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JF1UBH Homebrew Amateur Radio Station

今どきモノ好きにも 自作無線機での運用と、旧い無線機のレストアを中心に アマチュア無線を楽しんでいます。

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●こいつと頑張る

2015年 05月12日 23:46 (火)

先日 5月10日の日曜日は、私にとって今シーズン初の 6m Esビッグオープンでした。 いつもの休日のように、昼ごろから 50.200MHz 辺りを ワッチしながら、作業机でスペアナのメンテを していました。 バンド内はバズ音が聞こえていましたが、中々オープンしないので、しばらく作業に集中していたのですが、15時ごろバンドが騒がしい感じに気がついてバンドスコープを見ると、管面一杯に運用局が ひしめき合っていました。

「オォッ!」 と慌てて PCを立ち上げ、真空管マイクプリアンプに火を入れました。
それから夜まで、6エリア,4エリア,小笠原父島,HL,BVなどが聞こえていました。

HB2+BS01_201505_500.jpg


±100kHz 以内は、ビッシリと並んでいます。

HB2+BS02_201505_500.jpg


流石に、この密集度だと混信は 免れられないので、混信除去機能が 何も無い 本自作機では、耳フィルタに 頼らざるを得ません。

コンディションが上がって来ると、信号強度が 59+40dB~+60dB近辺まで振ってくる局も居るのですが、その局の数kHz 近傍でも、アッテネータを入れたり プリアンプを OFF にしなくても、飽和せずに踏ん張ってくれました。 また、受信ミキサをハイレベルの R&K M9 に切り換えると、さらに余裕が出て、静かで クリアーな感じになります。 (主観ですが)

クリスタルフィルタ通過帯域内の近接信号は、耳フィルタで我慢するとして、フィルタより前段のフロントエンドが 多数の強力な信号にさらされても、オーバーロード(過負荷)特性は、なんとか実用レベルにあるようです。 (手前味噌で申し訳ありません)
                                 m(_ _)m

自作リグで カムバックしてから、もう 6回目の Esシーズンを 迎えますが、今シーズンも相棒の” こいつ ” と 頑張ろう ( 我慢しよう ) と思います。 Hi
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●課題とまとめ

2013年 08月10日 17:05 (土)

課題
 
特に大きな問題は無いのですが、感じた課題をいくつか。

クリスタルフィルタの通過特性は、少々リプルが大きめだったので、終端の影響を検討しようかと思います。 SSB では 感じませんが、CW 受信の際は リプルを感じます。

50MHz のEスポ発生時や、7MHz運用時に混信除去機能が欲しい場面があります。 しかし、これをやるとミキサが増えるため、S/N 劣化を考えると痛し痒しなので我慢です。

受信部の特性、特に IPやコンプレッションポイント、最近取り沙汰されてきたインバンドディストーション等の測定が、所有している測定器の能力限界により 行えませんでしたので、今後の課題とします。


まとめ

本機で50MHzのラグチューや Eスポに、また HFダウンバータを接続して、7,21MHzで運用しています。 当初の目標である “他局に迷惑をかけない電波”、そして “他の影響を受け難く聴きやすい耳”は、とりあえず達成できたかと思います。  今まで大きな トラブルに見舞われたことは無く、日常的に使用しています。 
機能豊富で総合バランスに優れたメーカー製リグの足元にも及びませんが、基本性能が ある程度備わっていれば、実用になるのが アマチュア無線の面白いところです。

SSBトランシーバの自作は、技術的に難しいとは限りません。 シンプルな構成にすれば敷居は下がります。  完成させるのに重要なのは、一に部品入手と、二にメンタル面の ” ねばり ” これだけです。 私も、ときには中々問題を解決できず、あきらめかけたときも ありましたが、“何故だ?”と気を取り戻し、何度かねばった末に 完成に漕ぎ着けました。

現在の アマチュア無線は、 電子業界の技術進歩により、 素晴らしいメーカー製リグや周辺装置があり、 多種多様な楽しみ方が出来るので、それぞれ自分がやりたいことを楽しめます。 しかし、その中にあってアマチュア無線の原点である 自作無線機で運用される方々が極々少数となってしまったことに寂しさを感じていましたが、インターネットを見ると 自作や実験をされている方々が、まだまだ いらっしゃいます。

本機が、それなりに何とか製作,完成できたのは、多くの先人やOMの方々が書かれた文献や製作記事 ,インターネットによるところが 大きいと感じており 自分なりに解釈し、活かしたに過ぎず、この場をお借りして御礼を申し上げます。 また、このブログを見て触発され、半田ゴテを握る方が 一人でも多くなればと祈ります。

withDDS_630_320.jpg
                      DDS VFO と  


お空で変調レポートをいただけたら幸いです。

オシロ波形


本機の製作と文章掲載時の参考に、または引用した文献です。

 1.トロイダル・コア活用百科 山村 英穂氏 著 CQ出版社
 2.高周波回路設計ノウハウ 吉田 武氏 著 CQ出版社
 3.電波科学 臨時増刊 ハム局運用技術のすべて 日本放送出版協会
 4.ダブルバランスドミキサ M4 M9 データシート R&K
 5.ダブルバランスドミキサ テクニカル&アプリケーションノート R&K
 6.シリコンNチャネル JFET 2SK125 データシート SONY

●使用してみて

2013年 08月09日 16:49 (金)

受信部

ノイズフロアが低く、靄(もや)が かかっておらず、明瞭かつ スッキリした音で聞こえます。 信号経路にミキサが 1個しか無い、 シングルコンバージョンのメリットが 良く分かります。 ディジタル PLLシンセサイザーの宿命であるレシプロカルノイズが無いので、アナログ機の自然さを実感します。 

シャック内の別の50MHzリグで、ダミーロードにてCWで100W送信したとき、数KHz以内の近傍でない限り影響は認められませんでした。 同じ条件で旧式リグ( RJX-661,FT-726,TS-680 )ではノイズフロアが 上昇しました。  強信号のブロッキング耐性は、昔のメーカー製リグよりは 良いということで、まずまずです。

本機と HFトランスバータ(ダウンバータ)の組み合わせで、HFにも オンエアーしていますが プリアンプ・スルー切り替えと、ミキサ切り替え効果が発揮できているのか、特に夜間の 3.5MHzや7 MHzでは、ミキサをM9にしたとき変換損失の増加も飽和に対して有利な方向なので、強力な近隣国放送の近接信号を意識せずに アマチュアバンドの目的信号を快適に受信できます。

トランスバータ使用の場合は、本機がシングルコンバージョンであっても、 全体の構成はダブルコンバージョンとなりますが、一昔前のダブルコンバージョン(コリンズタイプ)HF機で同様に受信すると、TS-520やFT-101は「バリッバリッ」とやり始めますので、 その世代のリグよりは幾分マシなようです。

AGC特性については、極性変換など余計な回路を通っているため、アタック時の応答が追従するか心配していました。 しかし 大入力信号が入っても歪むことなく、AGCが追従しているようで快適に受信出来ています。


送信部

本機+リニアアンプで100W免許を取得、平成21年から使っています。 スペクトラムアナライザや受信機でモニターしても、高レベルのスプリアスやスプラッタは無いようです。

音質に関しては、自然な音とローカル局よりレポートをいただき、 本当に自作機を使っているのかと疑われたこともありましたHi。 現在は、内蔵のマイクアンプを使わずに市販の真空管マイクプリアンプとヴォーカルマイクを使用し、 直接バランスドモジュレータに入力しています。  ただし、ハム音と真空管電極の機械振動から発生する マイクロフォニックノイズがオマケに付きましたが、相手局には聞えないレベルのようなので御愛嬌です...

          マイクプリアンプ2_2

話のついでに
最初ハム音が気になるレベルで聞こえており、もしやと思い ACアダプターの角度を変えると強度に変化があったので、ACアダプターをマイクプリアンプから遠ざけ、極力影響の無い位置に置きました。 この手のオーディオ機器、マイクプリアンプやマイクミキサ等でACアダプターが外付けの物は、アダプターを近くに置くと ハム音が発生する場合があるので、注意が必要です。

原因は、ACアダプターのトランスから漏洩する磁束 (リーケージフラックス) が低レベル回路に交差し 磁気結合するためです。 対策は、上記のように位置を遠ざけるか、珪素鋼板や鉄板で磁気シールドする等があります。 アルミでは、あまり効きません。


VFO

VFOドリフトのデータにあるように、約20分も ウォームアップすれば ±1Hz 以内に収束してくるので ラグチューも問題なく OKです。 今まで相手局に RIT 操作で、わずらわせることなく済んでいるようです。 流石、トリオです。

●VFOドリフト

2013年 08月08日 16:49 (木)

電源 ON 投入直後より、周波数が安定するまでの30分間、VFO周波数ドリフト量を測定しました。 電源投入直後は -140Hz ですが、時間経過とともに徐々に小さくなり、下記のように収束します。

 10分 ±20Hz以内
 20分 ±1Hz以内
 30分 ±0.5Hz以内                     条件:室温25.8℃

VFOドリフト特性

周波数安定度は、想像したより遥かに優秀でした。
約40年以上前のトリオ設計陣が、不安定だったTS-500からの安定度向上で如何に苦心したかが、うかがえます。

余談ですが、ケンウッドが TS-990で元気になって、以前のように八重洲無線と開発競争することを願う一人であります。

●送信IMD

2013年 08月08日 16:48 (木)

本機単体での 2トーン 送信スペクトラムから、3次と 5次の IMD(相互変調積歪)が観測出来ます。 トーン周波数は、1kHz と 1.575kHz で、互いに整数倍の関係に無い周波数を選ぶのが慣例です。

1 ⇒ 2トーンの低い側の信号(1kHz)
2 ⇒ 3次 IMD (2信号3次歪) -42.0dBc 2WPEP時
3 ⇒ 5次 IMD (2信号5次歪) -62.0dBc  同上

2トーンの片側トーン(写真中の1)を基準とした相対差で 測定しています。 ファイナルの石に無理をさせていますが、 まずまずの値であること、高次 IMD の減り方が良好であることが分かります。 7次 IMD は、ほとんどノイズフロアー以下のレベルになっているので、-80dBc 位は あると思われます。

  2トーン説明2

上記のような、送信IMDの定量的測定には、スペクトラムアナライザや SDR が必要ですが、それらが無くても オシロスコープと 2トーン発振器 があれば、ある程度のチェックができますので記します。

20dBカップラ
先ず、20dBカップラ(下の写真)を是非作りましょう。 RF出力信号のモニターに使います。 下記、参考文献に記載されています。
   トロイダル・コア活用百科 山村 英穂氏 著 CQ出版社

   カップラー2

・オシロスコープでモニター
RF 出力と ダミーロードの間に、20dB カップラを入れて接続します。  結合端子とオシロスコープとの接続は、プローブを使用せず、50Ω 同軸ケーブルで オシロスコープ側にて50Ω 通過型ターミネータで 終端すると、電力比 -20dB(1/100)で 観測できます。

2トーン信号をマイク端子から入れ送信にし、RF出力の2トーン エンベロープ(包絡線)を観測します。 送信出力を上げていき綺麗な正弦波状になっている範囲では、IMDは問題無いレベルで、3次歪は 大体 -20dBc 台の後半から -30dBc 以上と思われます。
本機に 80W リニアアンプを接続したのが 下の写真で、2信号3次歪= -31.2dBcでした。

  2トーン31dBc


IMDの増え方
リニアアンプを通すと、本機単体のときに比較して、IMDが悪化するのが良く分かります。 増幅素子を通れば IMDは悪化しますし、出力が上がれば 基本波レベルは増加し、その増加分の3倍、3次歪レベルが増加します。 例えば基本波3dB増加で、3次歪は 9dB増加になります。 これは対数ですが、リニアに直すと 3乗倍になり、3dB ≒ 1.995 ≒ 2 , 9dB ≒ 7.943 ≒ 8 なので 2×2×2 = 8 です。
基本波が2倍(3dB)になれば、3次歪は 8倍(9dB)の追い越す勢いで増加していきます。 受信も同様で、歪が増加して基本波に追い着く仮想値が、インターセプトポイントIPです。

出力を上げていき、エンベロープのピークの伸びが悪くなり始めて、丸くつぶれてくる辺りから、3次歪は大体-20dBc台前半になってきます。 下の写真で2信号3次歪= -23.3dBc でした。 この辺りまで実用上、さほど問題ありませんが、スーパーローカルから クレームが付くかもしれません。 私は運用するとき、これ以下の設定にしています。

  2トーン23dBc


さらに出力を上げていくと、エンベロープの ピークが、これ以上増加しない飽和レベルに近づき、丸から四角っぽくつぶれてきます。 こうなると、3次歪は大体-10dBc台になってきます。 下の写真で、2信号3次歪= -14.2dBc でした。

  2トーン14dBc


下の写真は、上記 -14.2dBc のときのスペクトラムです。  9次歪までが見えています。 この辺りまでくると、5次7次以上の高次IMDのレベルが増加し、サイドが広がってきますので、マイクでしゃべると スプラッタが発生して、他局に迷惑な電波となり 実用上問題が出てきます。

  2トーンIMD14dBc_3

出力が飽和レベルに近づくと送信IMDは急激に悪化するので レベル管理が大事です。 私は オシロ波形 2番目(2信号3次歪= -23.3dBc)のピークレベルを覚えておき、運用時はこれを超えないよう マイクアンプのレベル設定と声の調整をしています。

これは、メーカー製リグでも同様で、ALC メータが “ ガンガン ” 状態では、エンベロープが圧縮されて 綺麗な電波とは言えませんので、 マイクゲインは控え目に設定して、ALCが時々 “ ピクリ ” と振れる状態がベストと考えています。

dBcの話
ここで言っている dBc 値は、2トーンの片側トーンレベルを基準にした歪との相対差で、産業機器や通信業界で使われます。 本来の意図して出力している信号(キャリア)と歪やスプリアス成分との比を対数で表すとき、単位にCarrierのcを付けて dBc を用います。

これに対して、アマチュア無線機の メーカー製リグのカタログ記載値の表記は、dBcではなく dB が使われています。 この場合、片側トーン基準ではなく PEP 基準です。

片側トーンと PEP の電力比は、PEPの方が4倍(+6dB)大きいので、 カタログ記載値は片側トーン基準の3次歪測定値(dBc)より、6dB 良い数値で表されているので 比較するときは注意が必要です。 なぜ4倍かと言うと、2トーンの2つの信号の位相がピタリと重なったときを考えると、エンベロープ ピークの尖頭値電圧は2倍になります。
と言うことは、電力P = (V^2)/Z なので、V が2倍になると ⇒ Pe = (2V^2)/Z = 4P
したがって片側の1トーンに対して 2トーン時のPEPは、電力が4倍になります。   
 
メーカー製リグのカタログで、送信IMD のスペクトラム波形が出ているものがありますが、波形から読んだ数値が、定格やSPECに記載している数値に達しないことが分かります。 片側トーン基準のdBc値に+6 すれば、メーカー製リグのカタログ記載値と比較できます。

音声をモニター
オシロスコープが無い場合の 送信IMDのチェック方法として、モニター受信機でRF出力をモニターする方法があります。 今度は 2トーン信号では無く、マイクを接続して送信し、しゃべりながら音声をモニターします。

回路トラブルが無く調整がとれて正常に動作していれば、周波数をゼロインしたとき音声は綺麗に聞えると思います。 この段階で 歪んでいれば、どこかにトラブルや 高周波の回り込みがありますのでチェックが必要です。 ゼロインで綺麗に聞えていてもIMDが良好とは限らず、送信帯域内に歪が含まれている場合でも、本来の信号に隠れてしまい、余程の熟練した耳でなければ 聞き分けることが難しいと思われます。
 
ゼロイン状態から、モニター受信機の周波数を離調していきます。 音声が高くなる方向であれば、だんだん“ ヒ ヒ ”となっていき、低くなる方向ならば、“モワモワ”となっていき、その先で自然に“フワフワ”と消えていけば、IMD は良好で低歪です。

この辺りは送信帯域のギリギリ外側なので、ここで何かが聞えれば、それは本来の電波ではなく、それ以外の余分なものということになり、それがスプラッタです。 スプラッタがあれば、 音声が消える手前辺りから、 “パリパリ” とか “バリバリ” と聞こえ始めます。 また、この辺りはモニター受信機側も本来の信号は 受信帯域外となり 信号をまともに受けていないので、AGCがかからず受信機側のゲインは最大状態に近くなり、“パリパリ,バリバリ”は、余計に目立つようになります。


ここで注意が必要なのは、ノイズブランカをONにしてはいけません。 ONのままだと受信帯域外の強力な信号を ノイズと弁別できずに ブランキングしてしまい、機種にもよりますが “ ブツブツ ” と聞えます。 これは ノイズブランカの 誤動作であり、 相互変調ではないのですが、送信機側スプラッタか 受信機側相互変調と 勘違いしがちです。

“バリバリ”の度合いから IMD の良し悪しを判断するのは、慣れが必要ですが 感覚的に分かるので、私はラグチューするときにモニターしています。 特に破裂音(パ行やタ行等)のアタック時、例えば “ ジャッパ~ン!” とか、“ タンゴ~!” のときや、または咳払い時にレベルが高くなるので、“ バリッ ” と聞こえ易いです。 ただし、かなり良好な送信IMD 特性のトランシーバや 送信機でも、シャック内で受信されてはひとたまりも無く、少なからず軽く “ パリパリ、バリバリ ” と聞こえると思います。 でも、この程度は あまり気にしない方が良いと思います。 この良し悪しを判断する基準を知るには、少々聞き慣れる必要があります。

モニターするときに大事なことは、試験する無線機のRF出力から発射される電波を直接受けることです。 アンテナの近くから給電できなければ、前述の20dBカップラで 検出をすると良いでしょう。 筐体や内部回路からの放射や輻射を受けると、実際の RF 出力と異なりますので注意が必要です。 

もう一つ大事なのは、受信機を飽和させないことです。 検出レベルが過大になると受信機内で飽和を起こして IMDが発生したり、AGCのアタック時に歪が発生したりと、本物の電波より悪い状態となって受信してしまいます。
Sメータを見て ピークで S9 以下になるように、アッテネータを 入れる必要があります。 実際には、100dB以上のアッテネーションが 必要になると思われます。