受信部の実験の様子 |
大きな生基板上に構成した受信部
このような構成にすると、各モジュールを交換することでいろいろ特性の変化を楽しめます。下側に電源端子を設け、各モジュールは短いリード線で生基板にはんだ付けして固定します。全体の特性が整ったら、あちこちの半固定VRを固定値に決定します。
受信機として大きな生基板の上に、各ユニットを搭載・結線し、とりあえずTOPAMPからの感度が出ました
(0.13uVrms/SINAD=10dB at 21MHz)。ミクサーはK125×4とVN66AFD×2です。近々に面白いミクサーをご紹介できるかもしれません。
(2002/5/11) SD8901利用RX
SD9801と2SC1426ポストアンプを用いた受信機の感度を測ってみました。下の写真のように、まず、2SK125×4のミクサーの代りにSD8901ミクサーとC1426ポストアンプをそっくり交換してみました。
SD8901はちょうど真中の四角い基板で、その右横、フィルタの左がC1426PPポストアンプ
そのときの感度は0.35μVrms/SINAD=10dB at 21MHzでした。これはK125×4のミクサーに比べて8dB以上の劣化になります。多分、全体の利得が減少ぎみなのだと考えて、1stIFフィルタの後に10dB程度のNFBアンプをいれたら、0.2μVrms/SINAD=10dBになりましたので、このあたりで手を打とうかと考えています。あるいは、2ndMIXERに現状ではVN66AFD×2のゲート接地型を用いていますが、これを、ソース接地にして利得を稼ぐようにすればいいかもしれません。第1IF以降の帯域は16kHz程度に制限されていますので、第2ミクサーは第一ミクサーほどシビアに考えなくてもいいかもしれません。
トップのBPFがぐちゃぐちゃっとありますが、これは10バンドで、1CHの帯域は2MHz程度です。3-21MHzまではオールウェーブ受信ができるように考えてあります。
SD8901を使ったアップコンバージョン型のTRXも、だいぶ目鼻立ちがついてきました。ここでは、ひさびさに受信部のみまとめてみることにしました。上記の構成を振り返ると、引き続き使っているのはAF-AMPとMFだけになってしまいました。さすがに、2年間が過ぎて、いろいろ進歩したものだと感心します。上の構成では、まだ、アップコンバージョンにできるかどうか、ローカルの構成に自信がなかったため、IFが10.7MHzでも実験していましたが、今度は、ローカルもルーフィングフィルタもなんとか使えることが分かったので、多分、このまま押し切れると考えています。
送信系については、極力バイラテラルになるようにミクサーとフィルターを使って、規模の増大を防ごうと考えています。下の写真の中で、TXで使わないのは、IF増幅回路くらいになるように、共用化を図ろうと思っています。
受信回路(DDS-PLLシンセサイザー局発の代わりにSSGを用いている)
SD8901 - Roofig Filter -2SC1251NFBAMP - SD8901 - MF - MC1350 →
という構成で、一応、0.4μVrms S/N=10dBが実現しています。まだ、各部のチューニングをしていないのでベストではありません。この場合、IMはほとんど初段のSD8901で決まるため、入力IP3が35dBm以上を期待したいところです。一応、トップには同じく2SC1251のNFBアンプを入れられるようにしています。この場合、感度は0.18μVrms以下になりますが、IMをとるか、感度を取るか迷うところです。HFではAMP無しで十分でしょう。 念のため144MHzでも測定しましたが、0.65μVrms位まで劣化しました。NFB AMPの帯域はここまで延びていないため、別のアンプをトップに入れたほうが良いかもしれません。いずれにしても、各部のファインチューンはこれからです。
<追加1:感度調整> 【2004.7.26】
入力回路のインピーダンス整合や、IFゲイン調整や、SD8901のバイアス電圧調整を繰り返して0.28μVrms S/N=10dB at 21MHz まで追い込んでみました。ここまでくると、RFアンプは完全に不要になると思われます。
<追加2:IM3の測定> 【2004.7.31】
ひところのひどい暑さが後退しているようなので、思いっきり汗かき行事を行いました。体がふらふらになるほど疲れていい汗をかきました。
ところで、上記のフロントエンドの
SD8901 - Roofig Filter -2SC1251NFBAMP - SD8901
という構成でIMDを測定してみました。入力は21MHz帯で出力は455kHzです。入力に-3dBm×2の2トーンを入力し、2回周波数変換をしたのちに、455kHzに落ち込むIM3を測定しました。妨害波は21.180MHzと21.160MHz、受信周波数は21.2MHzです(20kHzセパレーションで測定)。この状態で455kHz丁度に落ち込むIM3成分は-90dBmでした。上記系の損失は-11dBなので、ルーフィングフィルタ等の周波数選択性要素がなければ、2−tone出力は-14(-3-11)dBmです。したがって、IM3比は-14-(-90)=76dBとなります。これから、入力換算IM3は-3+(76/2)=35dBm ということになりました。
いま話題のIC7800も20kHz離れではIP3が40dBmには達しないそうですから(測定器掲示板によると37dBmという値が紹介されています)、シロートが遊びで作ったRXとしては、とりあえず、高IPという目的は達したと思っています。このミクサーのいいところは50MHzはおろか、144MHzまでも動作範囲に入るので、オールバンド、オールモードTRXが構成できることです。
455kHz帯に落ち込むIM3成分(真ん中のピーク:-90dBm)
今日も暑い日でしたが、昨日の疲れが残っていたため、エアコンの効いた無線部屋に完全引きこもりでした。外に出たのは、昼に外食したのみ。。。。でした。
ところで、単体では各モジュールの測定はやっているのですが、どうも、フロントエンド全体ではどんな特性になっているのか心配になってきました。というのは、45MHzのBPFは、かなり入出力の整合条件で、特性が変化するからです。しかし、系に組み上げると、ミクサーを含むので、伝送特性は簡単に測定できません。そこで、少し、頭をひねってみました。一回周波数変換したあと、45MHzの信号を、もう一度同じローカルで周波数変換しなおしてやればいいはずです。
すなわち、
TG出力 → SD8901 - Roofig Filter -2SC1251NFBAMP - SD8901 → スペアナ入力
↑ ↑
-----------------------------------------
↑
ローカル信号(66.2MHz)
とやると、入力のスイープ周波数/幅が二回の周波数変換後も保存されるはずです。2回目の周波数変換が、実際の受信系ではは45.455MHzと、ちょっとこの測定系とは違いますが、C1251のアンプがあるので、この条件差はあまり問題にならないのでは?と考えています。この様子を以下に示します。
上記測定ブロックで取得した特性
CF:21.2MHz、GD:20μS/Div
これをみると、単体の特性とほぼ同等の整合ができていると考えています。以前にとった単体の特性より、少し、右肩の振幅特性が角ばっていますが、まあ、こんなところで「良し」とします。帯域内の振幅特性はまっ平らなので、あまり多くを望むのは止めにします。
<シンセサイザの追加と若干のチューン> 【2004.9.4】
実験で確認しなくてはならないと思っていた項目のうち、かなり重要な項目がシンセサイザのC/Nです。まあ、DDSの逓倍と異なり、シンセのスプリアスは皆無に近い状況を実現しているので、あとは残留雑音です。SD8901は20dBm近いレベルのローカル入力が要りますので、サイドバンドノイズが広い周波数範囲で低減できないと感度劣化の要因になります。
すなわち、例えば、RXIn:3.5MHz、IF:45MHz、Lo:48.5MHzを想定すると、Loの45MHz(3.5MHz離れ)のC/Nが150dB(SSB帯域換算で)とれてないと危なそうです。ただ、ミクサーのLo→IFアイソレーション(SD8901では40dB程度)分だけ楽になるとは思いますが。実際、8657DをLoに用いると、フリーランのMG523に比べて、3dBから5dB程度感度が悪くなります。自作のシンセの実験をやっていて、まさか、MG523よりは広帯域C/Nは悪くはないだろうとは思っていましたが、普通のスペアナで測れる領域の話ではないので、実際に確認するのは厄介です。RXとして組み上げないと解りません。
フロントエンド構成図(実験用暫定版)
ということで、上記の構成のようにフロントエンドを組み上げて、特性を取得してみました。結果はシンセサイザによる感度劣化はまったく無く0.27μVrms(50Ω、S/N=10dB)を維持し、また、スプリアスも不感でした。IMも入力IP3は35-36dBmを維持(20kHz離れ)しています。
実は、この前、低利得高IPの2SC1251アンプを作ったのには理由があります。それは、ルーフィングフィルタとSD8901の整合が、かなりクリティカルで、IM最良にすると周波数特性が理想的にならない傾向が見られたからです。また、ルーフィングフィルタのドライブインピーダンスは周波数によって異なってしまうらしく、SD8901の出力インピーダンスとうまく整合しないのか、20kHz離れと30kHz離れではかなりIMの値が大きく違ってきたりします。
そのため、低ゲインのアンプとATTを介してルーフィングBPFの整合を図るようにしてみました。ポストアンプを入れるのはちょっと気になりましたが、低利得(6dB)ならまったく影響はないようです。このような解決法は、正攻法ではないのかもしれませんが、ここ数週間、かなり頭を悩ませていたので、まあ、当座はこれで良しとしたいと思います。
フロントエンドF特性(実装時ルーフィングフィルタ特性)
結局、アンプでSD8901とフィルタをアイソレートし整合することによって、上記のごとく実装時も周波数特性を犠牲にすることなくフロントエンドを構成できました。8月1日のメモに比べて、かなり素直になっていることがわかります。
<受信スプリアスの抑圧> 【2006.10.1】
もう10月の声を聞くようになりました。時間の経つのは早いもので、今年もあと3ヶ月!ということであせってしまいます。昨日は超絶技巧を要求される(パガニーニのVnコンチェルトか!)コースで悶々としながらも、なんとかまとめたのはいいですが、今日はそのあおりを食って放心状態。一方、おフランスの深い衝撃も気になるし・・・・ おっとっといかんいかん、本題に戻らなくては。 ということで、少しずつは進んでいるので、受信スプリアスの抑圧の格闘日記を数回にわたって綴っておこうと思います。
まずは、下の「紙」を見てください。8月の始めから9月下旬にいたるまで、一ヶ月半の格闘の記録です。20枚以上あるのですが、読み返すと、如何に無駄なことをしていたか恥ずかしくなってしまいます。ある問題点を解決するためには、徹底した調査が必要ですが、それ以上に大切なのは仮説の構築です。「こういうメカニズムでスプリアス受信がおきるんだ」という原理をもとに、それが実際に目の前にあるRX/Syntheでどのように起こっているか、闇雲にスペアナに頼るでなく、おつむをフル回転させで原因を予測することが重要なのです。そうでないと必要以上に時間がかかります。趣味というのは、限りのあるお遊び時間ですから、進みが鈍くなると「ほおり出す」格好の理由を提供することになりかねません。 ま、このことは、趣味だけでなく、仕事や実生活でも極めて重要なのはいうまでもありませんが。仮説が構築できると、できない場合に比べて、問題解決のための時間を格段に短縮できることは、高名な経営コンサルタントである元BCGのCEOの内田和成さんも指摘しています。今回の格闘は、振り返ってみると、本当に仮説の重要性を認識しました。要は、もっとおつむが回って、仮説思考を縦横無尽に操れれば、苦労は少なくてすんだのに・・・・と反省しきりです。
以前にバラックセット時代にRXとシンセサイザを結合して殆どスプリアスが不感であったことを確認してありました。今回のスプリアス撃退に関しては、「そうは言っても、どうせTRXとしてまとめたら、いろんな誘導もこれありで、ある程度スプリアスも受かるのだろうな」くらいに考えていました。ところが、筐体に実装したときの受信スプリアスの多発には驚いてしまいました。これは後になってみると、3-4くらいの原因があって複合的なのですが、当初のショックは相当なものでした。以前の8バンドTRXはDDSを直接逓倍したために、大げさなバンドパスフィルタを逓倍出力に挿入しても、10ビッドそこそこしかダイナミックレンジの無いシンセのスプリアスが結構受信できました。ハムバンド内は0〜3点(バンドにより異なる)というところでしょうか?3.5/7/はありませんが、広い14/21は1点、50Mは3点くらいです。マーカー代わりさと負け惜しみを言えるぎりぎりのレベルでしょう。それに比べて、今回はアップコンバージョンにしたので、Loと受信帯域が大きく離れるのため、スプリアス的には楽になるだろうと思っていたので、ショックの大きさは理解していただけると思います。それらについて、少し記述しておこうと思います。
(1)PIC制御回路クロックの漏れ
当初、これは20MHzのXtalを使っていて、早くなんとかしないといけないと前々から思っていたので、まぁ想定の範囲内の原因です。実際に受信するとS8くらいで受信できました。PICの基板をシールドしていないことを考えると、意外と低いなぁと思いました。下の図の@は元の基板裏で中央にXtalが実装されています。このアース回路は「逆コの字」型に銅板を張ってありまして、赤いプローブと黒いプローブ間(アース回路は開放になっている)を50Ωで受けてスペアナでみると、アースなのに-60dBmくらいのスプリアスがたくさん見えます。アースがアンテナになっているのかも。
@20MHzXtal アース回路が逆コの字
A22MHzXtal アース回路をロの字型に
Aは20MHzの水晶を22MHzに交換して(受信帯域は3.5-21.5MHzなので)、さらにアースを強化しました。光っている部分はアースのブリッジです。また右端を逆コの字の開放端をショートするようにしてみました。これで、スペアナでは全体的に10-15dBくらいスプリアスの検出が減りました。この回路がメジャーな原因なら、全体シールドをするか!とも考えていました。
(2)DDS基準クロックの「へんちょう?」 【2006.10.14】
先のPICクロックの話は、あとで、もう一回出てきますが、まずは先に進みます。最初におかしいと気づいたのがこの事象です。受信帯域全体になにかざわついているような感じがしていました。これは、以前には無かったことです。ただ、DDSによるPLL基準発信源の実験をしているときに、167.77216MHzのクロックがAM変調が掛かったようなスペクトラムになったことがあったのを確認してありました。もしかしたらこの影響かもしれないと思い出し、件(くだん)のDDSクロックをスペアナで覗いてみると、これが「大当たり」でした。スペアナ写真を撮り忘れたので、思い出して図を描いてみると、45-47kHz離れで、-12dBくらいのスペクトラムがきれいに出ていました。45kHzでAM変調がかかったような感じです。変調波に高次成分は見当たらなかったので、本当に不思議な感じがします。そもそも何で45-47kHzなのかもよく判りません。
DDSクロックの異常発振
たしか、以前にこの事象に遭遇したときはXtal発振回路の負荷Qを下げて完全抑圧したはずなので、同じ手法で負荷の並列共振回路を並列RでQダンプしました。これで、あっさりとこのAM変調は消えて無くなりました。この状態でシンセをDBMにつないで聞いてみると、スプリアス受信がすかっとと消えました。かなりクリアになった感じです。PLLによるループ利得でこのAM変調は抑圧されていたと考えていましたが、やっぱりピュアなクロックには及ぶべくもありません。ビッグバンのあと、もやもやした視界不良の状態が続いた宇宙が、冷えて突然晴れたとでも言いましょうか?あまり定量的じゃなくてエンジニアリングらしくない(もっとも、私はエンジニアではありませんけど(笑))のですが。
これで、各バンドともかなりきれいに受信できるようになり、21、50MHzなどは、もういいかな?と考えるようになりました。しかし、7.5MHz+/-500kHzあたりに強力な連続スプリアスが受信できているのは相変わらずで、「難儀な話だなぁ」と、これまた新たな課題が明らかになりました。これが、JH2CLVさんのミクサーを測定し終わったころの状況(8月下旬)です。氏には申し訳なかったのですが、なにやら視界不良で、とてもSD8901HD/CYにのめり込む気が起きなかったのが正直なところでした。この時点で、あと一ヶ月も原因究明にもがき苦しむとは思いもしませんでした。
(3)(下手な)仮説思考の敗北−1
7.5MHzを中心におよそ73−75kHzおきに少し濁ったスプリアスが約1MHzくらいの帯域に渡って受信できます。中心の7.5MHzではS8-9くらいです。7MHzバンドには1波があるかないか、電源ON/OFFするたびに変ります。また、このスプリアスはゆらゆら変動します。濁っていることと周波数変動があるので、Qの高い発振ではないのでしょう。まず疑ったのは、ローカルアンプの異常発振です。というのも、最初はμPC1677C+2SC1044のNFBアンプでローカルバッファを構成していましたが、どうも1677の電流が流れすぎで(98mA)、最大定格を超えています。これは、レギュレータの放熱器の発熱で気が付きました。そうか、7.5MHzあたりで発振してるのだろ、簡単だな。ところが、スペアナをみても明かな兆候は見られませんでした。ただし、ローカルキャリア(52.5MHzになる)をBEFで抑圧して(これをやらないとスペアナで感度抑圧が起きて、高感度測定どころではなくなる)、ローカルの7.5MHzあたりの成分を、スペアナの感度一杯まで引き上げて見てみると、非常に低いレベルで数波の汚そうなキャリアが見えました。それも、周波数間隔は、73kHz近辺です。ただ、レベルが低いので、雑音にまぎれて、正確に認知できたわけではありません。しかし、テンパッテいた当時の私は、「なんじゃい、ローカルアンプの構成変更で解決だぁ!」と早合点してしまいました。
今思えば、これが非常に重要な兆候だったのですが、想像力不足、仮説構築力不足で、間違った結論に至ってしまった第一弾です。種明かしはあとにしますが、予想に反して、いろいろとバラックでローカルアンプの構成を変更しても、一向に7.5MHz近辺のスプリアスの減る気配はありません。これには流石に脱力感が満杯になってしまったので、気分転換に汗かき作業ばかりに精を出してしまいました。(詰まったときの気分転換は重要です!)
(4)(下手な)仮説思考の敗北−2
さーて、次なる原因の究明の矛先は何処に向かうのか・・・・。もしかしたら、ローカル系ではなくて、本当に雑音源がこの機器の中にあるかも知れない・・・と思い立ち、この方向からアプローチしてみることにしました。いままで、周波数的には7.5MHzばっかり気をつけていたけど、機器内雑音源ならイメージ周波数にも反応するはずだなぁ(と、ここでも仮説を立てたつもり)。ところで、コイツのイメージってどこになるんだ?と、1stIFのイメージを考えると、45+(52.5−45)*2=60MHz・・・となるな。機器外部にこの雑音源があっても、トップフィルタで抑圧されるから、不感だろうが、内部にあって、コモンモードで結合してると厄介だな。そもそも60MHzってなんじゃい?・・・・・(しばし沈黙)・・・・・・・・あっ・・・・20MHzの3倍は60MHz(あったりまえです)じゃん。PICのクロック(当時は20MHz)にCPU動作で変な変調が掛かって、帯域の広がった変なスプリアスの3倍波を受けているに違いない・・・これが回答だぁ。
(注)左端の表記455kHz 2nd LOは3rd LOの誤り
とまた、間違った仮定を立てて、(1)のごとく、Xtalを22MHzにして、スプリアス受信帯域を移動させて何とかなるかと思いましたが、これも外れでした。7.5MHzのスプリアスはそのまんま、しっかり残っています。(1)で得られたのは20MHzのスプリアス受信そのものが、22MHz(受信帯域外)に移行し、受信しなくなったことだけでした。このあたりになると、残暑の疲労感も蓄積され、思考は停止気味になり、放り出したくなる誘惑に駆られます。
参考までに、上図にスプリアスとイメージの概略図を書いておきます。PICのクロックを20MHzから24MHzに移行すると実効的にどこの周波数でイメージが受信できるかわかると思います。
(5)やっと本丸に到達 【2006.10.24】
だんだんスプリアスばかり追いかけるのが苦痛になり、息抜きにアップコンバージョン型クリコンなんて作ってみましたが、やっぱり、なんだかすっきりしない日々が続きます。今までの経緯をぼーっと振り返っていて、原因はシンセではなく妨害波を受信してるのではないかという観点に絞ってアプローチしてみることにしました。そこで、まず1st IFあたりをスペアナで見てみると、例のスプリアスがしっかり観測できます。あたりまえといえば当たり前ですが、トップ入力から周波数シンセサイザLoとミックスされてIFに出てるのです。7.5MHzあたりをぐるぐるチューニングすると、IF帯域(15kHzくらい)にピョコンピョコンとスプリアスが現れては消えます。そのレベルは-80dBmくらいでしょうか?こうなると、2階のTX基板をはねあげて、RX内部をあたりたくなります。
もちろんスプリアスは受信しているときはSPでモニターしています。そこで突然、妙なことに気が付きました。RXのトップミクサーのあたりに手を伸ばすと、受信しているスプリアスの「音程」が変わるのです。もともとこのスプリアスも安定ではなくふらふらしているので、手を近づけると「音程」がかわるのか、勝手にフリーランでF変動が起きているのか見分けが付かなかったのですが、トップミクサー近辺に手を近づけると明らかに「テルミン」のように受信音が変化することを突き止めました。まさか、元凶はミクサーではないと思ったので、その近辺を見渡すと、ありました、疑惑の元が。
疑惑の元をクリックしてみて「なんじゃこれは?」と思われるかもしれません。一番信じられないのは他ならぬ私だったのですから。実はこういうからくりなのだと思っています。
スプリアス受信の原因
上図のようにFM用トップアンプが実装されています。AIPオフ(2SC1251のトップアンプはスルー)時、50MHzのFMモードのみでこの2SK241のパラレルプッシュプルアンプが挿入されます。このときはなにも起こりません。まともな動作です。ところが、こいつをSSB/AMモードにすると電源は入っていてこのアンプのみスルーする構成になっていました。今となっては知る由もありませんが、SSB/AM時は60MHz近辺か、7.5MHz近辺で盛大に異常発振していたのでしょう。出力はCOXSWにつながっていたのですが、どこにも接続されてなかったので、出力開放で発振していたと考えられます。これがCOXSWのアイソレーション(-70dBくらい?)を突破して、ミクサーに到達していたと考えられます。実は、このアンプ、出力をスペアナにつなぐと、「お行儀よい子のアンプ」でなにごともおきません。ですから、発振帯域は(7.5MHz?60MHz?)よく分からないというのが実情です。まぁ、そんなことはどうでもいいや、SSB/AMの時はアンプの電顕を切って、本当に解決することができました。
ここまでくるのに大きく回り道をしましたが、いろいろ考えて原因と対策を考えたプロセスは無駄にはならないと思っています(殆ど負け惜しみの世界ですが)。しかし、これで、ほとんど問題なく実用的なオールウェーブ/オールモード受信機ができたわけです。これ以上に完璧を期すなら、各部を徹底シールドして、化け物のような大きさになるのを許容しなければなりませんが、そこまでやっても、「スプリアスは出る時は出る」ので、まぁこの程度の構成で済んだのは「めっけもの」だと思うことにしましょう(笑)。