製作記事

40年前自作機TX測定編

40年前自作機TX測定編 

本編は40年前自作機TX編の続編で、50MHz SSBトランシーバ 送信機を2013年3月に製作したツートーン発生器を使用して測定したレポートです。

準備

40年前自作機TX編の最後で、自分がマイクでしゃべるとモニタ音が非常にバサバサした音に聞こえるのが気になっていました。
これについてはSSBジェネレータの音声入力波形を見ていてRFが載っていることがわかり、そのせいかもしれないためまずは村田のエミフィルをマイク入力にかませることでRF重畳は除去しました。

RF重畳あり RF重畳なし
         改善前                   改善後

音声通過特性の測定

まずは手始めに自作機の音声通過特性を測定します。
300Hz~2500Hz前後の音声帯域を通していることと、クリスタルフィルタの仕様は残っていませんがおよそ、2500Hzないし3000Hz以上の周波数がカットされていることを確認するためです。

自作機のマイク端子にツートーン発生器を接続し、アンテナの代わりに50Ωのダミーロードを接続します。
受信機はYAESUのFT-950を使用します。

測定ブロック図

自作機を送信状態にし、ツートーン発生器からシングルトーンを出します。
シングルトーンの周波数を200Hzから10KHzくらいまで変化させて、そのときFT-950のSメータが最大に振れるようにFT-950の受信周波数を合わせます。FT-950のバンド幅は最も狭い1800Hzとしました。

音声通過特性3

FT-950のSメータは残念ながらアナログメーターではなく、デジタルのバーグラフなので、Sは0.5きざみ、S9オーバーでは5dBきざみでしかデータが取れません。S1~S9の範囲では、前に調べた結果からS一目盛りは約3.3dBとしています。0.5きざみなので測定の分解能は1.65dB程度となります。
グラフが段つきになっているのはこのためで、実際にはなめらかに変化しているはずです。

それならS9オーバーの辺りは使わず、FT-950内蔵のRF ATTを入れて測定すればよかったですが、気がつくのが遅かったです。

次に自作機にツートーン発生器の代わりにマイクをつなげて音声を入れ、FT-950で正しく受信できるように合わせてから、自作機、FT-950ともにRF周波数は固定で、ツートーン発生器からシングルトーンの周波数を変化させて音声通過特性を取ります。
このときは、FT-950の受信バンド幅は最も広い3000Hzとしました。狭いとFT-950のバンド幅で制限されて、自作機送信側の特性が見られなくなるためです。

音声通過特性4

最初の測定と同じ結果になりました。
ツートーン発生器が下は170Hz程度までしか出ないので200Hz以下のデータがありませんが、200Hzから2500Hzくらいまで通っているのでよさそうです。

送信混変調特性の測定

測定ブロック図は前項と同じです。
ただし、混変調特性の測定が目的なので、ツートーン発生器からは2周波(ツートーン)を同時に発生させます。
2つの周波数は離れていた方が観測しやすいので、前項でわかった通過帯域のなかで、減衰があまりない周波数で700Hzと2000Hzとしました。
この2つの周波数は倍数の関係にないことが必要です。

この測定時には受信機の選択度が良いほうが望ましいので、CWモード、最小バンド幅の500Hzにセットし各成分の周波数がどれくらいあるかをSメータの読みで観測します。

以下のグラフで、
キャリアポイントは、fc=50.39048MHz
ツートーンの各周波数は、f1=700Hz、f2=2000Hz
です。

送信混変調特性

混変調歪みが生じた結果、
目的周波数近辺では
 fc+f1+f2
 fc+2f1-f2
少し離れたところで
 fc-f2
 fc+f1-2f2
などの周波数成分が観測されました。

これらは不要発射なので当然小さい方がよいですが、規定はどうなっているのでしょうか。

総務省の電波利用のホームページを見ると、電波利用に関する制度→その他の制度→無線設備のスプリアス発射の強度の許容値
http://www.tele.soumu.go.jp/j/sys/others/spurious/index.htm
に規定があります。

「適用する周波数範囲として、中心周波数から必要周波数帯幅の±250%離れた周波数を境界に、必要周波数帯の外側からこの境界までを帯域外領域、それより外側をスプリアス領域とすること。」という周波数範囲の定義を認識したうえで、

ここにある無線設備規則別表第三号と合わせて読むと不要発射の許容値は以下のように考えられます。

2.(1)にある表を見ると
周波数30MHz~54MHz、空中線電力1W~50W においては、

帯域外領域 スプリアス領域
1mW以下で、基本周波数の平均電力より60dB低い値 基本周波数の搬送波電力より60dB低い値

SSBの場合は、平均電力もしくは搬送波電力とされているところを尖頭電力と読み替えることが1.(2)に書かれていますが、30MHz以下のアマチュア局のSSB等に限定されているのでそのものズバリの規定ではありません。

別表第三号の最後の方、39項で、
30MHz以下の周波数の電波を使用するアマチュア局(人口衛星に開設すつアマチュア局の無線設備を遠隔操作するアマチュア局を含む。)の送信設備の帯域外領域におけるスプリアス発射の強度の許容値及びスプリアス領域における不要発射の強度の許容値は、2.(1)に規定する値にかかわらず次のとおりとする、として空中線電力5W超では以下のように記されています。

帯域外領域 スプリアス領域
50mW以下で、基本周波数の平均電力より40dB低い値 50mW以下で、基本周波数の尖頭電力より50dB低い値

この規定はSSBを念頭に置いて規定されているものの周波数30MHz以下が適用範囲なので、50MHz帯には適用できません。
50MHzSSBというのは規定上想定されていないようなので、いずれかの規定を準用するしかないのかもしれません。

電波法の規定領域を上記の送信混変調特性グラフに重ね合わせてみると数のようになります。

送信混変調特性

これを見ると、1mW以下、の方は当方では測定手段がありませんが、「60dB低い値」に対しては明らかに越えています。50dB低い値、40dB低い値で見てもやはり越えています。

なお、Sメータで測った値は尖頭値なのか平均値なのかということもあるのですが、帯域内の値も帯域外の値も同じSメータで測っているので、何dB以下ということで言えば同じことです。

ここは、後述しますがツートーンの入力レベルが高すぎてどこかの段でサチっている可能性がありますので、このようにして市販受信機をスペアナ代わりに使って送信混変調特性を測定することができることがわかった、という程度に見てください。

SSB波形

さて、40年前自作機TX編では、SSBの波形が笛と音さを使った苦し紛れものもしか取れなかったので、今回はツートーン発生器による波形をお見せします。

しかし、これがなかなか難しいです。
うっかりすると前回騙された思い込み波形にまた騙されてしまいます。
いわゆるSSB波形(ゼロクロスの波形)がオシロで観測されたとき、ツートーンのうち一方をOFFにします。これで、波形が振幅一定のCWになれば、正しいですが、ゼロクロス波形のままだとサンプリングの関係で見えた偽者です。
プローブのアースクリップをプローブ先端のつないでリンクコイルのようにしてアンテナ端子につけたダミーロードに電磁誘導結合して観測しました。

700Hz/2000Hz

これは、ツートーンが700Hz/1700Hzで、SSBらしい波形です。片方OFFにするとCW波形になるので間違っていません。しかしゼロクロスのところが甘い感じです。(2014/1/13追記:課題の実施つづきを参照)

これは、2周波をどんな値に選ぶか、あるいはプローブの当たり方で見え方が異なってきます。
次の写真は1250Hz/2000Hzです。
ダミーロードに直接プローブを当てています。
(因みにこの周波数の組み合わせでは電磁誘導結合して観測してもゼロクロス波形にはなりません。)

1250Hz/2000Hz

このようにAM波形のように見えてしまうこともあり、この辺りは安いデジタルオシロの限界ではないかと思います。

交信をしてみる

無線設備の変更申請

無線設備の変更となるので、測定と並行して本年(2013年)4月に総務省電子申請Liteで変更申請を行いました。TSS株式会社により技術基準適合認定の保証も得ました。この保証書(PDFファイル)を添付して総務省に送付したあと、どうなったのかわからなかったのですが、5月半ば申請システムを見てみたら「審査終了」となっていました。積極的に合格通知をくれるというものではないようです。

何はともあれ、これで40年振りに晴れて電波を出せることになりました。

相手を見つける

まずは、メーカー製リグで交信相手を見つけてから、自作機に切り替えて音を聞いてもらうことにします。

ところが50MHzはオンエアしている人がほとんどいません。Eスポが出ているときに遠方の局が聞こえるか、休日に関東近県の山に移動した人が出ているか、コンテストのときに聞こえるくらいです。
まともな電波が出ているかわからないので、できればローカルの方に相手をしてもらいたいなと思ったのですが、そういう人も見つからず、夏休み前に何度かCQを出してみたのですが、さっぱりでした。

あきらめて夏休み最後に、友人にクルマで自宅近くの川の土手まで移動してきてもらい、相手をしてもらいました。
直線距離で約2Km、高い建物はなくほぼ見通し。
この友人も電波を出すのは久し振りでリグは30年物のKENWOOD TS-670+モービルホイップ(垂直偏波)。
こちらのアンテナは約8m高のV型ダイポール(水平偏波)。

交信試験

自作機は尖頭電力23Wくらいが最大出力ですので、レファレンス用のFT-950は10Wに落としておきます。相手機TS-670も出力10Wです。

FT-950での交信

各々受信側のSメータを用いて、信号強度を見ます。
(Sメータの表示は絶対的な受信電界強度を表すものではありませんので目安です。)

 送信側   受信側    受信レベル 
 TS-670   FT-950   S8.5程度
 FT-950   TS-670   S9+少し

目立った障害物もない距離2Kmなので、もっと強く来るかと思いましたが、案外弱いです。偏波面も合っていないし、V型ダイポールの向きも合わせなかったからでしょうか。

自作機での交信

次に同じ周波数で、アンテナを自作機につなぎかえて、シングルトーンで調整後、音声を送信します。

 送信側   受信側   シングルトーン受信レベル 音声受信レベル
 TS-670   自作機   —   記録なし※ 
 自作機   TS-670   S9程度  S7~8程度

※自作機側での受信記録ありませんが、記憶ではS7~8程度だったと思います。

自作機の送信音質

受信側TS-670で自作機の送信音質を聞いてもらいました。

マイクと口の距離が5cmくらいだと、明らかに歪んだ音で全くだめとのこと。
40年前自作機TX編の最後で、自分がマイクでしゃべるとモニタ音が非常にバサバサした音に聞こえる、と言っていたのは、何のことはない、マイクに近づきすぎていたせいだったのです。

マイクと口の距離を30cmくらいにすると、ふつうにきれいに聞こえるとのこと。(前項の自作機送信時のTS-670による音声受信レベルS7~8は、ふつうにきれいにに聞こえる状態でのレベル。)

因みにきれいに聞こえる状態での送信出力は、

   プレート電流 Ip=50mA max 程度ですので、
   プレート入力 380V×50mA=19W PEP
   効率50%とすると送信出力9.5W程度となります。

シングルトーンでアンテナマッチングを取っているときは
   プレート電流 Ip=65mA 程度で
   プレート入力 380V×65mA=24.7W 
   シングルトーンでは効率が75%くらいあるので送信出力18.5W
  (PEPですが、シングルトーンは振幅一定のCWなので平均電力と同じ)

しかし、マイクと口の距離が5cmだと音が歪むことから、シングルトーンもレベルが高すぎて歪んでいる可能性はあります。

受信側TS-670では、これも30年物で内蔵スピーカーのビビりなどあったのとシングルトーンでの調整時はトーンの音質に着目していなかったためシングルトーンの受信音が歪んでいたかどうかは不明です。

自作機の送信キャリア漏れ

自作機をマイクオフにしてキャリア漏れがないが受信側TS-670で聞いてもらいました。
この結果、キャリア漏れ音は全く聞こえないとのことで、ICを使ったDBM+XFはしっかりできているようです。

今後の課題

マイクから口を話してしゃべれば、ふつうにきれいに聞こえるということで、40年来の懸案の自作機の電波はまともに出ることがわかったのでやれやれです。
しかし、まだまだやることはあります。

1. マイク音量ボリュームが接触不良で時々ガリガリ音がしたり無音になるので交換する。
 実はこれが簡単でなく、マイク音量VRは受信音量VRと同じ位置に2軸2連VR(=外側の軸と内側の軸が独立に回転できる)で実装されているが、これは現在では秋葉原で見かけない。メーカーに注文するしかないようなので、マイク音量VRは単連VRで別の位置に付け直すしかないかも。

             外側のレバー状のつまみがマイク音量VR

2. マイクに口を近づけると音が割れるのは、どこでサチっているためかもう一度調べて調整する。DBM前のAFか、あるいはDBM以降のRFのどこかでか?

3. 送信混変調特性は、測定はしたものの、ツートーンの入力レベルが高すぎでどこかでサチっている恐れがあるため、前項の結果を見て、適正な入力レベルにして再測定する。

4. 送受信周波数の微調整を行うRIT(もしくはClarifier)が合っていないことが今回交信してわかったので、調整する。

課題の実施 2013/12/22追記

前項の課題1,2,3につき対策を実施しました。

まずマイク音量VRは、結局2軸2連VRが入手できなかったため、ふつうの単連VRを2個並べました。

このあと、マイク入力過多にならないよう、入力オーバー表示LEDを付けました。

下の写真では、オシロの画面上で、入力オーバー時に青線の音声波形が黄線のスレッシホールド電圧を上回っており、赤色LED(装置裏面に仮り付け)が光っている様子がわかります。

実験中

マイク入力オーバーは、SSBジェネレータのバラモジ入力電圧が歪始めるところの電圧を検出しています。本当はマイクコンプレッサーもしくはAGCをつけて自動的に歪を防止すべきですが、簡単のためにこうしました。

入力オーバー検出基板です。

入力オーバー検出基板

LEDを正式にパネル面に付け直しました。

単連VR×2化とLED追加

赤色LEDが光らない状態でRF各段の波形がどこも歪んでいないことを確認したうえで、再度混変調歪を測定しました。

送信機とアンテナの距離が近すぎるせいかスプリアスのポイント数があまりに多いのと、背景ノイズを消すために、FT-950は前回と若干設定を変えました。
受信設定はFT-950の受信混変調歪対策で、IPOオン(RFアンプはスルーでMixer直結)、RF ATTを-12dBとしました。

キャリアポイントは、fc=50.39490MHz
ツートーンの各周波数は、f1=700Hz、f2=2000Hz
です。

この結果が下記グラフですが、前回に比べてちっともよくなっていません。

送信混変調特性

上のグラフでは、必要帯域の外側はどんどん減っていくように見えますが、上下をさらに広帯域に見ると、まわりに同じようなレベルのスプリアスがたくさんあることがわかります。(このグラフより外側にはもうありませんが。)

送信混変調(広帯域)

測定方法がよくないのか、送信機とアンテナが近すぎる近傍界のせいなのか。
しかし近傍界と遠方界の境目は、D=λ/2π で50MHzなら D=6m/2Π≒1m
なので、さすがにそれよりは距離があります。
では、本当にこれだけスプリアスが出ているのでしょうか。

終段S2001のバイアスなどを調整してみるなど、まだやることはあると思いますが今回はここまでとします。

(2013/12/22)

課題の実施つづき 2014/1/13追記

クロスオーバー歪

SSB波形の項で、ツートーンの波形の「ゼロクロスのところが甘い感じです。」と述べましたが、測定系の問題でなくクロスオーバー歪の疑いがあるため調べてみました。
今回、終段はAB1級の増幅器のため立ち上がりの非直線部分で出る歪がクロスオーバー歪みです。

プレートアイドリング電流は20mAの設定でしたが、真冬で部屋が寒いせいか17mA程度しか流れていません。S2001のアイドリング電流をどれくらい流すとよいの例がないか調べたところ、友人がFT-101ZDの取説に10W設定でS2001ではなく6146Bですが25mAという記述が見つけてくれたので、25mAでやってみました。

結果は変わらずです。
40mAにまで増やしてみましたがやはり変わらず。

ツートーンの周波数組み合わせを変えると見え方が大きく変化するため、この測定系では観測不能とあきらめました。

混変調歪再チャレンジ

この波形を観測していると、入力オーバー表示LEDが点灯していないときでも波形がややクリップすることに気が付きました。
実は前回、RF各段の波形を見たつもりだったのですが、ドライブ段までで終段は見ていませんでした。^^;

ツートーン入力でIp=50mA

これは、ツートーンが700Hz/1200Hzの波形で、比較的ゼロクロスに近い波形に見えています。
ツートーン入力でIp=50mA流すとクリップします。


ツートーン入力でIp=40mA

ツートーン入力でIp=40mAだとクリップしません。


よって、Ip=40mAの状態で混変調歪を再測定します。
ツートーンの周波数は前回と同じ、f1=700Hz、f2=2000Hzとします。

結果は以下のとおり、必要周波数帯幅内の信号ピークに対して、帯域外のスプリアスが、前回は15dBくらいしか落ちていなかったのに、今回は23dBくらい落ちていることがわかります。

送信混変調特性

広帯域で見ても、以下のように前回に比べ、まずスプリアスの本数が減っています。
今回、ざっとなめてみたところ数が減っているので、FT-950の受信アッテネータはOFFで測定しましたが、それでもこれだけ少なくなりました。

スプリアス領域のスプリアス強度も信号に比べ、30dB以上落ちており、かなりよくなりました。

送信混変調特性(広帯域)

あまりパワーを欲張らずに静かにしゃべればまずますではないかというのがここまでやってわかったことです。
送信パワーはだいぶ減りました。

Ip電流計は平均値なので
380V×40mA=15.2W入力 効率50%とすると出力7.6Wくらい。
Ip=50mAまで許せば 
380×50mA=19W で9.5Wくらいになります。

昔の製作記事でスピーチコンプレッサーがよく載っていましたが、できるだけピークを抑えて平均電力を上げようとすることの必要性が今回よくわかりました。

RITの確認

課題の4番にあげてあったRIT(Clarifier)を調べました。
その結果、以下のことがわかりました。

  • 可変範囲は、送信周波数に対して-8.2KHz、+4.6KHz程度。
  • RITツマミはほぼセンター付近で送信周波数に一致させられる。

あまり微妙な周波数調整はできませんが、一応機能としては問題ないということで、実際に使ってみて不便であれば直すことにします。

編集後記

今回は、前回更新から5ヶ月もかかってしまいました。

いろいろと他にもやることがあるとは言え、期待して読んでくださっている方には申し訳ありません。

その割りには、規定を満足するデータが取れていませんが、まともなデータが取れるまでにはさらに時間がかかりそうなので、ここは一旦切ってHP掲載することにしました。

継続は力なり。細く長くなんとか続けて行きたいと思います。

(2013/8/25)

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