(57)【要約】【課題】相互に離れた二つの時間信号比較のための従来技術では中間発振器を用いるため、発振器Ａと発振器Ｂの周波数差を求めるためには二つの離れた場所で得られた観測データを、一度比較装置に集めて、処理する必要があった。そのため、即時性や簡便性が求められる場面では要求を十分に満たしていなかった。【解決手段】公衆回線網を利用して中間発振器を用いることなく、一の発振器の時間標準信号を、公衆回線網経由で、直接比較装置に送信し、比較装置内で他の発振器の時間標準信号を発生させて二つを直接比較して時間差を測定する。【選択図】図１
2016163194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
公衆回線網を利用する時間信号比較システムであって、
第１の電話端末と第２の電話端末と、
第１の場所に設置した第１の発振器と第１の周波数合成器を備えた時間標準信号送信装置と、
第２の場所に設置した第２の発振器、第２の周波数合成器、音声レベル安定化装置と時間差測定器を備えた時間標準信号受信比較装置を備え、
該時間標準信号送信装置において、
第１の発振器が生成した第１の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は第１の周波数合成器で位相同期した音声帯域(低域側を含む)の第１の時間標準信号(正弦波)に変換されて第１の電話端末を介して公衆回線網へ送信されると、
該時間標準信号受信比較装置において、
該公衆回線網に送信された第１の時間標準信号は第２の電話端末を介して受信されて該音声レベル安定化装置で矩形波信号に変換され、
第２の発振器が生成した第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は第２の周波数合成器で位相同期した該音声帯域の該第１の時間標準信号(正弦波)に変換され、
該時間差測定器において、該矩形波信号と第２の周波数合成器から生成された第１の時間標準信号(正弦波)について算出された時間差により時間標準信号送信装置の第１の発振器が生成した第１の非音声帯域の時間標準信号と時間標準信号受信比較装置の第２の発振器が生成した第２の非音声帯域の時間標準信号の時間差を測定することを特徴とする公衆回線網を利用する時間信号比較システム。
【請求項２】
前記時間差測定器は、第１の入力部に接続された第１のＡＤコンバータ、第２の入力部に接続された第２のＡＤコンバータと演算部を備え、
第１のＡＤコンバータで第１の入力部に入力された該矩形波信号は第１のデジタル信号データに変換され、
第２のＡＤコンバータで第２の入力部に入力された第２の時間標準信号は第２のデジタル信号データに変換され、
演算部において、第１と第２のデジタル信号データに基づいて、時間差を算出することを特徴とする請求項１に記載の公衆回線網を利用する時間信号比較システム。
【請求項３】
公衆回線網を利用する時間信号比較システムにおいて、
第１の発振器と第１の周波数合成器を備えた時間標準信号送信装置であって、
第１の発振器が生成した第１の非音声帯域(高域側)の時間標準信号を第１の周波数合成器で位相同期した一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)に変換して第一の電話端末を介して公衆回線網へ送信することを特徴とする時間標準信号送信装置。
【請求項４】
公衆回線網を利用する時間信号比較システムにおいて、
第２の発振器、第２の周波数合成器、音声レベル安定化装置と時間差測定器を備えた時間信号比較のための時間標準信号受信比較装置であって、
前記時間標準信号送信装置が前記公衆回線網へ第１の電話端末を介して送信した前記一の音声帯域の第１の時間標準信号を前記公衆回線網から第２の電話端末を介して受信して該音声レベル安定化装置で矩形波信号に変換し、
第２の発振器が生成した第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号を第２の周波数合成器で位相同期した前記一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)に変換し、
該時間差測定器において、該矩形波信号と第２の周波数合成器から生成された第１の時間標準信号(正弦波)について算出された時間差により前記送信機が送信した第１の非音声帯域の時間標準信号と第２の発振器が生成した第２の非音声帯域の時間標準信号の時間差を測定することを特徴とする時間信号比較のための時間標準信号受信比較装置。
【請求項５】
第１および第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は共に10MHｚであり、
第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の公衆回線網を利用する時間信号比較システム。
【請求項６】
第１の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は10MHｚであり、
前記一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする請求項３に記載の時間信号比較のための時間標準信号送信装置。
【請求項７】
第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は10MHｚであり、
前記一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする請求項４に記載の時間信号比較のための時間標準信号受信比較装置。
【請求項８】
請求項３に記載の時間標準信号送信装置と請求項４に記載の時間標準信号受信比較装置とからなり、同一の発振器を共有することを特徴とする時間標準信号比較装置。
【請求項９】
第１および第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は共に10MHｚであり、
第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする請求項８に記載の時間標準信号比較装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間標準信号を比較して時間差を測定するための時間・周波数標準技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
お互いに離れて存在する２台の発振器間の時間信号の比較は、現在では全地球測位網(ＧＰＳ)を用いて行われるのが主流となっている(図２)。
【０００３】
まず、発振器ＡとＧＰＳに搭載されている中間発振器の時間差が算出される。
【０００４】
次に、離れた場所で発振器ＢとＧＰＳ中間発振器の時間差が算出される。
【０００５】
そして、それら二つの時間情報の差分を取ることで、発振器Ａと発振器Ｂの時間差を導く。
【０００６】
同様な方法に、光通信ネットワークの従属同期通信網に組み込まれている原子発振器を中間発振器とし、それぞれ遠隔地に存在する発振器の時間差を導く手法も提案されている(特許文献１)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５０５０２６０号公報
【特許文献２】特許第４５０１０７２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. Yanagimachi, K. Hagimoto, T. Ikegami, “Analysis of truncation error for dual-mixer time-difference measurement system using Discrete Fourier Transformation”, Jpn. J. Appl. Phys., 52 (2013) 036601
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の技術では中間発振器を用いるため、発振器Ａと発振器Ｂの周波数差を求めるためには二つの離れた場所で得られた観測データを、一度比較装置に集めて、処理する必要があった。
そのため、即時性や簡便性が求められる場面では要求を十分に満たしていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本提案では、ＧＰＳに代わって公衆回線網を利用して中間発振器を用いることなく、一の発振器の時間標準信号を、公衆回線網経由で、直接比較装置に送信し、比較装置内で他の発振器の時間標準信号を発生させて二つを比較する。
そのため、離れた２箇所の観測データを事後処理的に一か所に集めて処理する必要が無く、一の発振器の時間標準信号を受信する１箇所の比較装置で即時的に２台の発振器の時間標準信号を比較し、周波数差を決定することができる。
本発明は、以下に述べる時間信号比較システム、時間標準信号送信装置、時間標準信号受信比較装置、および時間標準信号比較装置を提供できる。
【００１１】
（１）
公衆回線網を利用する時間信号比較システムであって、
第１の電話端末と第２の電話端末と、
第１の場所に設置した第１の発振器と第１の周波数合成器を備えた時間標準信号送信装置と、
第２の場所に設置した第２の発振器、第２の周波数合成器、音声レベル安定化装置と時間差測定器を備えた時間標準信号受信比較装置を備え、
該時間標準信号送信装置において、
第１の発振器が生成した第１の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は第１の周波数合成器で位相同期した音声帯域(低域側を含む)の第１の時間標準信号(正弦波)に変換されて第１の電話端末を介して公衆回線網へ送信されると、
該時間標準信号受信比較装置において、時間標準信号送信装置、時間標準信号受信比較装置、時間標準信号比較装置を提供できる。
該公衆回線網に送信された第１の時間標準信号は第２の電話端末を介して受信されて該音声レベル安定化装置で矩形波信号に変換され、
第２の発振器が生成した第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は第２の周波数合成器で位相同期した該音声帯域の該第１の時間標準信号(正弦波)に変換され、
該時間差測定器において、該矩形波信号と第２の周波数合成器から生成された第１の時間標準信号(正弦波)について算出された時間差により時間標準信号送信装置の第１の発振器が生成した第１の非音声帯域の時間標準信号と時間標準信号受信比較装置の第２の発振器が生成した第２の非音声帯域の時間標準信号の時間差を測定することを特徴とする公衆回線網を利用する時間信号比較システム。
【００１２】
（２）
前記時間差測定器は、第１の入力部に接続された第１のＡＤコンバータ、第２の入力部に接続された第２のＡＤコンバータと演算部を備え、
第１のＡＤコンバータで第１の入力部に入力された該矩形波信号は第１のデジタル信号データに変換され、
第２のＡＤコンバータで第２の入力部に入力された第２の時間標準信号は第２のデジタル信号データに変換され、
演算部において、第１と第２のデジタル信号データに基づいて、時間差を算出することを特徴とする(１)に記載の公衆回線網を利用する時間信号比較システム。
【００１３】
（３）
公衆回線網を利用する時間信号比較システムにおいて、
第１の発振器と第１の周波数合成器を備えた時間標準信号送信装置であって、
第１の発振器が生成した第１の非音声帯域(高域側)の時間標準信号を第１の周波数合成器で位相同期した一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)に変換して第一の電話端末を介して公衆回線網へ送信することを特徴とする時間標準信号送信装置。
【００１４】
（４）
公衆回線網を利用する時間信号比較システムにおいて、
第２の発振器、第２の周波数合成器、音声レベル安定化装置と時間差測定器を備えた時間信号比較のための時間標準信号受信比較装置であって、
前記時間標準信号送信装置が前記公衆回線網へ第１の電話端末を介して送信した前記一の音声帯域の第１の時間標準信号を前記公衆回線網から第２の電話端末を介して受信して該音声レベル安定化装置で矩形波信号に変換し、
第２の発振器が生成した第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号を第２の周波数合成器で位相同期した前記一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)に変換し、
該時間差測定器において、該矩形波信号と第２の周波数合成器から生成された第１の時間標準信号(正弦波)について算出された時間差により前記送信機が送信した第１の非音声帯域の時間標準信号と第２の発振器が生成した第２の非音声帯域の時間標準信号の時間差を測定することを特徴とする時間信号比較のための時間標準信号受信比較装置。
【００１５】
（５）
第１および第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は共に10MHｚであり、
第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする(１)または(２)のいずれかに記載の公衆回線網を利用する時間信号比較システム。
【００１６】
（６）
第１の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は10MHｚであり、
前記一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする(３)に記載の時間信号比較のための時間標準信号送信装置。
【００１７】
（７）
第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は10MHｚであり、
前記一の音声帯域の第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする(４)に記載の時間信号比較のための時間標準信号受信比較装置。
【００１８】
（８）
(３)に記載の時間標準信号送信装置と(４)に記載の時間標準信号受信比較装置とからなり、同一の発振器を共有することを特徴とする時間標準信号比較装置。
（９）
第１および第２の非音声帯域(高域側)の時間標準信号は共に10MHｚであり、
第１の時間標準信号(正弦波)は200Hｚであることを特徴とする(８)に記載の時間標準信号比較装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、公衆回線網を利用して、ＧＰＳを利用した時間標準比較方法より簡単なシステムで、時間標準信号の比較装置への直接送信を実現した。
そのため即時性や、簡易性に優れたシステムが実現できた。
また、本発明の時間標準信号送信装置と時間標準信号受信比較装置を同一筐体に収めて、一の発振器を有する時間標準信号比較装置とすれば(図１(ｂ))、同一場所で送受信が行われるので、固定されたセンターを設置することなく、時間標準信号比較のための星型ネットワークを簡易に構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１(ａ)は、本発明の全体構成図。図１(ｂ)は、時間標準信号比較装置の構成図。
【図２】ＧＰＳ衛星を用いた時間標準信号比較システム。
【図３】音声信号レベル安定化装置。
【図４】時間差測定器構成図。
【図５】演算部でのデータ処理方法(１)。
【図６】演算部でのデータ処理方法(２)。
【図７】入力Ａ、入力ＢでＡＤ変換された信号。
【図８】発振器Ａと発振器Ｂが位相同期されている場合の実施例；(ａ)約8000秒に渡る２台の時間標準信号の時間差測定。(ｂ)(ａ)のデータから得られたアラン標準偏差。観測時間における周波数分解能を示す。
【図９】発振器Ａと発振器Ｂに周波数差がある場合の実施例；(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)それぞれ一秒の時間経過ごとに、(ａ)5x10-4s、(ｂ)5 x10-5s、(ｃ)5 x10-6s、(ｄ)5 x10-7sの時間差が発生するように発振器間の周波数差が調整されている。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１(ａ)に本発明の全体構成を示した。
本発明の時間標準信号送信装置と時間標準信号受信比較装置の、主な技術要素を構成する周波数合成器、音声レベル安定化装置、および時間差測定器について説明する。
本発明で使用される周波数合成器は、一般的に時間標準信号に用いられる。例えば10MHzの正弦波を約200Hzから3000Hzの周波数をもった正弦波に変換する機能、および、その正弦波を電話端末に送信しおよび時間差測定器に出力し得る機能を持つ。
送信・出力機能は、スピーカーを用いてもよいし、変換信号を直接接続し出力してもよい。
正弦波の変換は位相同期を保ちつつ行われる。
【００２２】
本発明で使用する音声レベル安定化装置は公衆回線を通過してきた発振器Ａの時間標準信号を電話端末から受信し、その振幅レベルの変動が、発振器Ｂの時間標準信号に対する時間差測定を乱さない目的で実装される。
受信機能はマイクを用いてもよいし、電話端末出力信号を直接接続して受信してもよい。
電話端末は、送話機能と受話機能とを備えた固定電話および携帯電話、或はモデムなどが搭載されたパソコン等により、公衆回線網にアクセスし特定のアドレス或は電話番号に音声帯域信号および低域側を送信・受信する機能を備えていればよい。
【００２３】
また、本発明で使用される時間差測定器では２つの同時サンプリングアナログ-デジタル変換器(ＡＤコンバータ)が用いられる。
演算には離散的フーリエ変換(ＤＦＴ)が利用される。(特許文献１、非特許文献１参照)。
【００２４】
図１(ａ)、図３および図４を用いてまず時間差測定の全体的な処理の流れを説明する。
電話端末として携帯電話端末とその送話機能と受話機能とを用いた。
【００２５】
図１(ａ)に示したように、最初に、発振器Ａから、例えば、周波数10MHzの時間標準信号が出力され、周波数合成器Ａにより位相同期した200Hz(=f0)の時間標準信号が生成される。
当該時間標準信号(上の例では200Hz(=f0))は一般的に公衆回線網で使用される公称電話音声帯域またはその低域側の周波数を利用する。
電話音声帯域の高域側は、周波数が急峻に減衰するのに比べ、低域側はなだらかに減衰しているからである。
これが、携帯電話端末１の送話機能を用い音声回線を通じ、携帯電話端末Ｂへ伝送される。
【００２６】
次に、携帯電話端末Ｂの受話機能を用い音声回線から取り出された信号は音声レベル安定化装置へ入力される(図３)。
携帯電話回線端末は音声レベルが不安定であり、次に行われる時間差測定への影響を避けるためである。
音声レベル安定化装置では増幅率を1000倍とした。
音声レベル安定化装置からはクリップされた矩形波信号が出力される。
【００２７】
時間差測定器の入力Ａにはその矩形波の信号が入力される(図４)。
時間差測定器の入力Ｂには発振器Ｂの時間標準信号から合成された正弦波が入力される。
この信号は周波数合成器Ａにより生成された発振器Ａの時間標準信号に位相同期した200Hz(=f0)の時間標準信号と同一の200Hzの周波数をもち、発振器Ｂの時間標準信号に位相同期している。
【００２８】
これら２つの信号が２個の同時サンプリングＡＤコンバータＡ、及びＢによりＡＤ変換され、演算部において時間差算出のために演算処理されて時間差が測定される。
【実施例１】
【００２９】
次に演算部における時間差測定のための演算処理について詳説する。
本実施例では、図５に示したように、データの取得に0.8s(=Tmeas)、演算のために0.2s(=TProc)が割り当てられ、それを１シークエンスとし、連続測定が1s(=TRep= Tmeas+ TProc)ごとに実行される。
【００３０】
これは、実験的な制約によるもので、データの取得と演算が順次実行され、演算がTmeasに影響を与えないようにした。
十分な並列演算能力を有していれば、データの取得に１sを充てて取得したデータ演算は同時的に並列処理または後処理的に遅延処理としてもよい。
【００３１】
入力信号ＡをIA(m, j×T/n)、入力信号ＢをIB(m, j×T/n)と表現する。
離散的フーリエ変換が適用され、複素振幅スペクトルPA(m,k)、PB(m,k)は次の(１)、(２)式により計算される。
【００３２】
【数１】
2016163194.tif 000003
【００３３】
【数２】
2016163194.tif 000004
【００３４】
ここで、ｍはＤＦＴが適用される回数、ｎはサンプリング数、Ｔはサンプリング長、ｋはＤＦＴの次数、ｉは虚数単位を示す。
本実施例はｎ=50、Ｔ=5 ms、ｋ=1で行われた。
【００３５】
入力信号Ａ、Ｂの位相θA(m)、θB(m)は、Ｉｍを虚数部、Ｒｅを実数部として、
【００３６】
【数３】
2016163194.tif 000005
【００３７】
【数４】
2016163194.tif 000006
【００３８】
に基づき、１シークエンス中で160回計算される。
160個のデータを基にヒストグラムを形成する(図６)。
【００３９】
２つの入力信号について最大頻出値mode(θA(m))、mode(θB(m))を算出する。
時間差Δｘlは、
【００４０】
【数５】
2016163194.tif 000007
【００４１】
により計算される。
さらに、周波数差Δｙl+1は順次求められた時間差を参照して
【００４２】
【数６】
2016163194.tif 000008
【００４３】
により算出される。
ここで、ｌは繰り返されるシークエンスの回数を示す指標である。
【００４４】
図７は実際にＡＤ変換された入力信号Ａ、Ｂを示す。
【００４５】
図８は発振器Ａと発振器Ｂが位相同期している場合の時間差測定、及びその測定結果から算出されたアラン標準偏差を示す。
これは、本文書で提案された測定系により周波数偏差を検出するときの測定限界を示す。
平均時間１秒で分解能10-4以下、また、平均時間1000秒で分解能10-7以下が得られた。
【００４６】
時間差測定の最長時間は電話会社により制限されており、8000秒を過ぎたあたりで、強制的に遮断される。
【実施例２】
【００４７】
図９に、発振器Ａと発振器Ｂに周波数偏差がある場合の実施例を示した。
それぞれ、(ａ)5×10-4、(ｂ)5×10-5、(ｃ)5×10-6、(ｄ)5×10-7の周波数偏差が与えられた。
【００４８】
図９において、経過時間が大きいほど、観測される時間差が比例関係で大きくなり、その比例係数は周波数偏差に関連していることが実験結果から読み取れる。
【００４９】
これらのグラフの傾きから２台の発振器の周波数偏差を決定することができる。
傾きは、最小二乗法により、(ａ)4.9998×10-4(±1.4×10-8)、(ｂ)5.001×10-5(±1.1×10-8)、(ｃ)4.97×10-6(±1.1×10-8)、(ｄ)4.5×10-7(±1.0×10-8)と求められた。
【００５０】
実施例１で得られた観測時間1000秒での周波数偏差検出分解能が、10-7程度の事実と矛盾せず、図９(ａ)から(ｄ)の実験結果は、予測された周波数偏差が観測できたことを示す。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明により、簡単に時間標準信号比較システムが実装できるので、人・設備のコスト面で優れており、既存装置の代替、或は新規需要が見込まれる。
【００５２】
例えば、ＪＣＳＳ認定事業者の行う現行のリーク量の絶対一次校正ではコストと即時性に問題があり実現できなかったその時間特性について、本発明を用いれば、ＳＩトレーサブルにし得る。
【００５３】
さらに、本発明はリーク量だけではなく、流量、放射線、粘土標準の時間特性にも同様の需要が見込まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１    発振器Ａ
２    周波数合成器Ａ
３    携帯電話端末１
４    携帯電話端末２
５    音声レベル安定化装置
６    発振器Ｂ
７    周波数合成器Ｂ
８    時間差測定器
９    公衆回線網
１０    時間標準信号送信装置
１１    時間標準信号受信比較装置
１２    時間標準信号比較装置
１３    マイクおよび接続
１４    スピーカーおよび接続
１５    発振器
１６    周波数合成器
【図１】
2016163194.tif 000009
【図２】
2016163194.tif 000010
【図３】
2016163194.tif 000011
【図４】
2016163194.tif 000012
【図５】
2016163194.tif 000013
【図６】
2016163194.tif 000014
【図７】
2016163194.tif 000015
【図８】
2016163194.tif 000016
【図９】
2016163194.tif 000017