長波 JJY 利用高安定基準発振器

甲田 正夫（日本無線株式会社）

あらまし 最近の通信や放送システムで求められている周波数安定度および現在使用されている基準発振器の現状と問題点を調べた。これらの問題点を解決する手段として、長波標準電波を使用したらどうなるか検討を行った。長波 JJY 利用基準発振器の性能評価試験を行い、標準電波を使用した基準発振器の得失をまとめた。更に長波JJY 利用基準発振器の製品例を紹介する。

１．まえがき限りある電波の有効利用のため、通信・放送システムは､より高い周波数への移行、狭帯域化やデジタル化が行なわれ、その結果として、周波数安定度に対する要求は、新しいシステムが出てくるたびに厳しくなっているのが実情である。
そこで、長波標準電波の通信や放送の分野における応用として､長波 JJY 利用高安定基準発振器を構成し､評価試験を行なった結果､基準発振器として十分満足できることが検証された。
２．要求される周波数安定度と現状の発振器の性能
現在サービスに供されている、または予定されている主なシステムが求めている周波数安定度を、
表 1 に示す。これらの通信･放送システムで使用される基準発振器は、より高い周波数安定度に加えて、さらに周波数同期のため周波数確度が要求されている。
そのほか、何処の世界も同様に省力化・コストダウンの要求から､製品が安価であることに加えて、購入後に手が掛からないことが要求されている。
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表１ 要求される周波数安定度
システム名

許容偏差

要求される安定度

HF無線
（船舶局）

10Hz

3.8×10-４

備考

VHF移動無線

10×10-6

1×10-５

アナログTV（UHF)

3kHz
5Hz

3.8×10-6
6.4×10-9一般
精密オフセット方式

地上波デジタルTV

1Hz

1.2×10-9
7.5×10-11

放送波（UHF)
独立同期STL回線(〜１３GHz）

携帯電話
（PDC）

0.5×10-6
3×10-6

5×10-７
3×10-6

基地局
移動局

携帯電話
（CDMA）

0.05×10-6±300Hz

5×10-８±300Hz

基地局
移動局（基地局との同期偏差）J3E (＠26MHz）

通信・放送システムで使用されている発振器の周波数安定度を、図 1 に示す。ベーシックな水晶発振器（XO）、温度補償型水晶発振器（TCXO）,また恒温槽入り水晶発振器（OCXO）があり、安定度はそれぞれ 10−５、10−６､10−８程度である。さらに高度の周波数安定度を必要とする場合は､原子の共鳴現象を利用した、ルビジウム発振器（Rb）やセシウム発振器（Cs）があり、安定度はそれぞれ10−１０、10−１２〜13 程度である。
また基準発振器は､経過時間に対する周波数安定度（経時周波数安定度）が重要である。高安
定発振器の経時周波数安定度の例（１）を、図２に示す。これから、1 年後の周波数変動は、1 桁から2 桁ぐらいあるので、これらの経時変化を補正するために、定期的な校正を必要とする。

110-410-5

周波数安定度 ｄｆ／ｆ
10-6 10-7
10-8 10-9

10-10

10-11

ることが必要であるが､周波数国家標準で管理されていることおよび長波帯の安定した伝搬特性によって、伝搬路を含めても１０−１１が確保できる。
現状の発振器について、例えば１０年後などの長期経時周波数安定度を、具体的な数値で表すことは困難であるが､標準電波を利用すれば安定した基準周波数を得ることが可能である。
これらの状況を、他の発振器と比較図式化したグラフを、図３に示す。
よって、標準電波を利用することは大変有効な手段といえる。

10-12ＸＯＴＣＸＯ
Ｏ ＣＸＯ
ルビジウム（Rb)発振器
セシウム（Cs)発振器

図１ 各種発振器の周波数安定度
1.E-03
1.E-04TCXO
1.E-03Range

1.E-06OCXO

1.E-07
1.E-08

1.E-05

1.E-09

1.E-06Rb

1.E-101.E-11
1.E-12Cs

1.E-131‑Day

1.E-14

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03平均時間(sec)

1.E+04

1.E+05

1.E+06

経過時間(sec)

1.E+07 1.E+08
1-Year

図２ 高安定発振器の経時周波数安定度

TCXO
OCXO
RbCs

1.E-04

短期安定度/周波数精度

短期安定度/周波数精度

1.E-05

TCXO
OCXO
RbCs

TCXO
Range

1.E-07JJY原振

1.E-08Rb

1.E-09
1.E-101.E-11Cs

1.E-12
1.E-13
1.E-14

1.E+04

1.E+05

1.E+061-Day

以上から、基準発振器の問題点をまとめると、①周波数安定度に対する要求と現状の発振器を性能は、肉薄しており、性能的限界にきている。②
経時周波数変動を補正するため、定期的な周波数校正を必要とし、高度な技術と設備および時間が必要である。③高安定発振器は高価で、要求する安定度が上がるたびに価格も跳ね上がり、また定期校正が必要としており、購入後のメンテナンスコストを無視することは出来ない。
３．標準電波の利用
基準発振器の問題点を解決する一手段として、「長波標準電波の利用」が考えられる。標準電波を利用する場合の要件として、①サービス体制が安定している事が必要であるが、国によって維持・管理されており、安心できる。②日本全国で均質なサービスが得られることが必要であるが､九州局の完成により西日本エリアの拡大、その上に相互補完体制も出来たので、さらに確実なものになった。③システムが要求する周波数精度を満足す

JJY周波数確度(伝搬路含む)
１×１０-11 /24H(平均)OCXO

1.E+07

経過時間(sec)

1.E+08
1-Year

1.E+09
10-Year

図３ 標準電波の周波数安定度

４．長波 JJY 利用発振器の構成及び性能
長波 JJY 利用基準発振器の構成を、図４に示す。基本原理は、標準電波の正確な搬送波周波数を再生して、この周波数を基準にして内蔵の電圧制御発振器（ルビジウム発振器など）を制御することで、正確な発振周波数を得ることが出来る。

長 波JJY標準電波・周波数 40kHz /60ｋHz
精度：± 1×10 -12・タイムコード

JJYアンテナ

時刻データ

ﾀｲﾑｺｰﾄﾞ（TC)
ＣＰＵ
ＣＰＵ
受信部
LF
LF
増幅器
増幅器

BPF
BPF

TC
TC 再再生生
CAR
CAR 再再生生

ｷｬﾘア（CAR)

TI
TI
カウンタ
カウンタ

ループ
ループ
フィルタ
フィルタ

電圧制御
電圧制御
基準発振器
基準発振器
基
準発振器

10 MHz

分周器
分周器
分周器
信号処理
信号処理

図４ 長波 JJY 基準発振器の構成

2T

マーカ及びポジションマーカ： T=0.2s
２進の０： T=0.8s
２進の１： T=0.5s

周 波 数 偏 差 [Cs-JJY]
3.E-11

2.E-11A周 波 数 偏 差

0.１×A

タイムコードの構成 （２）1.E-11

0.E+00-1.E-111ｓec

25μｓ= 40kHz-2.E-11

図５ 長波標準電波の信号構成-3.E-11
0.0

24.0

48.0
時

長波標準電波の信号構成を、図５に示す。技術的な要点としては、断続したタイムコードの中から、いかに安定に搬送波周波数を再生するか、また電波伝搬による変動をどのように処理をするかなどがあるが、これらを実現するためにハード面／ソフト面で色々な工夫が盛り込まれている。

以上のように、基準発振器の問題点を解決するための基本性能を満足していることが検証できた。

72.0

96.0（H )図６ 起動特性

周波数偏差

3E-1160

2E-1150

1E-1140030-1E-1120-2E-11

受 信 レベル

周波数偏差
受信レベル

周波数偏差[JJY-JJY] & 停波試験

10停波 1H

停波 2H-3E-1100.012.024.036.048.060.0

時 間 （H )図７ 周波数同期特性・停波試験

温度試験[Cs-JJY]
808.E-11

DUT 1706.E-11

DUT 2604.E-11

温度50

2.E-11400.E+0030-2.E-1120-4.E-1110-6.E-110-8.E-11

温 度 （℃）

1.E-10

周波数偏差

実際の長波 JJY 利用基準発振器の評価試験データを、図６〜８に示す。
・起動特性： 電源投入から、1 時間以下で、１×１０−１１以内となり、その後約４日間の周波数変動も安定であることが分かる。
・周波数同期特性・停波試験： ２台の発振器の周波数偏差は、データに示すように１×10−１1 以下に制御されている。また、標準電波に不測の停波があった場合のシミュレーションとして､アンテナを外して人為的に停波を発生させた（１回目は１時間、２回目は２時間）が、停波期間中は内蔵のルビジウム発振器でホールドされるため､出力周波数には、まったく影響を受けていないことが分かる。
・温度特性： 単体のルビジウム発振器の温度特性は、高性能なものでも 1×１０−１０程度であるが、標準電波を利用することで､１０−１１オーダに制御されていることが分かる。

間-10-1.E-10-2001234567891011時 間 （H)

図８ 温度特性４．長波 JJY 利用基準発振器の得失以上の結果から、JJY 発振器の得失を上げると次のようになる。
・長所：① 長波標準電波に従属依存し、高安定／高3精度である。
② 常時、自動校正をしているので、メンテナンスが不要である。
③ 廉価で高安定な発振器が得られる。
・短所とその対策：① 長所と裏腹に、標準電波に依存しており、他人任せで自己管理が出来ない。
⇒国による安定した管理がされており、安心できる。
② 標準電波は、メンテナンスなどで停波をすることがある。
⇒福島局と九州局の相互バックアップ体制が出来たことおよび JJY 発振器の内蔵発振器の精度でホールドするようにハード面で工夫されている。
③ 外部アンテナが、必要で面倒。
⇒電波時計は、タイムコードが再生できれば良いのでバーアンテナなどの小型アンテナが使えるが､JJY 発振器は搬送波を再生ため､C/N の良い信号を受信する必要であり、外部アンテナを必要とする。
５．実際の製品例
実際の製品例として、図９に長波 JJY 利用基準発振器（NGJ-45/日本無線製）を示す。
福島局および九州局の２波対応デュアル受信、
DSP によるソフトウェア受信機内蔵、ルビジウム発振器内蔵、メンテナンスフリーなど多くの特長があり、長期周波数安定度 1×10−１２/月（平均）を実現している。
また、受信アンテナの例を、図１０に示す。長波帯で使用するアンテナは、ループ型・ホイップ型・ロングワイヤなどがあるが、小型であることおよび設置工事が容易であることなどから、ホイップ型のアンテナを使用している。
６．まとめ
以上の通り､高安定基準発振器の問題点を解決する手段として、標準電波の利用は有効であることが実証され、長波 JJY 利用基準発振器は各方面から注目されている。
標準電波利用に当り,通信総合研究所殿のご指導・ご助言に対し深謝します。

２JJY利用高安定基準発振器
JJY利用 10MHz
10MHz高安定基準発振器
２波対応
波対応 長波長波JJY利用10MHz高安定基準発振器（NGJ- 45）
NGJ45）（NGJ-45）
応
波 対 in・ ２ uilt- mB・ bidiu
Ru

特 長■高安定・高精度■DSPによるソフトウェア受信機

・標準電波のセシウム原子時計を基準に制御されており、高安定･高精度です。

■２波対応デュアル受信・DSPによるソフトウェア受信技術を駆使した高安定高性能長波受信機を内蔵しています。

■メンテナンスフリー・
常に福島局（４０kHz）と九州局（６０kHz）の電波を受信し、相互にバックアップします。

・
常に標準電波により自動校正されているため、定期校正は不要です。

仕 様
本体部
受信周波数
基準周波数出力
周波数安定度
１ＰＰＳ出力１ＰＰＳ安定度
時刻情報
電源
外形寸法

福島局： 40kHz
九州局： 60kHz
10ＭＨｚ 1V rms／50Ω × 4系統
長期： ±1×10−12／月（平均）短期： ±2×10−11／10sec
ＴＴＬレベル
JST確度： １ms以下
BCD （オプション）
AC100V 50Hz/60Hz
DC+36V425（W)×99（H)×360（D)mm（ラックマウント可能）

アンテナ部
ホイップ型アンテナ

図９ 製品例（長波 JJY 利用基準発振器

長波JJY受信アンテナ
長波JJY受信アンテナ
・アンテナ
・アンテナ
形式：
形式：ホイッホイップアンテナ
プアンテナ
長さ：
長さ：2005mm
2005mmプリ
プリアンプ内蔵
アンプ内蔵
・接続ケーブル・接続ケーブル
５D2W
５D2W

図１０

製品例（受信アンテナ）

参考文献(1) ゛Performance Details of Precision Freq.
Sources ゛ , Ball Corporation ： Precision andFrequency Handbook、pp.9.11(2) 通信総合研究所日本標準時グループホーム
ページ(http://jjy.crl.go.jp)より転載

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