特集電波解読マシン Pi ラジオの製作 ・ピン互換製品が多く入手性の良いバッケージを選ぶ 受信電波を扱いやすいレベルに増幅 今回選んだのは HMC599 ( アナログ・デバイセズ , するロー・ノイズ・アンプ 旧 Hittite) です . 主な仕様を表 1 に示します . 図 2 の ・ノイズ小さいアンプがいい ように , 周波数範囲は IGHz までしか記載がありませ アンテナから最初に信号が入力される受信機のフロ んが 2GHz まで使います . 長期入手性も考えて選びま ントエンドには , S/N を改善するために , ロー・ノイ 図 3 のような SOT ー 89 パッケージ品を選ぶと , ピン ズ・アンプ (LNA) を配置します . こで信号レベル 互換で 2GHz 以上まで周波数特性が伸びた高性能ロ を大きくしておけば , このアンプ以降の半導体が発生 ・ノイズ・アンプが数多く選べます . する熱雑音が相対的に信号より小さくなります . 初段のアンプだけは , ノイズ特性を表すパラメータ , ・ 3 次ひずみの小さいアンプがいい ノイズ・フィギュア (NF) ができるだけ小さなアンプ 受信機初段のアンプはひずみ特性も重要です . を選択します . 初段以降はル F がある程度大きくなっ LNA で問題になるのは主に 3 次ひずみ特性で , これ ても影響は小さくなるため , 気にするのは初段だけで が悪いと , 受信するつもりのない強い信号がアンテナ 大丈夫です (Appendix1 参照 ). 表 1 ロー・ノイズ・アンプ LMC599 の主な仕様 2GHz でもある程度の特性が保たれていることを期待して選んでいる パラメータ イントロタクション 1 一 2 一 3 4 5 6 7 単位 最小値 典型値 最大値 13 14.5 dB 12 14 dB/ ℃ 0. 開 5 dB dBm dBm dBm dB mA 50 ー 5 開 MHz ゲイン ( S21 ) 500 ー 1000 MHz ゲインの温度変動 50 ー 1 開 0 MHz 50 ー 58 MHz 入力リターン・ロス (SII) 5 開ー 1 開 0 MHz 50 ー 5 開 MHz 出力リターン・ロス ( S22 ) 5 側ー 1 開 0 MHz リバース・アイソレーション ( S12 ) 50 ー 10 開 MHz 1 dB ゲイン・コンプレッション出力 (P1dB) 50 - 5 開 MHz 3 次インターセプト出力 ( IP3 ) 50 ー 58 MHz ー 10 dBm per tone, 1 MHz 間隔 ) 5 開ー 1 開 0 MHz out ノイズ・フィギュア (NF) 50 ー 1 開 0 MHz 消費電流 ( あ〃 ) つな一 5 0 ワ】 0 ひすみ特性にも注目 ロー・ノイズ・アンプ の良し悪しを表す重要 なパラメータ 140 100 C 十十で記述 ( プログラマプル ) VHDL で記述 サンプリング周波数を落とす ( プログラマプル ) デシメーション・フィルタ FPGA ② CIC フィルタ CIC 1 / 32 CIC 1 / 64 : ・パイ 3 タ 1 フ - ア④ 3 バッファ 2 x 1024 x 10 ビ、ソト ⑥ Linux の ALSA オーディオ 出力処理 オ イ オ ⑤ FM 復調 CIC フィルタの補正 & アンチェイリアス ⑧画面表示 PDM 50Msps または 24kspsx 2 CLK モニタ ⑦ FFT 解析 シンセサイザ制御 帯域幅選択 サンプリング切り替え 61 ンシスタ技術 2017 年 1 月号

Appendix 1 無線機の感度や最大入力レベルの検討に 欠かせないひずみや S / Ⅳの机上計算 ル F の影響は最も信号の小さな初段で多大です . そ 0 ノイズ特性の検討方法 れ以降のアンプでは , すでに信号を増幅した後なので , ・ノイズ・フィギュアの定義 相対的に F の影響は小さくなります . 微弱な信号を増幅するアンプを設計するとき重要な 特性の一つがノイズ・フィギュア (Noise Figure, ・ノイズと信号のレベルを計算して S / Ⅳが足りてい ル F ) と呼ばれるパラメータです . るか検討しながら設計していく 受信器の各段でノイズや信号のレベルがどのくらい ある信号をアンプに通した際に発生するノイズを式 で表すと , 以下のようになります . になっているのか , ExceI などの表計算ソフトウェア を使ってまとめていくと , 見通しが良くなります . 各 + G. 4 石 段の信号レベルをまとめた図をレベル・チャートとい ーのアンプから出力されるノイ います . Pi ラジオでの例を図 B に示します . ズ [V], ル : 前段が出力しているノイズ [V], 無線受信機では , レベル・チャートを設計初期に作 FN : このアンプのノイズ・フィギュア [ 倍 ] , 成し , 受信性能を見積もりや部品選定に利用します . の : このアンプのゲイン [ 倍 ] , れ : 常温 S / Ⅳを求めるには , 受信する帯域幅を決める必要が ( 3 開 K) の熱雑音 ( 174 dBm/Hz + 1010g Ⅲの あります . 帯域幅が決まらないと , 熱雑音の値が求ま 真数値 ) CV], ル : 扱いたい帯域幅 [Hz] らないからです . この例では , 衛星 NOAA の受信に 上記の数値は全て真数で , dB ではありません . NF 必要な帯域を考え , ル = 10kHz として計算していま は dB で表記されることが多く , 変換して計算する す . 必要があります . ■ひずみ特性の検討方法 のの項は , 信号がゲイン倍に増幅されるのと同 ・デバイスのひずみ特性の表され方 様に , 前段のノイズも , このアンプでゲイン倍に増幅 されることを意味しています . アンプなど非線形動作する回路に信号を入力すると 注意が必要なのは , F Ⅳ GA れの項です . 入力レベ 出力がひずみます . ルに関係なく , 一定のノイズが加算されることを示し 単一周波数 , つまり正弦波の入力を想定すると , ひ ています . この成分が小さくないと , 余計なノイズが ずみによって 2 次 , 3 次 , ・・・の高調波が発生します . 足されることになります . こで足されたノイズは , ひずみ成分の大半は , 2 次ひずみと 3 次ひずみです . このアンプの後ろでさらに増幅されます . ひずみはアンプの出力が大きくなるほど増加します が , 2 次ひずみは入出力 IdB 増加に対して 2dB ずつ , 最大入力 4dBm = 1 Vp-p ー 1 0 ー 1 0 信号 —20 —20 —30 —30 —40 —40 —50 —50 —60 —60 —70 —70 —80 E —80 —90 ー 1 00 ー 1 00 ー 1 20 ー 1 20 ー 1 30 ー 1 30 ー 1 40 ノイズ ー 1 40 ー 1 50 ( なル ー 1 50 ー 1 60 ー 1 60 ー 1 70 ー 1 70 ー 1 80 最大人力時は 2 次ひすみが支配的 2 次ひすみ ADC に人力される とき S//V は 10dB 3 次ひすみ 2 次 ひすみ 最小人力時は ノイズ ( なル = 1 OkHz) ノイズが支配的 = 10kHz) ノイズ密度 CdBm/Hz] ノイズ密度 [ dBm / H 幻 MOD MOD LNA LPF (a) 人力信号最小 (b) 人力信号最大 図 B Pi ラジオのレベル・チャート 設計に利用する . 入力レベルが大きくなると , ノイズよりもひずみのほうが影響する ExceI などの表計算ソフトウェアを使って計算し , ANT AMP LPF AMP LNA 68 ンタ技術 2017 年 1 月号

特集 電波解読マシン Pi ラジオの製作 アンプ IF AMP BPF IF AMP MIX BPF イントロダクション 1 2 一 3 一 4 5 6 7 なン えみ : シ IFAMP BPF IF AMP BPF LNA MIX BPF ANT IN 2nd LO 1 st LO フィルタ 図 2 アナログ受信機の一般的な構成 不要な信号を除去して必要な信号だけ取り出すために , 何回もフィルタ を通る 復調器 域復調や高度なディジタル復調に挑戦することも可能 AM/FM など です . フィルタのお化けなのです . 受信機はどれもアンプと アナログ受信機では , セラミック・フィルタやクリ フィルタのお化け スタル・フィルタ , SAW フィルタなど , フィルタの デバイスを使い分けて適材適所の設計をします . ・無線機は必要な信号成分だけを取り出す操作を何 ディジタル・フィルタも以下に示す 3 種類フィルタ 度も繰り返す アナログ受信機のプロック図を図 2 に示します . た を用途に応じて使い分けます . 実現手段は , ソフトウ だひたすらにフィルタとアンプが交互に並んでいます . ェア , または FPGA などのディジタル回路です . ソフトウェア無線 (SDR : Software Defined Radio) は , ・ C ℃フィルタ : 特性はいまいちだが小さい規模で この回路プロックをソフトウェアに置き換えていくも 大きな減衰特性が得られる . 乗算を使わないので のなので , やはりフィルタが主役になります . ハードウェア ( FPGA ) で実装しやすい アナログであろうとソフトウェアであろうと , 無線 ・ F 旧フィルタ : 最も高性能だが最も回路規模が大一 の受信機は , 信号以外の不要な成分を順次削っていく アンプ LPF AF AMP スピーカ FPGA の設定データを 記憶させる RO M FPGA の設定データを書き 込むためのピン・ヘッダ ポード上で一番 大きな℃が FPGA 周波数変更ダイヤルの ロータリ・エンコーダ . 1 この信号も FPGA で解 釈する 写真 1 2GHz Pi レシーバ拡張ポードで一番目立つのが FPGA ンタ技術 2017 年 1 月号 73

図 8 音声認識 Pi リモコンを作ってみよう ておく必要があります . 詳細は , 本誌 2016 年 8 月号ま ウェアです . 公式ページの URL は次のとおりです . たは特設サイト (http://toragi.cqpub.co.jp/tabid/807/ http:〃j ulius. osdn. j p/ Default. aspx) を参照してください . 本器は , 発音の個人差やマイク感度によって認識率 次の 3 つのソフトウェアを利用します . に差が出ます . 実用に耐える高い認識率がありますが , ( 1 ) Julius 音声認識工ンジン どきどき認識間違いが発生します . 人命に関わるよう ( 2 ) ディクテーション・キット な用途には利用しないでください . ③文法認識キット ■ステップ 1 素材を準備する ■ステップ 2 音声認識ソフトウェアをセ ・マイク・アンプ ットアップして , 辞書ファイルと文法ファ Pumpkin Pi に接続するマイクはアンプ内蔵タイプ イルを作る を利用してください . アンプを内蔵していない場合は , アンプなどで増幅する必要があります . 私はゲイン ①マイクから入力した音声を取り込む設定 20dB のマイク・アンプ ( コラム C) とステレオ・マイ 手順 1 クロホン AT9902 ( オーディオ・テクニカ製 , 写真 4 ) 次のように arecord コマンドを使って , マイクから を組み合わせました . 音声信号が正しく入力されているかを確認します . ・ソフトウェア Julius の仕様に合わせて , サンプリング周波数は 48 kHz に設定します . カード番号とデバイス番号も Julius は , 日本の大学で生まれた音声認識用フリー ーコラム A Ju ⅱ us の認識成功率を高める方法 1 す . 適切な音量管理も必要です . 音量を上げすぎる一 Ju ⅱ us の認識率は , 辞書ファイルでわかりやすい と , 音が割れて認識率が下がります . 逆に音量が小・ : 発音を選ぶと高まります . 似たような発音を選ぶと さすぎると反応しません . 騒音や雑音も認識率を下生 : 区別しにくくなります . 短い発音は間違いが増えま す . 「おん」と「おふ」は短く違いも少ないため , げる要因になります . 辞書に登録する言葉が多すぎても誤認が増えます . : . 辞書にはふさわしくありません . 読みは紐づけなので , "Hungry" の読み ( 発音 ) を また声に出すときに , 滑舌よくはっきりと発音す るとよいでしよう . 早い発音は認識間違いが多くな 「わんわん」としてもかまいません . く小野寺康幸〉 1 ります . ゆっくり目で発音すると認識率が上がりま ン汳タ技術 2017 年 1 月号、 盟盟ⅢⅢ物は■Ⅲ川Ⅲ聞日広 ⅡⅢⅢ川川川Ⅲ・調Ⅲ川川い Ⅲ川川第川Ⅲⅱ■ⅱⅢ川物ⅢⅢ川 . Ⅲ川Ⅲ川川■聞ⅢⅢⅢⅢ川 川Ⅲ川Ⅲ川Ⅲー盟ⅢⅢⅢ川ⅢⅢ ⅢⅢⅢリⅢⅢⅢ・ i ⅢⅢⅢⅢⅡⅢい Ⅲ朏ⅢⅢⅢⅢ劇ⅱⅢⅢⅢし / - ⅧⅢ川ⅢⅢⅢーⅡⅣ 4 ザい : 手ャンネル苗 Ⅲ川ⅡⅢⅢⅢ・ⅢⅢⅡⅢⅢⅢⅢ 貊声認識 回モコ / ⅧⅢ脳 0 140

1 6bit/25MHz 高速変換 A ロコンバータユニット TUSB-0216ADMH 短時間で瞬時に発生する現象を的確に捕 え、高分解能で正確に記録。 F 旧 0 方式メモ \ 148 , 000 リでパソコンに高速データ転送しながらの 連続変換、プレトリガ方式によりトリガ以 = 二前の信号も確実に記録できます。・チャン マンド、入力信号レベル、外部バルス 方式 ( プレトリガ機能有 ) : コンピュータコ ・メモリ容量 : 2M ワード曰 FO 方式・トリガ ネル数 : 2ch ・変換速度 : 25MHz ( 2ch 同時 ) 超高速変換 AD コンバータ TUSB-0212ADM2Z \ 98 , 000 TUSB-0216ADMZ \ 95 , 000 TLJSB-1612ADSM-S2Z \ 55000 12bit/50MHz/2MW 日 FO 1 OOKHz/512KW 日 FO 1 OOKHz/256KW 日 FO AD コンバータ 16 ヒット / ユニット 12 ビット / 高速、高分解能 高速変換 AD コンバータ qoHS qoHS 高速・ 4ch ・ BNC/AD マルチチャンネル I/V コンバータアンプ コンバータ 12 ヒット・ T-lVA0008BAC IOOKHZ / 256KW 日 FO \ 240 , 000 TUSB-0412ADSM-S2Z \ 55 , 000 80HS 高電圧、高速度出力アンプ、 出力電圧 600Vpp 複数のフォトダイオード、光電子増倍管など の信号を一括処理できる 8ch のマルチチャ ンネルレ V コンバータです。小型軽量、低コ ストで、接続の手間を簡略化し、準備時間 の短縮化、スペースファクタの向上が見込 まれます。・チャンネル数 : 8ch ・入力端子 : BNC ・標準変換抵抗 : IMQ ・変換誤差 : 士 2 % 以内 T-HVA02 \ 790 , 000 出力電圧 600Vpp の高速度直流アンプで す。 48V s のスルーレイトで大振幅応答 性が非常に優れています。最大出力電流は 1051A と余裕の出力で多くのシーンで活用 できます。微調ダイアル付オフセット調整機 能を備え、さらに用途が広がります。・出力抵 抗 : 約 10C ・入力抵抗 : IOKQ ・利得 : 30 倍 計測・制御・通信機器分野の キー・ツールをお届けして 35 年。 DC から 1 MHz までが 通過する広帯域絶縁 増幅器 ( 電源付 ) T-ISAOOIAC \ 52 , 000 T-IVAOOIHZ \ 46 , 000 100GQ/DC—2KHz コンバータ IOGQ 、 超高感度電流 / 電圧 TUSB-S01TC2Z \ 22 , 000 に対応 1ch/B,R,S,N,K,E,J,T 熱電対用コンバータ qoHS 実験、計測用 高速度出力アンプ 高電圧出力 200VPP T-HVA03 \ 8 , 000 T-IVAOOIBZ \ 79 , 000 乾電池使用も可。 アンプ変換率 IM 。 簡易型電流電圧変換 回圧、局蚫、 大出力アンプ士 40W 広帯域、低雑音 Bch 完全絶縁方式アンプ 士 50mA / 利得 24dB T-AMP03HC \ 50 , 000 T-lSA008AC \ 400 , 000 み■ 0 第 00 試験、研究用に最適な低価格完全絶縁方 式のアンプです。入出力間、入力側、出力側 各々のチャンネル間の全てが絶縁されていま す。オプションのブラケット併用でラックへの マウントも可能です。 1MHz の広帯域、リニア 伝送方式による低圧音出力など優れた多く の特長を備え、幅広い用途に対応します。 DC から 20MHz までが加速度センサコンバータロードセルコンバータ 通過する 広帯域増幅器 T-WBAOIZ \ 29 , 800 1 ch/O. 1 Hz—1 OKHz/ 1 ch/±8000ust/ 利得 100 倍 10msec TUSB-SOIACC \ 33300 TUSB-S01LC2Z \ 24 , 000 計測・制御・通信機器の特注品受託なら。 白金センサ用コンバータ Pt1 OO 用、 2 / 3 / 4 線式 全対応 TUSB-S01PT2Z \ 22 , 400 お客様の用途と要求スペックをお聞かせください。貴社仕様の製品を ご提案します。・既存の製品では目的が達成できない・システムに合っ た最適なソフトを作成したい・予算を大幅に超えてしまう・将来を見据 特注品受託 承ります えた製品を開発したい等など。小は手のひらに乗る小さな増幅器から、大は発電所の制御 装置など、お客様の要求仕様に合わせてハードとソフトを特注で設計製作しています。お 客様のご希望に合った機器・ソフトウェア開発・システム構築などを素早くご提案します。 " 常にユーザーの立場で考える " 私たちタートル工業にお気軽にご相談ください。 お客様の。困った ! どうにかならないか ! " を解決します。朝朝朝朝 さまざまな技術相談を受付けています。 ・こんな機能の装置、機器の製作は可能か ? ・ OP アンプで増幅器を作ったが発信し てうまく動作しないかっ原因が究明できない・形状・大きさ・重量などの条件が厳し い・温度調節の方法を詳しく知りたい等など。私たちにお気軽にご質問ください。弊 社製品に関すること以外も受付けています。ホームページ上の [ お問合せフォーム ] よりご質問ください。できるだけ早く E メールで回答を差上げます。 ー株式会社タートル工業 TLJRTLE Ⅲ4ロ」 STRY CO ” Ltd. 問合わせ下さい。 期間などお気軽にお 下さい。対象製品、 見て、触れて、お試し います。この機会に 製品の貸出を行って 実施中 ! キャンペーン 製品貸出 ご注文方法とお願い *MAILS FAX 又は郵便にて注文書をお 送り下さい。商品は原則として即納です。 商品が到着次第ご確認の上、弊社指定 口座に 1 週間以内にお振込み下さい。 * お買い上げ総額 1 万円未満の場合、配 送料 750 円がかかります。振込み手数料 もお客様のご負担となります。 * 全製品の詳細カタログ、取説等が ホームページよりダウンロードできます。 * 価格には消費税が含まれていません。 〒 300-0842 茨城県土浦市西根南 1 -12-4 TEL ℃ 29-843-0045 ( 代 ) FAX. 029-843-2024 ンタ技術 2017 年 1 月号 Home Page : http://www.turtle-ind. CO. jp Email : info@turtle-ind. CO. jp 243

リング周波数 48 kHz 対応に設定されています . 96kHz の WAV ファイルを再生するためには , 上記の ー「オプションを指定します . ③マルチ Pi テスタ t 測用 A ー D コンバータ MCP3422 を使って , デー タ・ロガーを作り , バッテリの放電特性を測ってみま した . MCP3422 の A ー D 分解能は 16 ビット , 内蔵ア ンプのゲインは 1 倍に設定します . 入力電圧の最大値 は 2.048V です . 12C アドレスは 0X68 ( 7 ビット ) です . ・ラズベリー・バイのセットアップ ステップ 1 コンフィグ設定で 12C を有効にします . $ sudO raspi ー config ステップ 2 i2c ー tools をインストールします . $ sudO apt ー get install i2c ー t001S ステップ 3 次のようにコマンドを入力して , ラズベリー・パイ が MCP3422 を認識しているか確認します . $ sudo i2cdetect ー y 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 10 : ー 20 : ー 30 : ー 4 仕ー 50 : ー 60 : ー 70 : ステップ 4 MCP3422 の CHI 入力から , データ取得する C プロ グラム (getCH1. c) を用意しました . CH2 用は getCH2. c です . ソースは PumpkinPi/ADC ディレクトリにあ ーコラム C 800 時間連続動作 ! 手軽に作 1 れるボータブル・マイク・アンプ回路 図 E に示すのは , OP アンプ NJM2732 を使った : ゲイン 20 dB のマイク・アンプです . コンデン サ・マイクにバイアス電圧を加えます . 電源は単 : ・ 4X2 本で動作し , 消費電流は約 1mA です . 容量 ー 800mAh の電池と組み合わせれば , 800 時間連続ー く小野寺康幸〉 1 ・動作します . 1 0k C5 + 1 0k VDD GND GND 2.2k 03 R3 0.47 ″ 1 Ok 図 E 電池で長時間動く / 定番 OP アンプで簡単に作ー れるマイク・アンプ ンタ技術 2017 年 1 月号… 旨ロ ー 68 ー リスト 5 ハイレゾ Pi レコーダの制作・・・録音するときのコマン ド入力例 $ arecord —vD hw:l, 0 —c 2 —d 60 ¯r 96000 —f S16 LE test.wav Signed 16 bit Recording WAVE ー test. wav' Litt1e Endian,Rate 96000 Hz,Stereo Hardware PCM card 1 ー snd—rpi_pcm1808 dac ー device 0 subdevice 0 lts setup is: S t r e am acceSS format subformat channels rate exact rate msbits buffer size period Size period time tstamp mode period step min period event start threshold 4 8 0 0 0 stop_threshold silence threshold: 0 silence Size 15 7 2 8 6 4 0 0 0 boundary appl_ptr hw_ptr VDD 1 CAPTURE RW 工 NTERLEAVED S16 LE STD 9 6 0 0 0 9 6 0 0 0 ( 9 60 0 0/1 ) 1 6 4 8 0 0 0 12 0 0 0 12 5 0 0 0 NONE 12 0 0 0 2.2k 01 10k 0.47 47 ″ N J M 2732 ( 新日本無線 ) LOUT GND R2 lJ1b N J M 2732 47 ROI_JT 146

日本アマチュア無線連盟のウエプ・サイト ( 3 ) を参照 発生させます . その出力を TO ー 92 型パッケージの小 してください . さなスイッチング用 MOSFET BS ー 170 を 3 個並列に ( 3 ) 送信電力 したパワー・アンプを通して出力します . 単位を dBm にしたときの 2 桁の数字で表します . 周波数シンセサイザの出力は矩形波なので , そのま 1 W なら 30 dBm なので , 30 になります . この電力の までは不要な高調波が多く出ます . 図 3 の回路の後に , 値はあらかじめ実測しておきます . WSPR では基本的 LC を使った兀型 3 段のローパス・フィルタをつなぎ , に 5W 以下の送信電力で送信します . 私の場合は , 周 高調波を減らした後に送信アンテナをつなぎます . 波数によって違いますが , 0.5 ~ 2 W です . 0.5 W なら 周波数シンセサイザは広範囲の周波数が発生できる 27 , 2 W なら 33 となるわけです . ので , 長波帯 , 中波帯 , 短波帯 , VHF 帯の一部での 送信が可能です . もちろん , 電波を発射できるのは , ・ハードウェアはシンプル 国から許可されたアマチュア無線帯域内に限ります . 図 3 は , WSPR 送信機の回路例です . UItimate3S と 送信用のデータはあらかじめマイコンのフラッシ ュ・メモリに書き込んでおきます . いう名前のキットとして販売されている回路で , もっ ばら送信のみを行う無線局に使われています . ワンチップ・マイコンの ATmega328 で周波数シン ・ GPS を利用して正確な時刻と周波数精度を得る セサイザ IC Si5351A を直接制御し , 必要な周波数を WSPR システムでは時刻と周波数の精度がとても重 十 5V ICI ATmega328 ( マイクロチップ・テクノロジー ) 20 7 100k Vcc ん c R ES ET PBO PC2 PC4 PCI PD6 PDI PD2 PD3 PD4 PD7 PCO PB2 PB3 PB4 PC 3 PCS PD5 PDO RBI GND AGND ARef 8 22 21 07 * 2 RI 3 100k コントラスト 1 00k 4 RS 5 RW 6 EN 1602A D キャラクタ 1 3 D6 = 液畠表示 1 2 D5 モジュール D4 100 Q D3 9 D2 8 DV DO ISP RESET SWI SW2 1 ーっ」 270Q (T) っ -) ( 0 冂 / 8 ( 0 っ乙 - ・仄 ) ( 0 4 ー CN.J 4 ー 4 ー一 4 ー・ワ」 4 ー・ 4 ー 03 * 22P 20MHz= 02 * 22P KEY ISP SCK 9 1 0 XTALI XTAL2 PB5 A 1 5 Band 0 Band 1 Band 2 Band 3 Band 4 Band 5 多バンド化し ISP MOSI たときのフィ ルタ切り替え ISP MISO 信号出力 RF アンプ BS170x3 パワー・アンプ パワー・アンプ電源 バイアス十 5V 調整 R5 トロイダル・ 4.7k 08 乙 1 コア FT37 ー 43 ー 25 ターン 4.7k 05 0.1 T 「 3 K 16 1 9 GND 1 28 2 1 PPS RXD GPS レシーバ と接続 GND LDC 表示器 1 6 文字 x2 行 ヒータ 十 5V 8 十 5V コントロール用 マイコン 9 1 0 1 1 HTR 0 0 12C 1 + 5V 1 3 SCL 1 4 GND SDA Si5351A 1 9 7 ( シリコン・ラボラ 2() トリーズ ) Si5351A 17 1 5 モジュール 1 6 T 「 2 * T 「 1 ー出力 ー LPF へ CLK2 CLKI CLKO BS170 BSI 70 BS170 RF アンプの BS170X3 のあとに . 多バンド化のための 周波数シンセサイザ * のついた部品はオプションで . LPF 切り替え囘路と高調波抑止のための LPF がある Si5351 A キットに含まれない 図 3 ②短波伝搬状況報告システム WSPR に使えるマルチモード送信機キット Ultimate3S の回路図 周波数シンセサイザとそれを制御するマイコン , 表示機とスイッチ , RF アンプの MOSFET というシンプルな構成 102 トランタ技術 2017 年 1 月号

特集電波解読マシン Pi ラジオの製作 アナログ イ ン にゃあでき っこない ロ 1 . ・動賤動賤動賤 Appendix ナルホド ! だからフルティシタル無線機 Pi ラシオは高性能 フィルタリング , ゲイン調整 , ミキシング・・・入口から出口まで全部計算処理 1 1 20MHz LO O 冖 0 1 ー ミキサ 5 ) O 一 1 ー に測豼 ・豼疆服服服疆服 30MHz 0 50 1 00 1 50 200 250 300 時間 Cns] 10MHz と 50MHz が 得られる . 50MHz だけ欲しいなら , 10MHz を除却する フィルタを通す 0 50 1 00 1 50 200 250 300 時間 Cns] 1 図 1 周波数の異なる信号を乗 算するミキサはティジタル演算 が使えると理論通りに動く アナログ回路のミキサだと , ひず みや信号漏れなどいろいろな非理 想性があって解決が大変 ・周波数特性補正やひずみ補正などアナログ回路で ・思い通りのフィルタを設計できる は実現が難しい処理も可能になる アナログの世界でもフィルタの知識は重要でしたが , ディジタル信号処理を施すことで , アナログ回路で ソフトウェア無線 (SDR, Software Defined Radio) の は実現できなかったさまざまな処理を実現できます . 世界では , さらに重要になります . 例えば , アナログ回路の周波数特性やひすみのために ディジタル・フィルタを理解して自分で設計できる 7 劣化した信号をディジタル処理で元に戻すこともでき ようになれば , 思い通りの SDR を作って試せます . アナログ回路にありがちなデバイス固有の問題に振り 周波数特性補正 回される事はほとんどなく , パソコン上だけで色々な 図 2 に示すように , アナログ回路の周波数特性と逆 受信機を実験できます . これまでハードウェアで苦労 特性のディジタル・フィルタを用意して信号を通すと , してきた私にとっては , 魔法のような印象です . 元の信号に戻すことが可能です . ディジタル・フィルタの一種である FIR フィルタは ・増幅や周波数変換に余計な誤差や信号が発生しな 周波数特性を任意に設定できるので , どのような周波 数特性でもほば補正できます . アナログ回路の特性に アナログ・アンプで信号を増幅する場合 , 周波数帯 対してではありませんが , Pi ラジオでも周波数特性補 域の平坦度など , いろいろな項目の検討が必要です . 正を利用しています . 不要な信号を受信機内部で発生させる原因となるひず 加えて言うと , FIR フィルタは急峻な特性を持って み性能も , 重要な検討項目です . いても位相特性が直線で ( これを定群遅延と呼ぶ ) , 波 ところが , ソフトウェアで信号を増幅するのと同等 形を崩すことなく信号処理が可能です . アナログ・フ な処理は , ただの演算です . 何の苦労もなく実現でき イルタは図 3 のような特性で , 位相直線は不可能です . ます . 非線形なひすみが発生することもありません . 送信波形のひずみを減らす 図 1 は , EXCEL を使ってミキサをソフトウェアで あらかじめディジタル処理によって , アンプで発生 処理するようすを示したものです . するはずのひずみと逆方向にひすみませた信号をアナ アナログ・ミキサもアンプと同じように周波数特性 ログ・アンプに通すことで , 理想的な波形を出力する やひずみが問題になりますが , ソフトウェア処理では こともできます ( 図 4 ). 問題になりません . 大きなパワーが必要な送信アンプは , 電力を節約し 受信機の内部には , 必す数カ所のミキサが存在しま ようとするとひすみが多くなりがちです . その特性を す . なるべくソフトウェアで実現できると , 楽ができ 改善するために用いられていて , いまや通信の世界で ます . 0 50 1 00 1 50 200 250 300 時間 Cns] し、 41 ンタ技術 2017 年 1 月号

特集電波解読マシン Pi ラジオの製作 オーディオ 帯域 アンプ スピーカ イントロダクション 1 2 3 4 5 6 7 LPF (CIC フィルタ ) アンテナ からの 入力 A-D LPF コンバ ータ ミキサ 復調 1 st LO ディジタル 信号 図 5 理想的なソフトウェア受信機のプロック図 受信したい周波数が高いと , A ー D コンバータも CPU も非現実的になってくる アンテナ 低雑音 アンプ 人力 アナログ 信号 局部発振器 ソフトウェア からの 中間周波数 アンプ A-D LPF BPF BPF コンバータ ミキサ 1 st LO 局部発振器 ハードウェアの帯域制限があり , できることが限られる 図 6 現実的なソフトウェア受信機のプロック図 アナログ回路で増幅 , 周波数変換を行って扱いやすい信号にしてから処 理する 変化し , プレーヤの交代が起こります . これはかって 我々が見てきた通りです . 無線通信の世界でも着実に 変化が始まっています . ■ハードウェア部分の設計は ・ RF ワンチップ℃を組み合わせれば 0 K キット任せで始められる A ー D 変換の前はアナログ回路が必要ですが , 最近 は RF 回路のワンチップ化が進んでいるため , 各デバ ・ソフトウェア無線の実現方法 理想的な SDR のハードウェアは , 図 5 に示すよう イスを 50 Q 伝送路で接続するだけ , あまり設計らし にアンテナに A ー D コンバータをつなぐだけ , 後段は いことをしなくても , フロントエンド部分を完成させ られます . Pi ラジオのフロントエンドも RF ワンチッ 全てソフトウェアで処理するような状態です . とはい プ IC を組み合わせてできています . え , 現状ではデバイスの性能的にちょっと無理です . 現時点の SDR は , 図 6 のような構成が一般的です . アンテナの信号をアナログ回路による周波数変換器を ・ソフトウェア無線用の基板キットや℃が利用できる SDR に特化したワンチップの SoC や , ハードウェ 通して低い周波数にしてから A ー D 変換し , FPGA な どのディジタル・ハードウェアで信号処理を行ってデ ア部が完成している SDR ポードも色々と市販されて います . FPGA とソフトウェアの開発環境さえあれば , ータ量を減らしてから , ソフトウェア処理に入ります . ソフトウェア無線機を全て自分の手で設計するとな SDR を始められます . ると , FPGA などのディジタル信号処理の知識と , 後 本特集で使う Pi ラジオも , キットとして販売します . ハードウェアを製作する必要はありません . 段のソフトウェアでの信号処理の技術が不可欠です . 製作した Pi ラジオのフルキットを開発中 / 羊細は本誌特設サイト「 Pi ラジオ実験室」まで ・ 2 GHz Pi レシーバ拡張ホード 予価 : 64 , 000 円 ( 税別 ) ・部品実装済み ( はんだ付け不要 ) ・ FPGA のコンフィグ・データ書き込み済み ラズベリ ・パイ 3 と , ラズベリー・パイ 3 上で 動く OS やソフトウェアを用意するだけで使えます . LPF ( FIR フィルタ ) LPF 復調 ソフトウェア オーディオ 帯域のアンプ スピーカ 一三ロ ・ Pi ラシオフルキット 予価 : 100 , 000 円 ( 税別 ) 2GHz Pi レシーバ拡張ボードに加え , ラズベリ ・パイ 3 , 加工済みケース , 液品パネル , ロータリ・ 工ンコーダなどがセットになっています . バッテリ は含まれません . 39 ンタ技術 2017 年 1 月号

アナログロ路 0 目目 A-D FIR フィルタ コンバータ (a) アナログ囘路の周波数特性 (b) FIR フィルタで作った逆特性の周波数 (c) 補正してフラットな周波数特性を得る 図 2 SDR はすごい①・・・アナログ回路の周波数特性が平坦でない部分をディジタルでカバーする アナログ回路で逆特性を作るのは難しいが , ディジタルなら可能 は一般的な技術です . ・さすがの SDR も A ー D 変換前に信号がくずれてし まったら形なし ソフトウェア処理およびディジタル処理固有の問題 として , 工イリアシングがあります . これを上手く回 避する必要があります . ディジタル・フィルタをうま く選ぶことで対処可能です . むしろソフトウェア無線で問題になるのは , A ー D 変換するより前 , 一定のレベルにまでアナログ・アン プで増幅する部分です . この段階までにノイズが混入 したりひずんだりしたら , 後のソフトウェアで取り除 くのが大変です . こだけは , アナログ回路で頑張る 伽東宗〉 必要があります . 4 ーっ′一つ A) 乙・ 〔 8 を八 k 1 00 1 0.01 正規化周波数 (a) ゲイン O 冖 0 0 (C) O 0 ) 乙・ 乙・ 0 ) アナログ・フィルタ の位相特性はこのよディジタル・フィ うに曲がっているルタでは位相特性 を直線にできる 正規化周波数 (b) 位相 ・・・アナログ・フィルタの周波数特性は振 図 3 SDR はすご し、 2 幅も位相も曲線 1 00 1 0 1 0.01 2 1 .5 2 2 ・ 00 ー 0 一 00 00 00 ・ 0 ロー、第一 00 ロ 0 ロ 0 ・ 00 ー一 00 00 ロロ 補正され て出力に ひすみは 現れない ある電圧以上で 急激にひすんでいる ひすむ部 分の電圧 を上げて 補正する 1 1 1 一り O 一 0 冖 0 0 ら ) 冖 0 0 LO 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 時間 Cus] 時間 [us] 時間 Cus] (a) ディジタル処理した逆特性のひすみ (b) アンプのひすみ特性 (c) 補正されて綺麗な正弦波になる 図 4 SDR はすごい③・・・アンプのひずみ特性が分かっていれば逆にひすませた特性を作って理想に近い出力を得られる プリディストーションと呼ばれ , 高周波パワー・アンプでは一般的な技術 . アナログ回路で逆特性のひずみを作るのは難しいが , ディジタルなら可能 ン湫タ技術 2017 年 1 月号 ー 1 .5 42