40mBダイレクトコンバージョン受信機の続き。

 

復調ミキサの動作が適切でない(局発のレベル不足)ためか、あるいはアンテナが非平衡タイプだからなのか、復調音にかなり大きめな「ザー」という雑音が入ります。
アンテナを外せば全くと行っていい程音は出ませんのでアンテナが拾ってくる雑音だとは思うのですが、何にせよバンドをワッチしていて邪魔なことには変わりありません。

 

そこで対策としてAFフィルタを入れてみることにしました。これも凝りだすとキリがないので、取り敢えず高域の「ザー」を取り除くことのみを目標にします。

 

当たり前にLPFを組んだのでは取り除けないと思い、BEF(バンドエリミネーションフィルタ、ノッチフィルタとも)を加味したものを組んでみることにしました。

とはいえ、オペアンプ回路については子供の頃2,3回やった覚えがある位でほとんど全くと言っていい程やってこなかったので、今回は安直に参考文献1,2,3にある回路をコピペして実験することにします。

 

使うICは電源電圧の都合でLM324です。この石は音の悪さで定評があるらしいのですが、短波帯の音声受信はそもそも雑音だらけなので無視します。


なお、回路図上は省略しています(回路図CADではなくシュミレータのスクリーンショットなので)が終段にはイヤホン駆動用にエミッタフォロワ回路を付けました(参考文献3)。

 

図1 ACTIVE RC NOTCH FILTER

 

図2 ノッチ周波数可変の様子。設計周波数を外れると減衰量が極端に小さくなってしまう。

 

図3 ブレッドボードでの実験の様子

 

最初に試したのはその名もズバリ「ACTIVE RC NOTCH FILTER」というものです(参考文献1)。この回路のいいところは、ノッチ周波数を可変するのが容易な点です。代わりに減衰量や帯域幅が大きく変化してしまいますが。

早速LTSpiceで設計値を確認して、ブレッドボードに仮組みして動かしてみました。
しかし実際に音を聞いてみると、ノッチの効果は然程感じられません。この回路だけではなく、前段にBPFとか設置してメリハリを付けないとダメなのかも知れません。(掛かりの浅いフェイズシフターの前にディストーションを繋ぐ、みたいな(違))

 

 

図4 伝送零点を含むLPF回路。なお、取り敢えず周波数特性を確認するだけなので、シュミレーションにおける電源電圧やOPアンプの銘柄は適当です。

 

図5

 

図6 ブレッドボードにおける配線の様子

 

次に、ステートバリアブル回路で伝送零点を含む回路を試してみました(参考文献2)。カットオフを3kHz,ノッチを6kHzとして設計しましたが、部品の都合で少し低い方に動いてしまっています。

今度は効果が実感できました。煩わしい「ザー」が減って聴きやすくなりました。音的にも無線機っぽい感じがします。もう少し高域を削って欲しい気もしますが、各周波数を少し高めに設計しなおせば可能かも知れません。

 

参考文献1
CMOS APPLICATION-SPECIFIC STANDARD ICs(DL130 REV1) MOTOROLA INC,1991
発行所 日本モトローラ株式会社 発売元 CQ出版株式会社


参考文献2
実用アナログフィルタ設計法 今田悟/深谷武彦 1989 初版 CQ出版株式会社


参考文献3
OPアンプによる実用回路設計 馬場清太郎 2004年初版 2015年第9版 CQ出版株式会社

 

実験の様子。いつも思うのだが「よくこれで動くよねえ」

 

 

禁断症状回避の為に何か作る話の続き。

 

問題のある局発ですが取り敢えず動作確認は出来たので一気に受信機としてまとめてみることにしました。

 

復調用のミキサーに何を使おうか悩んだのですが、聞こえない受信機を作っても仕方ないので利得優先でアクティブタイプにしました。また、ここでバラモジICとか使うと入手に手間がかかりますので秋葉原の店頭で買えそうな個別部品で行くことにしました。

回路はJFETをソース接地で使っています。但し、カスコード接続にして受信信号と局発信号を各々のゲートに入れています。昔々、自作受信機で多用されたデュアルゲートMOSFETのJFET版です。
当初、1石のみで局発はソース注入にしようと思ったのですが、面白みがないので止めました。

 

出力にはエミッタフォロワを入れていますが、これはAFアンプ無しでもオーディオ用イヤフォンを繋げるようにする為です。昔は試作段階での音出しはクリスタルイヤフォン(あるいはセラミックイヤフォン)を使っていたのですが、個人的に使うのを止めているので。

 

RFアンプは以前使って結果が良かった非同調ゲート接地タイプです。単なるバッファとして動作させています。

 

AFアンプはNJM2073を使ったありふれたものです。動作電源電圧が広いので採用しました。今回は電源にエネループ4本で4.8Vを想定していますが、誤ってフォルダーに単三乾電池をセットすると6Vになります。定格が5V近辺のICにも良いものがあるのですが、安全性を考慮すると使えないことになります。

電源電圧の点ではFET側は9V位まで大丈夫のはずです(実験用電源が8V弱止まりなので試していない)。ちなみに、復調用ミキサに使ったカスコード回路は3.3Vでは動きませんでした。

 

局発回路は大きな変更は有りませんが、初出の時と定数を変えたところがあります。ゲートに接続していた100pFを10pFに替え、その影響で共振回路のCも変わっています。少しでも安定度が良くならないだろうか、という根拠に乏しい気休めに他なりません。

 

全てブレッドボードに仮組みして動作確認したところ、入力DC4.8V 20mA(待機時)となりました。やや大きい気もしますが、ノイズを拾ってNJM2073が動いているのでこんなものかも知れません。FET及び局発のレギュレータで12mA位流れています。なお、NJM2073のカタログ値は6〜9mAです(但しRLはinf)

 

 

主な問題点

 

ハム音
例によってアンテナとのマッチングに難があり、ハム音に悩まされました。RFアンプ無しだと、入力同調回路の同調点ではかなり小さくなるのですが、少し外れるとダメです。RFアンプを入れて何とか実用レベルになりました。
また、局発回路に3.3Vのレギュレータを入れたところ効果がありましたので、電源ノイズでかなり変調されていたようです。このタイプのレギュレータは初めて使うのですが、今のところ発振等のトラブルはありません。

 

放送波の通りぬけ
ミキサが平衡型でないこともあり、放送波が抜けます。それも41mBの国際放送とかではなく、中波のTBSです。ケースに納めれば改善されるかも知れませんが、根本的な解決にはならないでしょう。

 

低感度
電源電圧が低いので当然なのですが、感度がありません。アンテナがBFなことや、電離層のコンデション及びオンエアしている局数にもよるのでしばらく使ってみないと何ともですが、今のところ「夕方専用」になっています。

 

局発の安定度
周波数カウンタで見るドリフトの割には、復調音は安定して聞こえます。まあ、アマチュア局のワッチでは同一周波数で30分や1時間も粘るということは少なく(コンテストの時とかは別だが)ちょくちょく周波数を変えるので実用上問題は少ないのかも知れません。

 

うーん、もう少し聞こえるといいんだけどねえ。RFアンプ追加しようかしらん。

 

局発

 

高周波増幅・復調・低周波増幅

試作実験中の局発。これでうまくいくなら苦労はしない。

 

 

しばらく何も作っていませんが、そろそろ禁断症状が出そうです。こんな時、大掛かりなものに手をつけると計画倒れに終わるので簡単なものが良いのですが、そういったものは大体手がけていて部屋中に「シェルフウェア」として埃をかぶっています。

 

自分自身で使い古したテーマでも「縛り」をかけることで別の面白みが出てくるかも知れません。今回はその方向で進めてみることにしました。

 

概略
7MHz DC受信機
ケース YM-130
電源 4.8V

 

当初電源は3.6Vでいこうと思ったのですが、局発用に定電圧を用意しなくてはならないので4.8Vにしました。ロードロップタイプのレギュレータで3.3V位を得る予定です。

 

局発のテスト
DC受信機では局発が必要ですが、厳密に考えるとこれだけで1テーマになる(そしてそれだけでは何の役にも立たない)ので、肩の凝らない範囲で適当に作ることにしました。

 

図1 局発回路の試作(1)

書き忘れたがIdは2mAです。但し、これで適切かどうかは分かりません。

 

 

取り敢えず手持ちの部品をかき集めて作ったのが図1に示すものです。以前作った再生式短波ラジオ(セパレートダイン)の帰還部分を抜き出したような回路ですが、これは部品箱にあった試作済のコイルをそのまま流用したためです。
見るからに安定度が悪そうな回路ですが、実際その通りで電源投入後から落ち着くまで30分位かかります。その後も300〜500Hz程度でドリフトします。また、温度補償型コンデンサの手持ちがなく高誘電率品を使いましたので僅かでも室温が動く(その範囲は1℃前後)と、kHzオーダーで動いてしまいます。

 

さて、どうしたものか。

 

LTSpiceXVIIを弄っているのだが、LM324を使った回路のシュミレーションが期待通りに動作しない。


このオペアンプは単電源で動作可能なので、それを踏まえていろいろと回路を組んでみるのだがAC解析に掛けると酷い時は単なるCRフィルタのような結果を返す。試行錯誤していて解ったのは正負電源を使った場合は、まだまともに動くということ。何のために単電源動作可能なオペアンプを使っているか分かりません。

 

これらの原因は(TIのサイトで)拾ってきたモデルがマクロモデルであり、故に今ひとつ精度が出ないから、らしい。

 

参考文献1にLM358の等価回路を簡略化して作成したサブサーキットモデルが載っていたので、それを使ったところもっともらしい結果が得られるようになった。


マクロモデルはシュミレーションの高速化や省メモリ化の為に必要らしいが、昔と比べればハードの性能向上は著しいのだからもっとサブサーキットモデルが出回っても良いような気がする。それとも自作するのが前提なんだろうか?

 

 

5次連立チェビシェフ・ローパス・フィルター(参考文献2)のシュミレーションの様子。左側のサブサーキットモデルを使った方がそれらしいグラフを返している。但し、両方共要求仕様を満たしていない。

 

参考文献1 はじめてのトランジスタ回路設計 p260 黒田徹 CQ出版社 2002年1月1日第4版
参考文献2 実用アナログ・フィルタ設計法 p107〜113 今田悟/深谷武彦 CQ出版社 1989年1月30日初版

ダイレクトコンバージョン受信機についてネットを漁っていたら、QSTのコピーのPDFを見つけた。知っている人は知っているのだろうけれど、個人的には初見である。JAの昔の雑誌もこの広大なサイバー空間()のどこかに埋もれているのかも知れない。

 

見つけたサイトに収録されている記事はかなり偏っていて(QSTが元々そういう雑誌だったのかも知れないが原書を読んだこと無い)、まあ、70年代〜80年代の標準的なJAのアマチュアならいちいち英文読解せずとも察しのつく内容だった。JAの類似の雑誌記事と異なるのは各々の回路に創意工夫の跡がにじみ出ていることで、故に眺めていて面白い。この辺は国民性の違いなんだろう。

 

さて、引用の記事は1968年11月号のもので、紹介されている受信機の構成は、バンドは80mか40mのいずれか(2バンドではなく部品定数の変更による)、アンテナをVC付の同調回路で受けてそのままダイオードDBMへ。局発はJFETハートレーで出力はタンク回路のLの2次からバッファなしで直接取り出している。

 

DBMからの出力は単純なπ型LCフィルタを通過した後、トランジスタ3石によるAFアンプで増幅される。音声の取り出しはスピーカーではなく、回路上にHI-Z PHONESと書かれているからハイインピーダンスのヘッドフォンによるようだ。電源電圧は9Vである。

 

記事を斜め読みすると、

the audio amplifier, although quite simple, provides over 100db gain.Indeed,it provides the gain for the entire receiver. It is quite important that high-beta, low-noise transistors be used.

このように書かれている。100dBオーバーというのはなかなか大変な数字だと思う。RFアンプ無しで、しかもパッシブなミキサで復調しているからこの位はないと(いくらアチラの局が大電力送信とはいえ)実用にならない。

 

で、ちょっと気になったので回路シュミレータ(LTSpice)に掛けてみた。RCA40233なる石のSpiceモデルがなかったので2N2222や2SC1815GR等という昔ながらの石で計算してみたのだが、利得は100dBを下回って90dBを切った。やはり汎用品ではダメで記事にあるように "hige-beta,Low-noise"な石を探さなくてはならないらしい。

 

周波数特性は2kHz過ぎに目立つピークのあるローパスもどきのバンドパスで、入力のLCフィルタに依存している部分が大きい。但しシュミレータでは88mHのLにはインダクタンス以外何も設定していない。記事によればこのLはtoroidだそうである。CWを受信するにはちょっとピーク周波数が高すぎる気もする。

 

100dBもの利得のあるアンプをAGC無しで動かしているけれど、アンプ自体のノイズを小さくしないと弱い信号はノイズフロアの下に潜って聞こえないだろう。大きな信号はその巨大利得故にすぐに飽和して歪んでしまうと思われる。即ちダイナミックレンジの大変狭い受信機に終わりそうなのだ。折角復調にダイオードミキサを使っているのに勿体無いことである。それでも実用になった(と思われる)理由だけれど、1968年はサイクル20のピークで11月には活動極大を迎えていたというから、比較的影響を受けにくい80mや40mでもやってくる信号レベルはそれなりに強かったから、ではなかろうか。一定以上を保証されるならそれに合わせて設計しても良く、設計を上回る強力な信号はアッテネータを併用すれば解決する。

 

簡単な構成で実用になる、というのは初心者が飛びつきそうな宣伝文句である。実際は「◯◯の条件下において」という但し書きが付くはずなのだが。この記事と類似の構成の製作記事はJAでもしばしば見かけたので(そもそもダイレクトコンバージョンの構成は多少の差はあれ、こうなる)、製作記事を一読して勇んで作ったは良いが、やってくる信号が弱かったりアンテナがショボかったりして悲しい思いをしたのは私だけではあるまい。


さて、はるか半世紀前のこの受信機はいったいどんな音で鳴っていたのか。入手したPDFは3ページ分で Performance の見出しのある節は数行続いたのち(continued on page 156)で終わってしまっている。残念。

 

過去記事にて製作した短波ラジオは復調回路に接合型FETによる再生検波方式を用いている。

 

この方式は、何らかの能動素子を用いて同調回路のQを補償することで選択度の向上を図るものである。一般に検波用の素子と補償用の素子を兼用するが、補償回路を別途用立てても同様の結果を得ることが可能であり、このような回路形式をセパレートダイン等と呼称する。

 

再生量(セパレートダインでは帰還量)を増やすと最終的に回路は発振状態となる。同調回路が一つしかない為、発振周波数と選択した信号の周波数は同一である。これにより検波回路を混合回路と見立てることで、キャリアのないSSB信号やキャリアの断続であるCW信号を復調することが可能となる。(CWの場合は少しずらしてビート音を得るようにする)

 

とはいえ、可能になったからといって即実用になる訳ではない。まず、混合回路になった検波用のFETには受信した信号の電圧と発振電圧が重奏して加わるので動作点の変動を免れ得ない。関連して信号電圧と発振電圧のどちらがFETの動作に支配的になるか、という問題もある。
そもそも検波と混合とでは最適動作点も異なっているから、そのまま流用したのではまともな動作は望めない。さらに、出力が稼げる点とS/N比が稼げる点は異なり、放送波に対して微弱な場合が多いアマチュア無線の信号を復調するにはS/N比重視にしたほうが良いことも多い。

 

製作したラジオではこの辺の事情を踏まえ、検波用及び帰還量調整用各々のFETのバイアスを任意に変更できるようVRをパネルに出しておいた。しかし、確かに動作点の追い込みは実現できたものの、FETのバイアスを弄るということは相互コンダクタンスを動かすことに他ならず、これはゲートソース間の容量変化を招く。ソース接地回路なのでこの容量はそのまま同調回路にぶら下がっており、同調周波数の変動となって現れる。これはこのラジオの欠点だが、この周波数変動をSSB受信時のファインチューニングの代用にするという裏技として活用している。

 

2石使っているのでSSB/CW受信用にはいわゆるダイレクトコンバージョン受信機が構成でき、そちらのほうがはるかに扱いやすい。しかし、セパレートダインにおいては常に受信周波数=発振周波数であり、トラッキングずれの問題が原理的に発生しない(別途RFアンプを用意するような場合は別)。また、安易に製作したダイレクトコンバージョン受信機はしばしば放送波の通りぬけに苦しめられるが、セパレートダインでは余り気にならない。これは特記して良いと思う。

 

自分宛てメモ。

 

http://swc.nict.go.jp/datacenter/daily_latestnews.php

 

 

49mBのラジオ日経が聞こえなかったので。ひょっとしたら電離層に何かあったか、と思ってネットを漁って見つけた。

昔は標準電波でCW打って知らせてくれたような。実際に聞いたことはなかったけど。

 

ラジオ日経のほうは単純に停波していただけの模様。他の送信周波数がメンテに入っているのだが、その余波かしらん。

 


 

 

仮住まいの実験用シャーシから、最終的なケースへ移動しました。

 

130mm幅のケースにバッテリーも一緒に押し込みました。スピーカーは内蔵せず、音声はステレオジャック(勿論モノラル出力)で外部に出しています。これはコンデションの悪い時はどのみちイヤフォンを使わなくてはならず、切り替え式のジャックの手持ちが無かったことによります。

 

 


内部の様子です。バンド切り替えスイッチの取り付け位置を確保するため、VCはパネル中心軸からオフセットして取り付けてあります。

 


最終的な回路図を示します。同調回路の固定Cの追加、帰還コイルの巻き数変更のほか、動作点調整用のVRの値を使いやすいものに変更しました。

ANT側のVCで49mb及び41mbをカバーするようにしていますが、実際は60mb(4700kHz)より少し上のあたりから始まって、7600kHzを僅かに超えたところまでになりました。ちょっと広すぎるのですが、いい加減調整するのが面倒になってきたのでこれ以上の追い込みは止めました。もし追い込む場合は下を切って上を伸ばしたほうが同調操作はしやすくなると思いますので、さらに固定Cを追加しなくてはならない 固定Cを減らす方向での調整が必要でしょう。

 

 

オーディオフィルタ回路の見送りについて

 

当初、フィルターを入れて聴きやすくするつもりだったのですが、安易に減衰極無しのLPFなんぞいれると必要な帯域まで減衰してしまってうまくありません(以前作った40m用DC受信機がこうなった)。
減衰極を入れるとどうしても実装面積が増えますし、せっかく入れるならf可変にしたい、という欲もあって改めて別の機会に取り組むことにしました。

このため、なかなかのハイファイ出力になっています。ラジオ日経の第2とかで音楽を流し聞きするには丁度いいのですが、弱い局をイヤフォンで拾いだそうとするとノイズで耳がシビレてきます。

 

ブレッドボードから蛇の目基板に回路を移しました。シャーシは実験用のまま、相変わらずの仮住まいです。電源をバッテリーに変更しましたが、特に問題ないようです。

 

シャーシ内部の様子。

 

浮遊容量が減ったせいか、同調範囲が大幅に狂ってしまいました。低い方のバンド(2連VCのアンテナ側使用、49mBと41mB、以下Aバンド)は49mBの下が収まらず、代わりに上が8MHzまで伸びてしまいました。高い方のバンド(同じくVCのOSC側を使用、31mBと25mB、以下Bバンド)はバリコン付属のトリマーを回したところ、何とか調整できました。

 

ここ数日使い込んでみたのですが、FETの動作電流をある程度流してやらないとS/Nが悪化するのがはっきり判るようになりました。Bバンドでは再生調整はバイアスを相当深くして動作を絞らないと発振してしまいますが、やはり動作点が不適切で再生音にひずみが出ます。

 

一応、モンゴルとイラン及び宗教局以外の日本語放送は全て受信できました(できた、と思う)のでそれなりの実用性はあると思います。しかし、前にも書きましたが25mBで選択度が不足しており混信します。10MHzを境に別々に組み立て、各々同調回路を最適化すればもう少し良い結果が得られるかも知れません。

 

ケースですが、中波のラジオと違って外部アンテナを接続するので、全体をシールドすることが可能です。というか、余計なものの混入を防ぐ意味でもシールドすべきでしょう。写真の実験用シャーシは150mm幅のもので余裕がありますが、値段が高いのでいつもの130mm幅に収めたいところです。

 

 

パネルはこんな感じ。実験用シャーシなので不要な穴だらけです。実は横置きにするつもりだったのですが、バッテリーホルダーの位置が悪く安定しないので縦置きにしています。

マルツ秋葉原2号店の店頭にはジャンクコーナーがあるのですが、先日そこで東芝のダイオードを見つけたので買ってきました。

 

1SS294 ショットキーバリア(低電圧高速スイッチング用)
1SS184 シリコン(超高速度スイッチング用)

 

です。

 

いずれも1袋300円で、1SS294のほうはざっと数えたところ100個くらいありそうです。同じく1SS184は50個くらい。なお、こちらは1石に2つ、カソードコモンで入っています。

 

1SS184は逆回復1.6ns, 端子間容量0.9pFというスペック。これで順方向電圧さえ低ければ高周波小信号用として充分使えるのですが、そこは所詮シリコンダイオードなので0.9Vもあります。但しこれはIF100mAの時でして、1mAであれば0.6Vだそうです。

 

1SS294はショットキーなので順方向電圧は0.54V(IF=100mA)と低め。IF=1mAなら0.28Vです。これだけ見れば高周波小信号用として楽勝で使えそうですが、端子間容量が18pFもあります。ほとんどバリキャップですね。

 

うーむ、何に使おうかしらん。とりあえず、1SS184でミキサでも組んでみるか?局発に大電力を要求されますが。

 

それとカソードコモンってどういう時に使うんでしょうね。LED表示器じゃあるまいし。直列なら保護回路とか、いろいろ使い道があるのですが。

 


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