| ＦＰＧＡ-ＲＸ プラットフォームの検討 （2009.9.27） |
ＴＲＸもほぼ完成して一年以上が過ぎてしまいました。オールバンド/３モード/ＤＤＳ-ＰＬＬを用いたアップコンバージョンＴＲＸということで、アナログ的な回路を組み合わせて作るアマチュア用ＴＲＸとしては、やりたいことはやったというかんじです。あとは、ＤＳＰをうまく使ってＩＣ7800のようなアプローチをするか、いっそのことアナログＴＲＸから足を洗って、ソフトウェアラジオに移行するか、いろいろ考えることがありました。その間、高精度ＤＤＳのＡＤ995Ｘをいじり始め、ＴＲＸの局部発振器に仕上げて、おまけにＥａｇｌｅで基板を作って、一応の完成を見たりしました。
ところで、次の遊びネタはＤＳＰにするか、ＰＣのオーディオＩ/Ｏを用いたソフトラジオかと悩んでいたのですが、最近のトレンドは、どうもＲＦをダイレクトにＡ/Ｄ変換して、その後はＦＰＧＡにほおりこみ、デシメーションにより、処理帯域幅をどんどん減じて行き、フィルタリングもＦＰＧＡ内でＦＩＲ処理して、ゼロＩＦかＬｏ-ＩＦの信号をソフト処理する・・・というもののようです。有名なのは、ＰＥＲＳＥＵＳ（microtelecom) やＦＬＥＸ-5000（Ｆｌｅｘ ｒａｄｉｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ）で、簡易な直交変（復）調器の出力をＰＣのオーディオ端子にほおりこんで処理するものとは一味ちがった性能があるようです。ただ、中身は素人がおいそれと手をだせるほど敷居が低くはなく、手をこまねいて見ているだけでした。
そうこうするうちに、デジタルデザインテクノロジという雑誌にＦＰＧＡの入門記事とともに、ＦＰＧＡを用いたＦＭステレオチューナの記事が掲載されました。始めのうちはあまり気にならなかったのですが、いろいろ読み込んでみると、なかなか奥が深く、ディジタル信号処理、それもＲＦからダイレクトにＦＰＧＡの中で処理できるのには多いに興味を持ってしまいました。もしかすると、この受信機で勉強すれば、その先には、高性能な特性を実現できるかも知れない・・・そんな予感がしたのです。
ＳＶＺさまから購入した基板を使ったＦＭチューナ
ということで、まずは、オリジナルどおりにＦＭチューナとしてくみ上げてみることにしました。他の変調方式への対応はＦＰＧＡのソフトで組みかえられますので、これが勉強のプラットフォームになる、と考えたのです。↑はくみ上げた状況です。実は、オリジナル回路はトップアンプが２段入っていて、ＦＭステレオ受信機として完全動作するように設計されていますが、私の場合、目的が、ＦＭを受信することではないので、今回は組み込んでいません。Ａ/Ｄの入力を引っ張り出して、いろいろな信号を入力できるようにしています。今回のこの基板はＤＤＴ誌のＦＭチューナの著者のＳＶＺさまから購入させていただきました。また、その後も多大なるアドバイスを頂き、これには本当に感謝をしております。
ＳＶＺさまから購入した基板を使ったＦＭチューナ（裏面）
さて、これは裏面のパターンに部品を実装した様子です。全体的には搭載部品はそんなに多くなく、なんとかなると思って開始したのですが、そう簡単にはいきませんでした。まず、穴あけです。購入させていただいた基板は穴なしなので、0.8ｍｍのドリルで穴あけをするわけですが、老眼に鞭打って、５０ピンのピンヘッダ端子の穴を開けていくと、全ての基板穴を開けるのにドリルの折れること２回を数え、これは難儀しました（超硬ドリルが要りますね）。穴の位置あわせも相当なストレスになります（笑）。
Ａ/Ｄ（ＭＡＸ12554の実装
さらに難儀なのは、このＱＦＮと呼ばれるＡ/Ｄコンバータのパッケージです。なんとピンが無いのです。パッケージに0.5ｍｍ角くらいのパッドがついているだけです。たかだか４０ピンくらいのパッケージを前に呆然自失でしたが、ＳＶＺさまにノウハウを教わり、なんとかしのぐことができました。Ｐ板用フラックスをつかい、ＱＦＮのパッドは予備半田をするのがコツとのことです。それでも、この実装難度は並じゃありません。0.5ｍｍピッチといえど、１００ピンＴＱＦＰなんて、これに比べたら、楽勝ってなもんです（笑）。それから、ここでは示しませんが、このチップも裏にＥＸＰパッドと呼ばれるアース端子があります。これは片面基板なので、基板の穴から直接リード線をＥＸＰパッドに半田づけして、近くのアナログアースに接続しています。本当は放熱のためにも熱容量の大きいアースに接続するべきなのでしょうが、ＳＶＺさまからは、ここは、アースにつながっていれば、あまり問題になることは無いとアドバイスいただいたので、不恰好ですが、そんな処理で済ませています。
シャーシに固定して実験プラットフォームとした
これ↑は、実験ができるようにシャーシに固定したところです。片面基板なので、パターンに無理な力を加えたくないので、簡易な構造ではありますが、必要な端子を固定しました。ＦＰＧＡの内部動作を見るために、２０ピンと液晶表示用の１４ピンのピンヘッダがありますが、これ（２０ピンの方）に、Ｄ/Ａコンバータ等をつないで、デバッグ時の波形モニターにしたいと思っています。
ＦＭチューナのモノラル復調信号
おっと、動作について書き忘れるところでした。ＨＰ８６５７の１ｋＨｚトーンで９９ｋＨｚ偏移のＦＭ波（-50ｄＢｍ）をＡ/Ｄに入力し、復調出力をみたところです。きれいなサインウェーブが得られています。Ｓ/Ｎが10ｄＢのＡ/Ｄ入力は-75ｄＢｍくらい（ＨＰ８６５７の表示）でした。ステレオ変調ができるＳＳＧを持っていないので、モノラルですが。例えば、ＳＳＢ用を考えれると、さらにデシメーションができるので、だいぶ感度が上がると思われます。Ａ/Ｄにダイレクト入力でＳ/Ｎが取れるといいのですが、ＰＥＲＳＥＵＳとかにしてもＡ/Ｄは１４ビットですから、小ゲインのプリアンプでなんとかなるのでは？と思っています。
実は、上記基板をくみ上げたあと、ＳＶＺさまから、「両面基板を作りましたがどうされますか？」とメールが届きました。なんでも、ＤＤＴ誌のサポートページで配布されるとのこと。上記基板で動作が確認はできたのですが、やはり片面の基板というのは、強度的には若干心配で、特にリード部品を半田付けしたあと、上から力を入れて押してしまうと、パターン剥離を起こす可能性があります。実は、Ｄ/ＡコンバータのあたりのＣにちょっと力を加えて、そのような事故になりかけました。あわてて修復しましたが、長く使っていると、こんな事故も重なるのではと、ちょっと心配してしまいます。
そんなことを考えていたさなかでしたから、お申し出にぱっくり食いついてしまいました。購入させていただいた基板は以下のようなものです。当然ながら穴アキ済みで、スルーホールもきれいにできていて、実験プラットフォームとして、十分な強度を持っていそうです。
基板の裏面図
例によって、Ａ/ＤのＭＡＸ12554の周辺です。ＥＸＰパッドもスルーホール処理されているので、裏からの半田挿入も楽勝でしょう。これで、ＥＸＰパッドの処理も６回目になるので、目をつぶっていてもできそうです（笑）。
基板の裏面図アップ
ということで、以前の基板を交換して、シャーシーに固定して、ハイこのとおり、実験プラットフォームのリプレースです。
実験用治具に固定
実験プラットフォームの裏には窓が開いていて、ＩＣの主要部にはプローブを当てることができるようになっています。
裏の窓からＩＣを望む
はい、お決まりのクローズアップです。今回でピンの無いＱＦＮパッケージは２度目ですが、まだまだ、搭載はヒヤヒヤしながら注意深くやっています。虎の子のＭＡＸ12554も２個とも失敗なしにマウントできてほっとしています。
ちょっとクローズアップ
もちろん、動作は確認済みです。今回は、Ｄ/Ａのピンにルーコンがあり、最初から動かなかったのですが、片ＣＨだけだったので不具合箇所の発見は早く、完成に至る時間もかなり短縮することができました（前回の１/２以下？？）。