(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期パルスを生成する装置であって、
周波数制御信号を電圧入力信号に変換するＤ／Ａコンバータと、
前記電圧入力信号によって制御されており、周波数出力信号を生成する電圧制御発振器と、
前記周波数出力信号のサイクル数をカウントして、そのカウント数がプリロードカウント数に達する度にパルスを生成することで、前記周期パルスを提供するプログラマブル・カウンタと、
前記周波数制御信号の調整と、前記プリロードカウント数の設定を行うプロセッサを備えており、
前記プロセッサが、前記周波数出力信号の周波数測定値を取得し、
前記プロセッサが、前記周期パルスの周波数を整数倍した周波数のうち前記周波数測定値に近いものと前記周波数測定値の間の周波数誤差に基づいて、前記周波数制御信号を調整し、
前記プロセッサが、前記周期パルスの周期と前記周波数測定値に基づいて整数サイクル数を算出して、前記整数サイクル数を前記プリロードカウント数として設定する、周期パルス生成装置。
【請求項２】
前記電圧制御発振器がＧＰＳ受信器の局部発振器として用いられており、
前記プロセッサが、前記ＧＰＳ受信機のナビゲーション解に基づいて、前記周波数測定値を取得する、請求項１の周期パルス生成装置。
【請求項３】
前記プロセッサが、前記ＧＰＳ受信機の前記ナビゲーション解に基づいて、標準時に関連して測定したエポック時刻測定値を取得し、
前記プロセッサが、前記周期パルスの周期と前記エポック時刻測定値に基づいて、時間差を算出し、
前記プロセッサが、前記時間差と前記周波数測定値に基づいて前記整数サイクル数を算出する、請求項２の周期パルス生成装置。
【請求項４】
前記プロセッサが、前記時間差と前記周波数測定値を乗じて実数サイクル数を算出し、
前記プロセッサが、前記実数サイクル数を前記整数サイクル数と分数サイクル数に分解し、
前記プロセッサが、前記整数サイクル数を前記プリロードカウント数として設定し、
前記プロセッサが、前記分数サイクル数に基づいて前記周波数制御信号を調整する、請求項３の周期パルス生成装置。
【請求項５】
周期パルスを生成する方法であって、
Ｄ／Ａコンバータによって、周波数制御信号を電圧入力信号に変換する工程と、
前記電圧入力信号によって制御される電圧制御発振器によって、周波数出力信号を生成する工程と、
プログラマブル・カウンタによって、前記周波数出力信号のサイクル数をカウントして、そのカウント数がプリロードカウント数に達する度にパルスを生成する工程と、
プロセッサによって、前記周波数制御信号の調整と、前記プリロードカウント数の設定を行う工程を備えており、
前記プロセッサが、前記周波数出力信号の周波数測定値を取得し、
前記プロセッサが、前記周期パルスの周波数を整数倍した周波数のうち前記周波数測定値に近いものと前記周波数測定値の間の周波数誤差に基づいて、前記周波数制御信号を調整し、
前記プロセッサが、前記周期パルスの周期と前記周波数測定値に基づいて整数サイクル数を算出して、前記整数サイクル数を前記プリロードカウント数として設定する、周期パルス生成方法。
【請求項６】
前記電圧制御発振器がＧＰＳ受信器の局部発振器として用いられており、
前記プロセッサが、前記ＧＰＳ受信機のナビゲーション解に基づいて、前記周波数測定値を取得する、請求項５の周期パルス生成方法。
【請求項７】
前記プロセッサが、前記ＧＰＳ受信機の前記ナビゲーション解に基づいて、標準時に関連して測定したエポック時刻測定値を取得し、
前記プロセッサが、前記周期パルスの周期と前記エポック時刻測定値に基づいて、時間差を算出し、
前記プロセッサが、前記時間差と前記周波数測定値に基づいて前記整数サイクル数を算出する、請求項６の周期パルス生成方法。
【請求項８】
前記プロセッサが、前記時間差と前記周波数測定値を乗じて実数サイクル数を算出し、
前記プロセッサが、前記実数サイクル数を前記整数サイクル数と分数サイクル数に分解し、
前記プロセッサが、前記整数サイクル数を前記プリロードカウント数として設定し、
前記プロセッサが、前記分数サイクル数に基づいて前記周波数制御信号を調整する、請求項７の周期パルス生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、周期パルス(periodic pulse)発生に関し、さらに詳しくは、周波数安定・低雑音の周期パルス発生に関する。
【０００２】
【従来の技術】
極めて正確なタイミング信号（クロック信号）を導出することは、多くの電子システムにとって重要である。正確な時間および周波数のソースとして広域位置判定システム衛星(Global Positioning System Satellite) からの極めて正確なタイミング・データを利用することが一般的になっている。他の極めて正確なクロックは、基準クロックとしてルビジウムまたはセシウム・クロックを利用して設計されてきた。このような設計は極めて正確であるが、非常に高価で複雑な設計を有する。
【０００３】
一般的なパルス発生装置は、局部発振器およびカウントダウン回路を設ける。このような発生装置の精度は、基準クロック周波数の安定性に一般に依存する。つまり、このようなシステムのタイミング出力パルスは、出力周波数を１整数クロック・サイクル以下に分解するためのカウントダウン回路の不安定性によるジッタを示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、周波数安定であり、かつこの実装によるジッタが少なく、あるいは余分な雑音のない、低コストで極めて正確なクロック出力信号を与える周期パルス発生装置を設けることが望ましい。
【０００５】
【実施例】
唯一の図面は、広域位置判定システム（ＧＰＳ）受信機の局部発振器周波数を精細調整制御として制御し、粗パルス制御としてパルスを主システム・クロックの分解能に導くことに基づいた、正確なパルス発生回路を示す。制御プロセッサ１０は、プログラマブル・カウンタ１５に結合される。プログラマブル・カウンタ１５は、所望の１パルス／秒の出力を生成する。局部発振器２５の整数分周によって導出される１キロヘルツ信号は、受信機タイムベース(receiver time base)３０からプログラマブル・カウンタ１５と、制御プロセッサ１０とに送信される。また、制御プロセッサ１０は、ＲＦダウンコンバータおよびデジタルＧＰＳ相関器３５に結合される。制御プロセッサ１０は、デジタル／アナログ・コンバータ２０に結合される。制御プロセッサ１０は、局部発振器（ＬＯ）精細周波数制御ワードをデジタル／アナログ・コンバータ２０に与える。デジタル／アナログ・コンバータ２０は、電圧制御水晶発振器２５に結合される。電圧制御水晶発振器２５は、受信機に必要な局部発振器の機能を提供する。電圧制御水晶発振器２５の出力は、プログラマブル・カウンタ１５，受信機タイムベース３０およびＲＦダウンコンバータ３５を電圧制御水晶発振器２５に結合する「ｆｌｏ」リードである。
【０００６】
低コスト広域位置判定システム受信機の有用な出力である１パルス／秒リード上の正確な信号を与えることが望ましい。
【０００７】
近似１パルス／秒信号は、ｖｃｘｏ２５のｆｌｏ出力を分周する結果、プログラマブル・カウンタ１５によって発生される。１パルス／秒出力の誤差は、制御プロセッサ１０が出力パルスをＵＴＣ秒チック(tic) またはその付近に配置するように、プログラマブル・カウンタ１５に毎秒正確なカウントを与えることを条件として、時間的に−１／ｆｌｏおよび＋１／ｆｌｏ内となる。制御プロセッサ１０は誤差を測定し、プログラマブル・カウンタ１５のカウントを算出する。制御プロセッサは、ＧＰＳ受信機ナビゲーション解３５のクロック・バイアスおよびクロック・バイアス・レート出力を利用して、補正を算出し、この補正はデジタル／アナログ・コンバータ２０およびプログラマブル・カウンタ１５に入力される。制御プロセッサ１０によるＤ／Ａコンバータ２０およびプログラマブル・カウンタ１５の連続的な調整の結果、デジタル／アナログ・コンバータ２０は、ｖｃｘｏ２５の出力ｆｌｏを整数周波数に導く。次に、プログラマブル・カウンタ１５は、毎秒同時に１パルス／秒信号を出力し、この信号はＵＴＣ１秒チックと整合性がある。プログラマブル・カウンタ１５は、出力パルスの粗時間調整として機能し、電圧制御発振器およびＤ／Ａコンバータは出力パルスの精細調整として機能する。粗調整プロセスでは、発振器は次の最も近い整数周波数に周波数調整するだけでよいため、必要なダイナミック同調範囲が大幅に低減されることにより、Ｄ／Ａコンバータの簡略化を可能にする。この調整が行われると、整数プログラマブル・カウンタは局部発振器周波数を整数で分周して、出力パルスを毎秒同じ時点に配置でき、その結果、短期周波数安定性が局部発振器自体の短期周波数安定性となり、余分な雑音や時間ジッタが少ない出力パルスが得られる。今日の低コストＧＰＳ受信機は、受信機局部発振器のみのプログラマブル・カウンタを介した整数分周によって１ＰＰＳパルスを発生する。Motorola Oncore 場合、発振器周波数はｆｌｏ＝１９．０９６ＭＨｚである。局部発振器の不確定性は約＋／−２ＰＰＭであり、そのため温度により１９．０９６ＭＨｚ−３８Ｈｚと１９．０９６ＭＨｚ＋３８Ｈｚｔの間で変化する。従来の構成における発振器は自走式であり、そのためプログラマブル・カウンタによる整数分周の後、局部発振器周波数の１クロック・サイクルの最大１／２である、１ＰＰＳ出力における残留時間誤差が生じる。すなわち、時間誤差は−１／２ｆｌｏ秒〜＋１／２ｆｌｏ秒の間であり、誤差波形は局部発振器周波数の関数である。この新規な実施例では、局部発振器周波数は、プログラマブル・カウンタによって分周されると（これは本質的に整数プロセスである）、その生成１ＰＰＳ出力パルスがＵＴＣ秒チックの上に正確に乗り、残留時間誤差がないように、整数周波数に導かれる。
【０００８】
緯度，経度，高さの位置座標の他に、各ＧＰＳ受信機は内部測定エポック時間(internal measurement epoch time) （すなわち、受信機内の測距の正確な時間）と、内部局部発振器の周波数とを算出する機能を有する。この時間および周波数出力は、位置および速度を算出する各プロセスの４つ（またはそれ以上の）等式および４つの未知数のナビゲーション解(navigation solution) の直接の結果である。ＧＰＳ受信機は、標準的なＧＰＳナビゲーション解からクロック・バイアスおよびクロック・バイアス・レートを算出する直接の結果としてこれらの数量について解く。
【０００９】
毎秒、ＧＰＳ受信機は、プロセッサ１０において、測定エポック時間および局部発振器周波数を算出する。これらを以下のように呼ぶ：
Ｔｍｅ＿ｇｐｓ：算出された測定エポック時間。
【００１０】
Ｆｏｓ＿ｇｐｓ：算出された局部発振器周波数。
これらの数量の算出後、この新規な実施例はプロセッサ１０を利用して、局部発振器の周波数が整数となるように、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバータ２０を介して適宜制御調整を行う。これを行う３ステップのアルゴリズムは以下のとおりである：
ステップ１：整数周波数へのＬＯ周波数調整
ａ）従来のＧＰＳナビゲーション・アルゴリズムを利用してＦｏｇ＿ｇｐｓを算出する。
【００１１】
ｂ）周波数誤差ｆｅを次のようにして算出する：
ｆｅ＝ＩＮＴ（Ｆｏｓ＿ｇｐｓ＋０．５）−Ｆｏｓ＿ｇｐｓ；
ｃ）１次または２次低域通過ループ・フィルタを介してパラメータｆｅを濾波し、このプロセスをＬＰＦ１（ｆｅ）と呼ぶ；
ｄ）Ｄ／Ａコンバータの入力として用いられる低域通過フィルタの出力を次のように積分する：
ＤＡ＿ｗｏｒｄ＝ＤＡ＿ｗｏｒｄ＋Ｋ１＊ＬＰＦ１（ｆｅ）；
ここで、ＤＡ＿ｗｏｒｄはＤ／Ａコンバータ入力のミッドレンジに初期設定され、Ｋ１はＤＡ＿ｗｏｒｄに積分される和がＤ／Ａコンバータ伝達関数後にＬＯ＿Ｈｚ  ｐｅｒ  ｆｅ＿Ｈｚの単位となるような適切な倍率である。ステップ１は、ＬＯ周波数を最も近い整数周波数に駆動する自動周波数制御ループを形成する。
【００１２】
ｅ）ＤＡ＿ｗｏｒｄの現在値をＤ／Ａコンバータに送り、ＤＡコンバータはこの秒での補正に応じて局部発振器の周波数をわずかにアップまたはダウン調整する。
【００１３】
好適な実施例では、この処理は制御プロセッサ１０を介してソフトウェアで行うことができる。
ステップ２：プログラマブル・カウンタ制御の算出
次に、プログラマブル・カウンタ１５について制御を算出するプロセスを開始する。制御プロセッサ１０によって達成されるステップは次のとおりである：
ａ）測定エポック時間と次の１ＰＰＳ  ＵＴＣ秒との間の時間差ｄｔを次のように算出する：
ｄｔ＝ＩＮＴ（Ｔｍｅ＿ｇｐｓ＋１）−Ｔｍｅ＿ｇｐｓ；
ｂ）このｄｔ時間測定内のＬＯクロック・サイクル数を次のように算出する：
ｃｌｋｓ＝Ｆｌｏ＿ｇｐｓ＊ｄｔ；
ｃ）１ＰＰＳ出力パルスを１ＬＯクロックの＋／−１／２内に入れるため、プログラマブル整数カウンタによって適用される整数カウント数を次のように算出する：
ｉｎｔ＿ｃｌｋｓ＝ＩＮＴ（ｃｌｋｓ＋０．５）；
受信器局部発振器の「ｉｎｔ＿ｃｌｋｓ」カウント数をカウントした後、パルスを出力するように、プログラマブル・カウンタに補正を適用する。
ステップ３：残留時間誤差（もしあれば）の除去
最後のステップでは、１ＰＰＳ出力パルスにおける残留時間誤差の算出と、この誤差を除去するため局部発振器周波数の緩やかな制御(mild control)とを必要とする。これらの必要なステップは次のとおりである：
ａ）ステップ２のパートｂから、パルスを１秒チックにもっとも近づけるために必要なクロック数の分数部を次のように算出する：
ｆｒａｃ＿ｃｌｋｓ＝ｃｌｋｓ−ｉｎｔ＿ｃｏｕｎｔ；
ｂ）ステップ１で用いられるものよりも大きな時定数を有する１次低域通過フィルタで、数量「ｆｒａｃ＿ｃｌｋｓ」を低域通過濾波し、これをＬＰＦ２（ｆｒａｃ＿ｃｌｋｓ）と呼ぶ；
ｃ）ＬＰＦ２フィルタの出力に比例する補正項をＤ／Ａコンバータに次のように加算する：
ＤＡ＿ｗｏｒｄ＝ＤＡ＿ｗｏｒｄ＋Ｋ２＊ＬＰＦ２（ｆｒａｃ＿ｃｌｋｓ）；
ｄ）ＤＡ−ｗｏｒｄの現在値をＤ／Ａコンバータに送り、Ｄ／Ａコンバータは、この秒の補正に応じて局部発振器の周波数をわずかにアップまたはダウン調整する。
【００１４】
ステップ３は、１ＰＰｓ出力信号における位相誤差を削除するように、ＬＰ周波数を自動調整する位相同期ループとして機能する。
【００１５】
ステップ１およびステップ３における２つのプロセスの帯域幅は異なるので、これらはＬＯを整数周波数に設定し、かつ出力１ＰＰＳ信号における以降の時間残留を削除すべく共に機能する。
【００１６】
本発明は、位相および周波数誤差性能が他の低コストＧＰＳ受信機によって構成されるものに比べて優れている１ＰＰＳ信号を生成する。穏やかな局部発振器周波数制御（最も近い整数周波数に導く）と、生成信号の位相および周波数を制御する適切な制御ループ・ソフトウェアとの組み合わせにより、極めて安定した出力信号および低コスト・システム構成が得られる。
【００１７】
本発明では、Ｄ／Ａコンバータの追加により局部発振器を多くの可能な整数周波数の一つに導き、水晶発振器の設計をＶＣＸＯに変更し、そしてＬＯ周波数を多くの整数周波数の一つに導くため十分な制御ソフトウェアを追加することにより、１ＰＰＳパルスが余分な鋸波雑音を有しないようにシステムを制御できることがわかる。また、適切な多くの整数ＬＯ周波数が存在し、電圧調整は最も近い整数周波数に導くことができるだけでよいことが理解される
また、ＬＯを最も近い整数周波数に導くことはＤ／Ａ制御回路を大幅に簡略化するが、その理由は、この要素のダイナミック・レンジは、未知の周波数範囲、例えば、今日のＧＰＳ受信機で用いられる一般的な局部発振器における＋／−２ＰＰＭの全範囲ではなく、ＬＯを最大＋／−０．５Ｈｚだけ移動できればよいためである。
【００１８】
これまで、正確な１ＰＰＳパルスを達成するためには、システムは精細な分解時間スライスに分周するための基準として高クロック周波数を有する必要があった。本システムでは、低システム・クロック周波数を利用して高精度を達成でき、部品コストおよびシステム全体のコストの節減および消費電力の軽減が可能になる。
【００１９】
本発明の好適な実施例について図示し、その様式を詳しく説明してきたが、本発明の精神または特許請求の範囲から逸脱せずに、さまざまな修正が可能なことは当業者に明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパルス発生装置を示す図である。
【符号の説明】
１０  制御プロセッサ
１５  プログラマブル・カウンタ
２０  デジタル／アナログ・コンバータ
２５  局部発振器
３０  受信機タイムベース
３５  ＲＦコンバータおよびデジタルＧＰＳ相関器
【図１】
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