１２記載の振動クロック回路。
【請求項１６】
前記コントローラは前記水晶振動信号の周波数を前記水晶発振器の温度と経年数の関数として予測する、請求項１１記載の振動クロック回路。
【請求項１７】
水晶発振器が生成する振動信号を較正する方法であって、
前記水晶発振器の物理的パラメータに基づいて前記振動信号の周波数を予測する、ことを備える方法。
【請求項１８】
前記振動信号の周波数は前記水晶発振器の温度の関数として予測する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記振動信号の周波数は前記水晶発振器の経年変化の関数として予測する、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記振動信号の周波数は前記水晶発振器の温度と経年変化の関数として予測する、請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
無線通信網の基地局内のクロック信号を較正する方法であって、
前記基地局内の水晶発振器を用いて振動信号を生成し、
前記振動信号の周波数に所定の係数を乗算して修正周波数信号を生成し、
全地球測位システム衛星から主同期信号を受け、
前記修正周波数信号を前記主同期信号に同期させて前記クロック信号を生成し、
前記基地局信号が前記主同期信号へのアクセスを失うホールドオーバー期間中は前記水晶発振器の物理的パラメータに関して前記水晶発振器の予測発振周波数を生成し、
前記ホールドオーバー期間中は前記予測振動周波数と標準周波数とを比較して較正信号を生成し、
前記ホールドオーバー期間中は前記較正信号に応じて前記修正周波数信号を調整して前記クロック信号を生成する、ことを備える方法。
【請求項２２】
前記水晶発振器の予測振動周波数を生成するステップは、
温度関数を生成し、
前記水晶発振器の温度を検出し、
前記温度関数に従って温度に関して前記予測振動周波数を生成する、ことを含む請求項２１記載のクロック信号を較正する方法。
【請求項２３】
温度関数を生成する前記ステップは、
複数の温度係数を与え、
前記複数の温度係数に関して温度の多項式を生成する、ステップを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
複数の温度係数を与える前記ステップは第１の集合の温度係数と第２の集合の温度係数とを与え、
前記温度の多項式を生成する前記ステップは、増加温度に応じて前記第１の集合の温度係数を用いかつ減少温度に応じて前記第２の集合の温度係数を用いる、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
複数の温度係数を与える前記ステップは、
前記複数の温度係数の複数の初期値をメモリ・ユニット内に記憶し、
前記主同期信号へのアクセスのある前記基地局に応じて２４時間にわたって前記複数の温度係数を再評価する、ことを含む請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
前記水晶発振器の前記予測振動周波数を生成するステップは、
時間に関してドリフト関数を生成し、
前記温度関数とドリフト関数との和に従って温度と時間に関して前記予測振動周波数を生成する、ことを含む請求項２３記載の方法。
【請求項２７】
一群の動作から選択された１つの動作を実行することを含む前記クロック信号を生成するステップは、
前記修正周波数信号に少なくとも１サイクル追加して前記クロック信号を生成し、
前記修正周波数信号から少なくとも１サイクル削除して前記クロック信号を生成し、
前記修正周波数信号を前記クロック信号として送る、ことを含む請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連する出願データ）
本発明は２０００年１２月２１日出願の米国暫定特許出願番号第６０／２５７，６８２号に関係するもので、これに対して優先権を主張する。前記出願全体をここに援用する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は一般に振動するタイミング信号に関するもので、より詳しくは、振動するタイミング信号を生成し較正するための回路と方法に関するものである。
【０００３】
（背景）
発振器は通信と情報転送に重要な役割を演ずる。発振器は、互いに通信する回路にクロック信号を提供する。通常、発振器の中心部は一片の水晶である。水晶の両端に電圧をかけると共振周波数の機械的振動を生ずる。水晶の厚さによってその名目振動周波数が決まる。水晶の振動周波数は、例えば温度やカットの角度や負荷キャパシタンスなどの他の要因にも依存する。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）は、発振器内の水晶の負荷キャパシタンスを調整することにより発振器の周波数を制御する。温度制御発振器（オーブン制御発振器（ＯＣＸＯ）と呼ぶことがある）は、水晶の温度を調整することにより発振器の周波数の安定性を高める。
【０００４】
２つの回路（例えば、無線通信網内の基地局とユーザ端末）が互いに通信するとき、これら２つの回路内のクロック信号は互いに同期することが好ましい。これは、一方の回路（例えば、基地局）内のクロック信号を主信号として用い、他方の回路（例えば、ユーザ端末）内のクロック信号を主信号に同期させることにより達成することができる。種々の回路（例えば、無線通信網内の種々の基地局）のクロック信号も、共通信号（例えば、公衆加入電話網（ＰＳＴＮ）信号）を主クロック信号として用いて同期させることができる。別の方法として、全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星からのクロック信号を主信号として用いることができる。この場合は、無線通信網内の全ての基地局のクロック信号をＧＰＳ信号に同期させる。移動体端末が２つ以上の基地局と同時に通信するソフト・ハンドオフ中は、基地局間のタイミングを同期させることが特に重要である。
【０００５】
水晶振動周波数には自然変動が発生するので、互いに通信する種々の回路のクロック信号の同期化は継続したプロセスである。例えば、基地局内のクロック信号をＰＳＴＮまたはＧＰＳ衛星からの主信号に同期させるには、基地局はまず主信号を受信することが可能でなければならない。しかし運転中は、例えば荒れ模様の気候状態や装置の故障などにより、無線通信基地局はＰＳＴＮまたはＧＳＰ衛星との接触を一時的に失うことがある。この「ホールドオーバー期間」中は、基地局はそのクロック信号をＰＳＴＮまたはＧＰＳ衛星からの主信号に同期させることができない。
【０００６】
したがって、振動するクロック回路が外部の主同期信号から切り離されている間は、クロック信号を生成し、クロック信号を較正するための同期回路と方法を提供することが望ましい。例えば、ハンドオーバー期間中は無線通信網内の基地局のクロック信号を較正して、その基地局と網内の他の基地局とを実質的に同期させるプロセスを有することが望ましい。また較正プロセスは、水晶振動周波数に影響を与える温度変化や経年変化などの種々の要因を考慮に入れることが望ましい。
【０００７】
（発明の概要）
本発明の一般的な形態では、ハンドオーバー期間中に発振器が主同期信号との接触を失ってもそのクロック信号が例えば通信網内の他の共通の回路エンティティのクロック信号と実質的に同期を保つことを可能にする、発振器クロック信号を生成し較正するプロセスを提供する。ここで用いる「較正」という用語は広く制限なしに解釈すべきものであって、発振器クロック信号を主同期信号に一般的に同期させるプロセスだけでなく、主同期信号と接触していないときに発振器クロック信号を較正するプロセスを含む。
【０００８】
本発明の更に特殊の形態では、較正プロセスは水晶振動周波数に影響を与える複数の物理的要因を考慮に入れて、水晶振動周波数とかかる要因との関係を記述する水晶振動周波数関数を生成する。例えば、水晶振動周波数は一般に水晶の厚さと、水晶発振器の負荷キャパシタンスと、水晶の温度と、水晶の経年数とに依存する。したがって、水晶発振器が可変キャパシタンス負荷を持たず、また発振器内の水晶の寸法が時間と共に変化しない場合は、水晶振動周波数に大きな影響を与えるパラメータは温度と時間の２つである。
【０００９】
水晶の物理的モデルと実験によると、水晶振動周波数に与える温度効果と時間効果とは互いに実質的に独立である。したがって、水晶振動周波数関数は２つの単一変数の副関数の和として表すことができる。一方の副関数は温度を単一変数とするので「温度関数」と呼ばれており、水晶振動周波数と温度との関係を記述する。
１つの実施の形態では、温度関数を温度の多項式で表す。多項式の次数は水晶モデルと望ましい精度とに依存する。
【００１０】
別の実施の形態では、温度関数を表すのに別の基本関数（例えばウエーブレット（ｗａｖｅｌｅｔ）変換またはフーリエ変換）を用いることができる。別の選択肢は、変換関数ではなく直交基準を用いる（例えば、多数の水晶の以前の温度測定値に基づく統計的データを用いる）ことである。多項式を用いるとき、多項式の次数が高いほど精度は高くなるが、それだけ複雑になり、またそれだけ多くのメモリと計算時間が必要になる。発振器回路が主同期信号へのアクセスを有する期間中は、多項式内の温度係数を連続的に推定し再評価することが好ましい。このように連続的に推定と再評価を行うことにより温度係数を更新することができるので、水晶振動周波数と温度との関係を正確に記述することができる。
【００１１】
時間を単一変数とする他方の副関数を「ドリフト関数」と呼ぶ。これは水晶振動周波数と時間との関係を記述する。ドリフト関数は水晶の経年変化効果を反映する。一般に、ドリフト関数は週単位の時定数を持つ時間の対数関数であるが、ハンドオーバー期間の継続時間は一般に分単位または時間単位である。各ハンドオーバー期間中は、適当な経年変化係数を持つ１次多項式（すなわち線形関数）を用いて水晶の経年変化効果を十分な精度で表現することができる。温度関数内の温度係数と同様に、発振回路が主同期信号へのアクセスを有する期間中はドリフト関数内の経年変化係数を連続的に推定し再評価することが好ましい。このように連続的に推定と再評価を行うことにより経年変化係数を更新することができるので、水晶振動周波数と時間との関係を正確に記述することができる。また、経年変化関数を表すのに他の基本関数を用いることができる。例えばウエーブレット関数は経年変化関数をモデル化するのに適しているが、システム設計は一層複雑になる。
【００１２】
温度係数と経年変化係数が分かると、温度と時間に対する水晶振動周波数の依存性を記述する水晶振動周波数関数を決定することができる。ホールドオーバー期間中は、水晶振動周波数関数は発振器クロック信号の周波数を予測する。この予測と発振器の目標周波数とを比較して誤差信号（較正信号とも呼ぶ）を生成する。次に合成器を用いて、発振器出力と誤差信号とに基づいて安定なクロック信号を生成する。ロックイン期間中に回路のクロック信号を主同期信号に同期させるための既存の回路の一部として合成器を組み込むことにより、較正プロセスを簡単に実現し、回路の複雑さを最小にすることができる。
本発明の他の形態と機能は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を考慮すれば明らかになる。
【００１３】
（好ましい実施の形態の詳細な説明）
本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。注意すべきであるが、図面は好ましい実施の形態の説明を容易にするために示すものであって、本発明の範囲を完全に説明するものでもなければ制限するものでもない。
本発明の第１の形態に従って、図１はクロック信号２０をホスト回路（図示しない）に与える振動回路（すなわち「タイミング・モジュール」）１０を示すブロック図である。ホスト回路は、振動回路１０が生成するクロック信号２０を必要とする任意の種類の回路でよい。例えば、ホスト回路は無線通信網の基地局内にあってよい。
【００１４】
タイミング・モジュール１０は水晶発振器１２を含む。或る好ましい実施の形態では、発振器１２はオーブン制御水晶発振器（ＯＣＸＯ）である。一例をあげると、発振器１２は約５メガヘルツの公称周波数ｎ０を有する。かかる比較的低い周波数を生成する発振器１２内の水晶（図示しない）は比較的厚く、例えば、１つの実施の形態では約１．００２４ｍｍである。これより厚い水晶は、水晶カット角度誤差に影響を受けにくいので安定である。
【００１５】
発振器１２は、水晶の温度を検出するための付属の温度センサ（例えば熱電対）１４を有する。しかし水晶温度を測定するには、水晶振動の第３オーバートーンを測定するなどの他の方法を用いてもよい。温度センサ１４を発振器１２の温度制御機能内に組み込むことにより構造を簡単にして、発振器１２の信頼性を高めることが好ましい。
【００１６】
好ましくは、発振器１２は温度補償基準電圧出力を有する。例えば、発振器１２の基準電圧出力は３．３ボルトである。この温度補償基準電圧を用いて安定な供給電圧を発振器１２に与えることにより、発振器１２の振動周波数の変動の原因となる供給電圧の不規則性を実質的に除去する。また温度補償基準電圧は発振器１２の温度測定のための基準として用いることもできる。
【００１７】
タイミング・モジュール１０はマイクロプロセッサ１６を有するコントローラ１５も含む。コントローラは発振器１２に結合して、発振器１２の振動信号１３と温度センサ１４の温度測定値１５とを受ける。またコントローラ１５は全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星１７から主同期信号１９を受けるよう結合する。
【００１８】
コントローラ１５は周波数発生器２２を含む。周波数発生器２２は発振器１２からの周波数出力を受けて修正周波数信号２５を生成する。１つの実施の形態では、周波数発生器２２は周波数逓倍器を含み、発振器１２の周波数出力信号１３に所定の係数（αと呼ぶ）を乗算して修正周波数信号２５を生成する。修正周波数信号を用いて、クロック信号２０を作る合成器１８を駆動する。当業者が理解するように、逓倍器を用いるのは振動する水晶の特性の精度を高めるためである。別の実施の形態では、発振器１２からの公称周波数出力信号１３を修正せずに用いてよい。本発明はこの点について制約されるものではない。周波数を逓倍するかどうかの設計上の選択は、望ましい精度とシステムのコストおよび複雑さとのバランスに基づいて行われる。
【００１９】
「ロックイン」期間中は、修正周波数信号２５は比較器２４内でＧＳＰ衛星１７からの主信号１９とも比較する。比較器２４は、主信号周波数と修正信号周波数との差である誤差信号２７を生成する。誤差信号２７は比例および積分（ＰＩ）コントローラ２６に入る。公知の伝達関数を用いて、ＰＩコントローラ２６は誤差信号２７を濾波する。濾波された誤差信号は端数処理（ｆｒａｃｔｉｏｎ ｈａｎｄｌｅｒ）回路２８に制御信号２９として入る。
【００２０】
端数処理回路２８は制御信号２９の整数部を同期誤差信号３１として合成器１８に渡し、その一方で制御信号２９の端数部を累積する。制御信号２９の端数部の累積和が１を超えると、端数処理回路２８はこれを同期誤差信号３１内の制御信号２９の整数部に結合する。
【００２１】
一例として、５ＭＨｚの公称周波数を有しまた安定な１Ｈｚ信号を出力するよう設計された合成器１８を駆動する水晶発振器１２を考慮して、同期誤差信号３１の目的を示す。この目的を達成する簡単な合成器設計はカウンタを用いる。このカウンタは水晶発振器１２の各振動をカウントし、水晶振動を５百万回カウントする度に「クロック・チック（ｃｌｏｃｋ ｔｉｃｋ）」を出力した後、カウンタをゼロにして次の１秒（すなわち、５百万回）のカウントを開始する。
【００２２】
しかし、水晶発振器１２は固有の不安定さを有するので、同期誤差信号３１を用いて、クロック・チックを出力する前にカウンタが到達した全カウント値を修正する。詳しく述べると、水晶振動周波数が公称周波数より大きいことを同期誤差信号が示すと、これに従ってカウンタ値を増やす。同様に、水晶振動周波数が公称周波数より小さいことを同期誤差信号が示すと、これに従ってカウンタ値を減らす。このプロセスにより１Ｈｚ出力の位相は必然的に水晶振動の周期の整数倍に等しい増分ステップで変化する。誤差信号は水晶振動周期の必ずしも整数倍でない値をとるので、端数処理器２８を用いて残りの端数周期を考慮に入れる。
【００２３】
本発明の別の形態に従って、図２はクロック信号１２０を生成し較正するための好ましいプロセス１００の流れ図を示す。一例として、クロック信号１２０を生成し較正するためのプロセス１００は図１の上に説明した振動回路タイミング・モジュール１０を用いて実現してよく、ここではこれについて説明する。
【００２４】
図１と図２を参照して、プロセス１００はステップ１０１で開始し、発振器１２内で振動周波数信号１３を生成する。ステップ１０２で、振動周波数信号１３を周波数信号発生器２２に送り、所定の係数αを掛けてこれを修正する。一例として、１つの実施の形態における発振器１２の水晶振動周波数は約５ＭＨｚであり、係数αの値は１６である。したがって、周波数信号発生器２２からの修正周波数信号２５の周波数は約８０ＭＨｚである。ステップ１０４で、図１に関して上に説明したように修正周波数信号２５は合成器１８を駆動してタイミング・モジュール１０のクロック信号２０を生成する。
【００２５】
ステップ１０５で、タイミング・モジュール１０はＧＰＳ衛星１７からの主信号／同期信号１９へのアクセスを有するかどうか調べる。タイミング・モジュール１０が主信号１９へのアクセスを有する場合は、タイミング・モジュール１０はロックイン期間で動作中であると称する。タイミング・モジュール１０が主信号１９へのアクセスを失って主信号１９から切り離されている場合は、タイミング・モジュール１０はホールドオーバー期間で動作中であると称する。主信号１９へのアクセスを失う原因は、定常的な回路の切り離しや、悪天候状態や、装置の故障などである。
【００２６】
ステップ１０６で、ロックイン期間中は修正周波数信号２５を主信号１９に同期させる。同期化プロセスでは、まず修正周波数信号２５と主信号１９とを比較器２４内で比較して誤差信号２７を生成する。これは、主信号１９と修正周波数信号２５との位相差である。誤差信号２７をＰＩコントローラ２６に与えると、ＰＩコントローラ２６は誤差信号２７から制御信号２９を生成する。端数処理器２８は制御信号２９を受けて同期誤差信号３１を生成する。同期誤差信号３１は修正周波数信号２５に対して追加または削減する必要のあるサイクル数を決定して、クロック信号２０をＧＰＳ衛星１７からの主同期信号１９に同期させる。
【００２７】
タイミング・モジュール１０が主同期信号１９へのアクセスを失ってホールドオーバー期間に入ると、較正プロセス１１０に入る。ステップ１１２で、コントローラ１５内のマイクロプロセッサ１６は水晶振動周波数に影響を与える物理的係数すなわちパラメータを考慮に入れて、かかる物理的パラメータに関して水晶振動周波数関数を生成する。この関数は物理的パラメータに応じて発振器１２の水晶振動周波数を予測する。
【００２８】
発振器１２の周波数に影響を与える係数すなわちパラメータは、発振器１２内の水晶の寸法と、水晶の温度と、水晶の経年数とを含む。水晶の寸法は水晶をカットしたときに決まる。したがって発振器１２の周波数に影響を与える残りの２つの主な係数すなわちパラメータは水晶の経年数と温度である。経年数効果はドリフト効果とも呼ぶ。
【００２９】
実験によると、ドリフト効果と温度効果は互いに実質的に独立である。したがって、発振器１２の振動周波数ｎは２つのパラメータ（時間ｔと温度Ｔ）の関数として次式で表される。
ｎ（ｔ，Ｔ）＝ｎ０＋φ（ｔ）＋ｆ（Ｔ）                  （１）
ただし、ｎ０は水晶の公称振動周波数、φ（ｔ）とｆ（Ｔ）はそれぞれ水晶の振動周波数に影響を与えるドリフト効果と温度効果の関数表現である。公称周波数ｎ０は一般に水晶のメーカから提供されるもので、好ましくは発振器１２内またはコントローラ１５内の不揮発性メモリ・ユニット（図示しない）（例えば、電気的消去・再書込み可能読取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）ユニット）内に記憶される。
【００３０】
ドリフト関数φ（ｔ）は水晶のドリフト効果すなわち経年数効果を記述する。一般にドリフト関数は時間の対数関数であり、時定数は週単位である。ホールドオーバー期間は一般に分単位または時間単位であり、週単位よりはるかに短い。したがって、適当な経年数係数を持つ１次多項式（すなわち線形関数）によりホールドオーバー期間中のドリフト効果を十分な精度で表すことができる。
【００３１】
温度関数ｆ（Ｔ）は、例えば多項式や、ウエーブレットや、フーリエ級数などの多くの種類の基本関数に関して表すことができる。１つの好ましい実施の形態では多項式を用いて温度関数ｆ（Ｔ）を表し、多項式の次数は水晶モデルと望ましい精度とに依存する。多項式の次数が高いほど精度は高くなるが、それだけ複雑になり、またそれだけ多くのメモリと計算時間が必要になる。１つの実施の形態では温度関数ｆ（Ｔ）を３次多項式で表す。いろいろの種類の水晶発振器で実験した結果、多くの場合３次多項式を用いれば十分な精度で温度関数ｆ（Ｔ）を表すことができることが分かった。
【００３２】
ドリフト効果を線形関数で表しまた温度効果を３次多項式で表すと、水晶振動周波数関数は次式で表される。
ｎ（ｔ，Ｔ）＝ｎ０＋κｔ＋（ＡＴ３＋ＢＴ２＋ＣＴ）＋Ｄ          （２）
ただし、κは経年変化係数、ＡとＢとＣは温度係数、Ｄは水晶発振器１２の振動周波数に対する長期のドリフト効果と温度効果とを表すゼロ次係数である。係数κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの初期値は水晶のメーカから与えられるもので、発振器１２またはコントローラ１５内の不揮発性メモリ・ユニット内に記憶される。
【００３３】
好ましくは、タイミング・モジュール１０が主同期信号１９へのアクセスを有するロックイン期間中は、ステップ１２２で係数κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを連続的に推定し再評価する。この連続的な推定と再評価により係数κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを常に更新して、水晶振動周波数を時間と温度に関して正確に記述することができる。或る好ましい実施の形態では、３２０組の時間と周波数の測定値を取ることにより、２４時間にわたって係数κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを再評価する。精度を高めまたデータを記憶するのに必要なメモリ空間を最小にするため、経年変化係数を再評価する時間の原点を各サイクルの初めに移すことが好ましい。２４時間という期間を選んだ理由は、１昼夜の温度サイクルをカバーするからである。例えば季節的な変動があるので、通常、任意の１昼夜サイクルでは発振回路が動作する全温度範囲をカバーしない。しかし１昼夜の間に評価された温度係数は、一般にその１昼夜の直後のホールドオーバー期間中の振動周波数を予測するのに十分な精度を有する。
【００３４】
一例として、或る好ましい実施の形態では、ステップ１２２で係数κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを回帰により再評価する。例えば、係数κは時間回帰により再評価し、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは温度回帰により再評価してよい。別の実施の形態では、ロックイン周期中は係数κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを多変量回帰プロセスで一括して再評価する。
【００３５】
実験によると水晶は記憶効果を有する。すなわち、或る温度Ｔで温度関数ｆ（Ｔ）は互いにわずかに異なる２つの値（１つは増加温度について、１つは減少温度について）を有してよい。したがって一層高い精度が望まれる１つの実施の形態では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは８つの温度係数Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、Ｃ＋、Ｃ−、Ｄ＋、Ｄ−に関して次式で表される。
Ａ＝Ａ−＋θ（Ｔ−Ｔｐ）（Ａ＋−Ａ−）
Ｂ＝Ｂ−＋θ（Ｔ−Ｔｐ）（Ｂ＋−Ｂ−）                          （３）
Ｃ＝Ｃ−＋θ（Ｔ−Ｔｐ）（Ｃ＋−Ｃ−）
Ｄ＝Ｄ−＋θ（Ｔ−Ｔｐ）（Ｄ＋−Ｄ−）
ただし、Ｔｐは温度Ｔを検出したときより或る時間前の時刻における水晶の温度である。実際には、Ｔｐは単に温度関数ｆ（Ｔ）を計算するために温度Ｔを検出したときより１つ前の測定温度でよい。θは次式で定義されるステップ関数である。
2004516740.tif 000003
【００３６】
前に説明した実施の形態における係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと同様に、係数Ａ±、Ｂ±、Ｃ±、Ｄ±は最初に水晶発振器メーカから与えられ、発振器１２またはコントローラ１５内のメモリに記憶される。これをロックイン期間中にステップ１２２で再評価する。より高い精度が望ましい場合は、係数Ａ±、Ｂ±、Ｃ±、Ｄ±の代わり係数の配列Ａｉ±、Ｂｉ±、Ｃｉ±、Ｄｉ±を用いてよい。配列内の各要素は特定の温度範囲をカバーする。
【００３７】
経年変化係数κと温度係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとを計算すると、式（２）に示す水晶振動周波数関数により水晶振動周波数を決定することができる。
【００３８】
タイミング・モジュール１０がホールドオーバー期間中に動作するとき、マイクロプロセッサ１６内のホールドオーバー・アルゴリズムはコントローラ信号２９を端数処理器２８に与える。詳しく述べると、ステップ１１２でホールドオーバー・アルゴリズムは式（２）を用いて発振器の現在の周波数（必要であれば逓倍した）２５を計算する。ステップ１１４で、マイクロプロセッサ１６は次式で振動周波数誤差信号を計算する。
α（ｎ（ｔ，Ｔ）−ｎ０）＝α［κｔ＋（ＡＴ３＋ＢＴ２＋ＣＴ）＋Ｄ］（６）
【００３９】
誤差信号は端数処理器２８に制御信号として送られる。ステップ１１５で、端数処理器２８はこの制御信号に応じて同期誤差信号３１（較正信号とも呼ぶ）を生成する。ステップ１１８で、較正信号を合成器１８に送ってタイミング・モジュール１０を較正する。ホールドオーバー期間中の端数処理器２８と合成器１８の動作はロックイン期間中の動作と同じであるが、異なる点は、ホールドオーバー期間中はマイクロプロセッサ１６が振動周波数関数ｎ（ｔ，Ｔ）を用いて制御信号を生成するが、ロックイン期間中は比較器２４とＰＩコントローラ２６とがＧＰＳ衛星からの主同期信号１９を用いて制御信号を生成することである。
【００４０】
タイミング・モジュール１０が再び主信号へのアクセスを得るとホールドオーバー期間は終了する。タイミング・モジュール１０は再びロックイン期間で動作する。ステップ１０６で、クロック信号２０を再び主信号に同期させる。更にステップ１２２で、ロックイン期間中に水晶振動周波数関数ｎ（ｔ，Ｔ）内のドリフト係数と温度係数を推定し再評価する。したがって、次のホールドオーバー期間中は、更新された水晶振動周波数関数ｎ（ｔ，Ｔ）を用いてタイミング・モジュール１０のクロック信号を較正する。
【００４１】
当業者が理解するように、上に説明したクロック信号を生成してそのクロック信号を較正するプロセス１００により、タイミング・モジュール１０が外部の同期信号から切り離されたホールドオーバー期間中にタイミング・モジュール１０のクロック信号を実質的に他の回路のクロック信号に同期させることができる。１つの実施の形態では、プロセス１００により、無線通信網内の基地局がＰＳＴＮまたはＧＰＳ衛星の主信号との接触を失うホールドオーバー期間中に基地局は実質的に他の基地局との同期を保つことができる。
【００４２】
これまでの説明から理解されるように、振動するクロック信号を生成し較正する発振回路と方法を開示し説明した。この発振回路は水晶発振器を用いてクロック信号を生成する。回路が主信号へのアクセスを有するロックイン期間中は、クロック信号を主同期信号に同期させることができる。回路が主信号へのアクセスを失うホールドオーバー期間中は、較正プロセスによりクロック信号を他の回路（例えば、無線通信網内の基地局）のクロック信号に実質的に同期させる。
【００４３】
較正プロセスは、水晶振動周波数に影響を与える温度や時間などの物理的条件を考慮に入れた水晶振動周波数関数に基づく。更に、較正プロセスは水晶振動周波数関数を連続的に更新し再評価する。したがって、較正プロセスは信頼性が高くまた正確である。水晶振動周波数関数を多項式の形にすることにより較正プロセスは簡単になり、メモリ空間は効率的になる。較正プロセスのサイクルの追加とサイクルの削除は、ロックイン期間中に回路のクロック信号を主同期信号に同期させるための既存の回路を用いて行うことができるので、較正プロセスを簡単に実現しまた回路の複雑さを最小にすることができる。
【００４４】
本発明の特定の実施の形態について上に説明したが、これはその範囲を制限するものではなく、ここに説明した新規な形態から逸れずに上述の実施の形態を修正し変更できることは当業者に明らかである。
【００４５】
例えば、発振器の温度の検出は上記以外の方法を用いて行うことができる。また、水晶振動周波数関数の依存は時間と温度に限定されない。例えば、回路を高重力（ｇ）環境で動作させる場合は、この関数は測度ｇに依存してよい。またこの関数は、水晶振動周波数に影響を与える可能性のある大気圧や背景電磁界などの他の物理的条件に依存してもよい。
【００４６】
また経年変化関数は時間の線形関数に限定されない。望ましい精度に従って、経年変化関数は高次の多項式でもよいし、または種々のタイプの基準関数を用いて経年変化関数を表してもよい。例えばウエーブレット関数は経年変化関数のモデル化に適しているが、システム設計が複雑になる可能性がある。同様に、温度関数は多項式に限定されない。他の変換関数や、また統計的データに基づく直交基準でも、本発明の範囲内で用いて温度関数または経年変化関数を表してよい。本発明にとって重要なことは、発振器クロック信号を合成する際に、水晶振動に影響を与える要因を考慮することであって、それを行うのに用いる特定の方法ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の或る形態に係る、或る好ましい振動回路のブロック図である。
【図２】
本発明の別の形態に係る、クロック信号を較正する或る好ましいプロセスの流れ図である。
【図１】
2004516740.tif 000004
【図２】
2004516740.tif 000005
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年7月22日(2002.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動クロック回路であって、
水晶振動信号を生成する水晶発振器を有し、
前記水晶振動信号を受けるよう結合されたコントローラを有し、該コントローラは、前記水晶振動信号から修正周波数信号を生成し、更に同期信号を受けるよう結合され、前記修正周波数信号を前記同期信号との比較に基づいて第１の較正信号を生成し、更に前記水晶発振器の物理的パラメータに応じて前記水晶振動信号の周波数の予測に基づいて第２の較正信号を生成し、
前記修正周波数信号と前記コントローラからの較正信号とを受けるよう結合された合成器を有し、該合成器は、前記修正周波数信号に応じてクロック信号を生成しかつ前記較正信号に応じて前記クロック信号を調整する、ことを備える振動クロック回路。
【請求項２】
前記コントローラは前記同期信号へのアクセスを失うとこれに応じて前記第２の較正信号を生成する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項３】
前記水晶発振器の物理的パラメータは経年数である、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項４】
前記水晶発振器の物理的パラメータは温度である、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項５】
前記コントローラは前記修正周波数信号と前記同期信号とを受けるよう結合する比較器を有し、前記比較器は前記修正周波数信号と前記同期信号とを比較して誤差信号を生成し、前記第１の較正信号は前記誤差信号に基づく、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項６】
前記コントローラは前記修正周波数信号を生成する周波数信号発生器を有する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項７】
前記周波数信号発生器は周波数逓増器を含む、請求項６記載の振動クロック回路。
【請求項８】
前記コントローラは前記水晶振動信号の周波数を前記水晶発振器の温度の関数として予測する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項９】
前記コントローラは前記水晶振動信号の周波数を前記水晶発振器の経年数の関数として予測する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項１０】
前記コントローラは前記水晶振動信号の周波数を前記水晶発振器の温度と経年数の関数として予測する、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項１１】
無線通信網の基地局内のクロック信号を較正する方法であって、
前記基地局内の水晶発振器を用いて振動信号を生成し、
前記振動信号の周波数に所定の係数を乗算して修正周波数信号を生成し、
全地球測位システム衛星から主同期信号を受け、
前記修正周波数信号を前記主同期信号に同期させて前記クロック信号を生成し、
前記基地局が前記主同期信号へのアクセスを失うホールドオーバー期間中は前記水晶発振器の物理的パラメータに関して前記水晶発振器の予測発振周波数を生成し、
前記ホールドオーバー期間中は前記予測振動周波数と標準周波数とを比較して較正信号を生成し、
前記ホールドオーバー期間中は前記較正信号に応じて前記修正周波数信号を調整して前記クロック信号を生成する、ことを備える方法。
【請求項１２】
前記水晶発振器の予測振動周波数を生成するステップは、
温度関数を生成し、
前記水晶発振器の温度を検出し、
前記温度関数に従って温度に関して前記予測振動周波数を生成する、ことを含む、請求項１１記載のクロック信号を較正する方法。
【請求項１３】
温度関数を生成する前記ステップは、
複数の温度係数を与える、
前記複数の温度係数に関して温度の多項式を生成する、ステップを含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
複数の温度係数を与える前記ステップは第１の集合の温度係数と第２の集合の温度係数とを与え、
前記温度の多項式を生成する前記ステップは、増加温度に応じて前記第１の集合の温度係数を用いかつ減少温度に応じて前記第２の集合の温度係数を用いる、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
複数の温度係数を与える前記ステップは、
前記複数の温度係数の複数の初期値をメモリ・ユニット内に記憶し、
前記主同期信号へのアクセスのある前記基地局に応じて２４時間にわたって前記複数の温度係数を再評価する、ことを含む請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記水晶発振器の前記予測振動周波数を生成するステップは、
時間に関してドリフト関数を生成し、
前記温度関数とドリフト関数との和に従って温度と時間に関して前記予測振動周波数を生成することを含む請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
一群の動作から選択された１つの動作を実行することを含む前記クロック信号を生成するステップは、
前記修正周波数信号に少なくとも１サイクル追加して前記クロック信号を生成し、
前記修正周波数信号から少なくとも１サイクル削除して前記クロック信号を生成し、
前記修正周波数信号を前記クロック信号として送る、ことを含む請求項１１記載のクロック信号を較正する方法。
【請求項１８】
前記振動クロック回路は無線通信網基地局内の基地局タイミング回路を含み、また更に前記同期信号は前記基地局で受ける網タイミング信号である、請求項１記載の振動クロック回路。
【請求項１９】
前記網タイミング信号は全地球測位衛星（ＧＰＳ）タイミング信号である、請求項１８記載の振動クロック回路。
【請求項２０】
前記振動クロック回路は前記修正周波数信号と網タイミング信号との誤差に基づいて第１の較正信号を生成する、請求項１８記載の振動クロック回路。
【請求項２１】
前記振動クロック回路は前記水晶振動信号の周波数を予測する振動周波数関数に基づいて第２の較正信号を生成する、請求項１８記載の振動クロック回路。
【請求項２２】
クロック信号を生成する方法であって、
第１の周波数信号を生成し、
第１のモードにおける第１の周波数信号内の測定誤差と第２のモードにおける予測誤差とを補償する制御信号に応じて第１の周波数信号から前記クロック信号を取得し、
前記第１の周波数信号と周波数基準である同期信号との比較に基づいて前記第１のモードで制御信号を生成し、
振動周波数関数に基づいて前記第２のモードで制御信号を生成する、
ことを備えた方法。
【請求項２３】
前記クロック信号は無線通信網基地局内で生成されるタイミング信号を含み、また更に前記同期信号は前記基地局が受ける網タイミング信号を含む、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記網タイミング信号は全地球測位衛星（ＧＰＳ）タイミング信号を含む、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記網タイミング信号が利用可能かどうかは、前記網タイミング信号が利用可能な場合は前記第１のモードで前記クロック信号を生成し、前記網タイミング信号が利用不可能な場合は前記第２のモードで前記クロック信号を生成する、というようにして前記第１のモードと第２のモードの動作を決定する、請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
更に、前記第１のモードで動作中に前記第１の周波数信号と前記同期信号との比較に基づいて前記発振器周波数関数を定義する１つ以上の記憶されたパラメータを更新することを含む、請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の動作モード中に前記発振器周波数関数の前記１つ以上の記憶されたパラメータを更新することは、前記第１のモードで観測された周波数誤差に基づいて前記１つ以上の記憶されたパラメータを更新して前記第２のモードで動作中に前記予測誤差の精度を改善することを含む、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記１つ以上の記憶されたパラメータは水晶振動周波数変化を１つ以上の物理的パラメータの関数として定義し、また振動周波数関数に基づいて前記第２のモードで制御信号を生成することは、
物理的パラメータを測定し、
前記測定された物理的パラメータに基づいて前記振動周波数関数を評価する、
ことを含む、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
第１の周波数信号を生成することは、
水晶発振器信号を生成し、
前記水晶発振器信号を逓倍して第１の周波数信号を生成する、
ことを含む、請求項２２記載の方法。
【請求項３０】
前記第１のモードで前記第１の周波数信号内の測定された誤差を補償する制御信号に応じて前記第１の周波数信号から前記クロック信号を取得することは、
前記第１の周波数信号と前記同期信号とを比較して誤差信号を生成し、
前記誤差信号を濾波して制御信号を生成し、
前記制御信号に応じて周波数合成器制御信号を生成し、
前記周波数合成器制御信号に応じて前記第１の周波数信号に対してクロック・サイクルを追加または削除する周波数合成器内で前記クロック信号を生成する、
ことを含む、請求項２２記載の方法。
【請求項３１】
前記第２のモードで予測誤差を補償する制御信号に応じて前記第１の周波数信号から前記クロック信号を取得することは、
前記制御信号を予測誤差信号として生成し、
前記予測誤差信号に応じて前記周波数合成器制御信号を生成し、
前記周波数合成器制御信号に応じて前記周波数合成器内で前記クロック信号を生成する、
ことを含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記制御信号を予測誤差信号として生成することは、発振器周波数関数に基づいてマイクロプロセッサ内で予測誤差信号を生成することを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
更に、水晶発振器が生成する水晶振動信号に基づいて第１の周波数信号を生成することを含み、また前記発振器周波数関数は前記水晶発振器の振動周波数に影響を与える１つ以上のパラメータに対応する１つ以上のパラメータ値に依存する、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
更に、前記水晶発振器の振動周波数に影響を与える１つ以上のパラメータを測定することと、前記発振器周波数関数の対応するパラメータ値を更新することとを含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記発振器周波数関数は温度パラメータ値に基づき、また１つ以上のパラメータを測定することは前記水晶発振器に関連する温度を測定して前記温度パラメータ値を更新することを含む、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
更に、前記第１のモードで動作中に前記第１の周波数信号と前記同期信号との比較から決まる周波数誤差の観察に基づいて前記発振器周波数関数を訂正して、前記第２のモードで動作中に誤差予測性能を改善することを含む、請求項２２記載の方法。
【請求項３７】
前記発振器周波数関数を訂正することは、前記第２のモードで動作中に周波数誤差を予測するのに用いる１つ以上の記憶されたパラメータ値を更新することを含む、請求項３６記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
タイミング・モジュール１０はマイクロプロセッサ１６を有するコントローラ１５も含む。コントローラは発振器１２に結合して、発振器１２の振動信号１３と温度センサ１４の温度測定値１１とを受ける。またコントローラ１５は全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星１７から主同期信号１９を受けるよう結合する。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明の別の形態に従って、図２はクロック信号２０を生成し較正するための好ましいプロセス１００の流れ図を示す。一例として、クロック信号２０を生成し較正するためのプロセス１００は図１の上に説明した振動回路タイミング・モジュール１０を用いて実現してよく、ここではこれについて説明する。


【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004516740.tif 000039
【図２】
2004516740.tif 000040
【国際調査報告】
2004516740.tif 000041
2004516740.tif 000042