【NFB付きベース変調／ゼネラルカバレッジ受信】
自作6mAMトランシーバー TRX-506 / JR0DBK
2021.6.11 Si4732-A10を用いた受信基板を作ってみた
2021.6.15 送信時のログ記録
2021.9.21 送信基板のリメイク
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ここ３〜４年、6m AMトランシーバーを自作しておりまして、その集大成的な物を作ってみました。
完成状態の外形です。今回はごく普通の箱型。SHARPの 2.7inchモノクロ液晶を搭載。外形がコンパクトなのでかなり大きく見えます。カラー液晶の採用も考えましたが、屋外の直射日光下では極端に見えにくくなってしまうのであえてモノクロ液晶にしてあります。また、夜間の移動運用も可能なようにフロントライトも搭載。フロントライトは中古のゲームボーイアドバンス SPの液晶からとり外したものだったりします。
送信は当初、1W出力を目標にしていましたが、当方の技術力では 750mWあたりが限界の模様。1Wを超えるとスプリアス規制が急に厳しくなりますし。
外形サイズは W130mm x D75mm x H55mm。重量は 350gくらい。2mm厚のレーザーカットされたアクリルを使っています。
前回の TRX-505/505Mではロッドアンテナを内蔵して外部アンテナコネクタとの切り替え回路をつけていましたが、今回は単純に外部アンテナコネクタ(SMA-J)のみ。専用のマッチング回路付きのロッドアンテナも製作しました。
画像ではアンテナが２本ありますが、手前のは短波受信用のアンテナ。短波用のマッチング回路を内蔵しています。
→広帯域受信用ワイヤーアンテナ対応 アンテナ・トランスの作り方
本体についているのは 50MHzマッチング回路入り。
本体側にスリットが設けられており、アンテナのマッチングボックスのフックと噛み合って固定されるようになっています。ボックス部分がケースの上の方にはみ出してます。当初は同じ高さにするつもりでしたが、内部が狭くなって回路が入れられないのでそのまま伸ばすことに。
反対側側面。12V入力で内部の Li-Po電池(2000mAh x 2)を充電できます。上の方のコネクタは内部の MCUのプログラムやデバッグに用いるシリアル I/Fのコネクタ。
本体下面。液晶の真下に micorSDカードソケットがあります。実は設計ミスで穴位置がずれたという。底面は普段は見えないのでこのままに。
画面のスクリーンキャプチャを microSDカードに保存できます。6m受信中の表示はこんな感じ。リアルタイムクロックもあるので、そのうち、送信したら時間と周波数などを自動的にログ記録するかも。
グラフィック表示ができるのでウォーターフォール表示もできるようにしてみました。6m AMでウォーターフォールなんて要るのかというご意見もあるかと思いますが、やってみたかったので。Si4735の受信幅を 4kHzに設定して 5kHzごとに RSSI値を取得、グラフ表示します。51ポイント 255kHz幅を約1秒でスキャンします。モノクロ２値液晶で微妙な濃淡表示をする為にディザリング表示をしています。
ただまあ、実際の画面は小さくて見にくいので実用になるかどうかは少し疑問。展示用のデモかも。どちらかというとスキップ周波数設定を可能にした周波数スキャン機能の方が実用的のような。
画像は FT8の強い信号が出ていたので表示したところ。10秒くらいの間隔で ON/OFFしているのがわかります。
久々にＥスポが出て南大東島が入っていたのでその時のウォーターフォール。AMで強力に入感してるので太いラインが出てます。
SSBだと信号が断続するのでこんな感じに。
TRX-506の受信デモ動画を撮ってみました。ウォーターフォール表示もあります。奥に映っている基板は動作テスト用に作った 50MHz AMトランスミッタです。アッテネータをスイッチで切り替えて微弱電波を送信しています。音源はかなり昔に作った MP3プレーヤー。
| 名称 | 50MHz AMトランシーバー TRX-506 |
| 周波数 | 受信：50.000.0MHz 〜 51.000.0MHz(AM/SSB) FM放送：76.0 〜 108.0MHz AM放送：150kHz 〜 30MHz 送信：50.000.0MHz 〜 51.000.0MHz(AMのみ) |
| 送信 | 出力：750mW / 8V 終段FET：AFT05MS004N x 1個 電波形式：AM(A3E) 変調方式：低電力変調(NFB付きベース変調) |
| 受信 | 受信方式：RFアンプ＋シングルスーパーヘテロダイン＋DSP 中間周波数：10.7MHz DSPチップ：Si4735 (AM及び SSB受信可能。SSB patch : PU2CLR SI4735 Library for Arduino) |
| 制御 | MCU : STM32F446RC PLL : Si5351A |
| 電源 | 3.7V 2000mAh Li-Po電池２個内蔵 充電入力 12V 1A |
| 外形寸法・重量 | W130mm x D75mm x H55mm(突起物を除く) 重量：350g(内蔵 Li-Po電池を含む) |
2021.5.15 八方台移動で五泉市の友人と初QSO。全く問題なく動作しました。また、新潟6mAMロールコールにも参加しました。
今回のトランシーバーは以下の５枚の基板で構成されています。
(1)TRX-506 MCU基板回路図(PDF)
制御基板。リアルタイムクロックのバックアップ用コインバッテリー搭載。MCUと PLL ICに銀色の物が貼り付けられていますが、これは電磁波吸収シートです。ノイズ源なので少しでも良くなるように。I2Cや SPIの信号線も大きなノイズを出すので抵抗を入れたり I2Cではコンデンサを追加したりもしています。
(2)TRX-506 電源回路図(PDF)
電源基板。Li-Po電池の充電回路と電源の ON/OFF回路、電源電圧・電流の測定回路があります。また、他の基板をつなぐブリッジの役目も果たしています。その上にあるのは電磁波吸収シートを貼り付けたプラ板。これもノイズ対策のシールドです。
Li-Po電池は 2000mAhを２個、受信基板と送信基板の下に配置しています。
(3)TRX-506 オーディオ部回路図(PDF)
オーディオ基板。マイク入力回路とフィルタ、スピーカー・ヘッドフォンアンプが載っています。コネクタを正面に向けるための基板なのですが、そのついでにマイクアンプとフィルタ、スピーカー＆ヘッドフォンアンプも搭載しています。
右上に SMA-Jコネクタ搭載用の穴が残ってます。当初は SMAコネクタをパネル表面につけようかと思いましたが、やめたので。
(4)TRX-506 受信部回路図(PDF)
受信回路基板。バーアンテナの巻線がすごいことになってますが、いろいろ巻き直したりして試したので。DSP Radioチップ Si4735にも電磁波吸収シートを貼り付けてあります。
受信部のブロック図です。TRX-505/505Mとだいたい同じですが、短波受信用に 2SC5015を使った RF AMPが追加されています。
液晶がグラフィック表示可能なので、各種特性をグラフ表示できるようにしてあります。それを microSDにスクリーンキャプチャ保存したのがこれらのグラフです。Si5351Aを簡易シグナルジェネレータとして使い、Si4735の RSSI指示値を読み取ります。
まず、クリスタルフィルタが効くのかグラフにしてみました。クリスタルフィルタは 10.7MHz 15kHz幅で本来は FM放送用の安価なものを使っています。TRX-505Mもそうでしたが、通過帯の中心が 10.7MHzから外れているので、IF周波数を少しずらして 10.694MHzで使っています。
こちらのグラフは受信周波数を 50.500MHzに合わせた場合に近接信号がどのくらいの強度で入ってくるかを示しています。Si4735の強力な DSP処理で綺麗な形になっています。DSP処理があるので帯域の広い安価なクリスタルフィルタは不要であるかもしれませんが、近接周波数に強い信号があるとそれに応じて Si4735内部の LNAの AGCが働いて感度が落ちるとも考えられます。クリスタルフィルタでそれを押さえれば感度が上がるのが期待できるかと思います。
Si4735の RSSI値は dBμVということになっています。これとこのグラフを信用すれば、目的周波数から 10kHz離れれば 70dB以上の減衰量がとれるということに。
こちらは受信回路の感度の周波数特性です。使用範囲の 50.0〜51.0MHzでほぼ最大ゲインがとれています。
なお、他のグラフも含めて「RSSI値」はあくまで相対値で、正確な絶対値は不明です。手持ちの FT-680と比べても劣らない程度の感度は出ているとは思いますが。
ソフトウェアAGCの特性です。横軸は AGCに用いている D/Aコンバータの設定値です。3SK291の第２ゲート電圧が、127で約3.3Vになります。設定値 92＝約2.4V以上かけるとゲインがガタッと下がるのがわかります。電源電圧 3.3V程度の低い電圧で使うとこのような特性になるようです。AGC制御をする場合はこの部分を避けて使用します。
D/A値 55付近、約1.4Vのあたりにちょっとディップがあります。毎回これが出るのでノイズではないようです。
短波帯の受信感度特性です。周波数範囲が広く、Si5351の信号強度が一定かどうかの保証は無いので参考程度ということで。
実際の感度は、ロッドアンテナで主な海外の日本語放送が受信できるくらい。中波も普通のラジオ程度の感度があると思います。特別高感度というわけではないと思います。ごくごく普通の短波ラジオ程度かと。ただ、4MHz以下の短波の低い周波数は感度が落ちるような気がします。グラフではそれなりの感度になっていますが、これはバーアンテナでシグナル・ジェネレータの信号を直接拾ってる為と思われます。
(5)TRX-506 送信部回路図(PDF)
送信回路基板。ファイナルFETは放熱器には直接接触していません。基板裏面に「導熱板」としてリン青銅板を貼り付けて放熱器に熱を伝えるようになっています。
送信回路のブロック図。免許の変更申請で提出した送信機系統図そのものです。これも TRX-505Mとほぼ同じですが、使っているトランジスタが変更されています。ファイナルは秋月で扱うようになった AFT05MS004N。変調段には 2SC4713Kを使っています。
NFB付きベース変調の詳細については TRX-505Mのページをご覧ください。
1kHz変調波形。綺麗ですが、ピークがちょっと鈍っています。本来なら Vpp=35Vくらいあってもいいのですが。
昨年作ったオーディオシグナル・ジェネレータの「疑似トラペゾイド波形」による変調波形です。半透明の羽根の部分が伸び切ってないですが、まあ、特に支障ないレベルかと。
1kHz変調時のスペクトラム。アッテネータを入れたうえでグラフは 0dB=1mWで補正してあります。ピークは鈍っていてもそれなりに良好な変調であるかと。
測定には RTL-SDR.COM V3を使い、ソフトウェアは RTLSDR Scannerを使っています。Ubuntuを新しくしたら通常の Python2版が動かなくなったので RTLSDR-Scanner-Python3を使っています。ただこれも少し手直ししないと動きませんでした。具体的には plot_line.py の 493, 494行目
if self.settings.peaks:
self.__plot_peaks()
をコメントアウトします。ピークの＋表示をしなくなりますが、それ以外は問題ないようです。
新スプリアス規制の帯域外領域は無変調状態で判断します。50MHzは 1W以下では 100μW以下なのでグラフの -10dB以下が求められます。必要周波数帯幅は±3kHzかな。いずれにしても問題ないことがわかります。
少し観測範囲を広げるとスプリアスっぽいものが見えてきますが、これらは観測している SDR受信機(RTL-SDR V3)のイメージである可能性があります。特にグラフの 50.87MHz付近のものは実際に受信しても見当たらなかったりします。
Si5351Aの内蔵 PLL発振は 750MHzで固定にしています。PLL自体は送受信する周波数を変えても 750MHz発振のままです。必要となる周波数はそれを MultiSynthのフラクショナル分周で取り出します。発振元の PLLを整数分周で固定動作させているのでこのグラフのような綺麗なスペクトラムになっていると思われます。
スプリアス領域の観測。こちらは変調状態で観測します。２倍の高調波が少しありますが、50MHz 1W以下の場合は 50μW≒-13dB以下なので問題ない状態です。ちなみに 50MHzは送信出力が 1Wを超えると送信出力比で -60dBが要求されます。1Wは 30dBmなので -30dBm以下が必要になりますが、これはキツい。安価な SDR受信機での観測は誤差も大きいでしょうからちょっと対応は無理かと。なので今回は 750mWで妥協しました。
RTLSDR-Scannerはスキャンが遅く、40〜310MHzの範囲のスキャンに 10分近くかかったりしますが、tinySAはほぼリアルタイムで観測できるので、スプリアスが小さい位置にトリマーを調整するということが可能になります。ただ、変調の波形の山の瞬間と谷の瞬間とで表示されるピークの高さが変わります。RTLSDR-Scannerはスキャンが遅い反面、ある程度長い時間の間調べた後でピーク値を表示するようなので、やはり最終確認には RTLSDR Scannerを使っています。また、tinySAはスキャンの周波数単位が 10kHzのようで、変調スペクトラムや帯域外領域のスプリアスを観測するのには向きません。
tinySAのスクリーンキャプチャは NanoVNA用の nanovna.py でとれることがわかったのでやってみました。約40dB(42〜43dB)の自作アッテネータが入ってるので画像では -10.1dBmと表示されてます。２倍高調波はそれから 50dB以上とれてるので実際の値は -20dBm以下ということになります。画像のマーカー２はマーカー１との相対値が表示されています。
Si4732-A10が Si4735-D60とソフトウェアの互換性があり、SSBパッチも使えるとのことなのでそちらを使った基板を作ってみました。Si4732の方が後発なのでアナログ回路が改良されているかもしれません。
また、ついでに短波の広帯域アンプとして NJM2275を使ってみました。本来は 400MHz帯用ですが、低い電圧で動作し、消費電流も小さいので試してみたかったので。
結論としては前回の基板と同等以上の性能が出たと思います。Si4732ではなく、FETの個体差の可能性もありますが。また、Si4732はピンのピッチが 1.27mmと比較的広いのでハンダづけが容易でした。
今回の基板を使った場合の受信部のブロック図です。Si4735が Si4732に、2SC5051が NJM2275に変更されています。
クリスタルフィルタの特性。フィルタの個体差と思われる程度の差しかありません。
以前と比べて帯域が狭いですが、帯域設定が前と違うのかも。今となっては以前はどの幅で測定したのかわからなくて。ちなみにこのグラフはバンド幅 3kHz設定。
前の基板より感度がいいです。
FETの個体差と思われますが、D/A値(第２ゲート電圧)を 0.1V程度高く設定できるようです。
ピークの周波数が微妙に違いますが、まあ、こんなもんかと。感度は悪くないです。2SC5015を使った時よりいいかも。
バンド幅 4kHz。
バンド幅 6kHz。
バンド幅 1kHz。
2022.3.14 追記：
現在は RFアンプとミキサー・水晶フィルタを入れ替え、RFアンプなしで直接 10.7MHzの周波数変換して 3SK291で増幅する形の回路になっています。tinySAの SG出力(+AM変調)は最小設定で -76dBmで、これに自作の 40dBアッテネータを入れても十分に変調音が聞こえるので -116dBm(-3dBuV)程度の感度はあるようです。ちなみに FT-680で試すと S/N比的にもっとよく聞こえます。さすがメーカー製。
後回しにしていた送信時のログ記録を実装しました。送信した時に microSDにログを自動記録します。以下は実際の記録。
2021/06/14-11:22:46 15 50.560.0 AM 62 0 4 2021/06/14-11:23:21 25 50.560.0 AM 68 0 6 2021/06/14-11:24:29 25 50.560.0 AM 62 0 4 2021/06/14-11:25:21 30 50.560.0 AM 66 0 5 2021/06/14-11:26:03 11 50.560.0 AM 72 0 7
送信開始時間、送信時間(秒)、周波数、モード、送信直前のRSSI、SNR、Sメーター指示値。送信時間が 10秒以下は記録しないので、呼んだだけでとってもらえない場合などは記録しません。相手局のコールサインだのシグナルレポートだのは当然記録できませんが、これだけでも便利かと。
送信基板をリメイクしました。もちろん、免許の縛りがあるので回路図はほぼ同じ。きっかけは 7L4WVU局のこちらの記事。
うちも RF SW ICを使っていまして、２倍高調波に悩まされてます。一応、スプリアス規制の基準値以下にはなっていますが、余裕は数dBくらい。うちの場合は SDRレシーバで測っていて精度が悪いと思われるので十分な余裕がほしいところですが、いろいろフィルタを変えたり調整したりしてもあまり下がらない。いい加減嫌になっていたところでこの記事。スプリアスの原因が RF SW ICにある可能性があると気づきました。
うちの回路は終段トランジスタから見た場合、RF SWの手前に BPFがあります。RF SWで歪が発生するなら、いくらフィルタをいじっても歪がスプリアスとして出ることになります。なので、RF SWの後にもフィルタを入れてみたいと思いました。
なお、今までそうしなかったのは FM受信回路がある為。RF SWの後に 60MHzくらいの LPFを入れると FM受信波が減衰して感度が落ちるので。
→送信基板回路図(PDF)
FM放送波の多少の感度落ちはしかたないとして、約100MHzの２倍高調波をわずかでも減衰させるべく、フィルタを入れてみました。まあ、こんなものかな。なお、旧基板による上記のグラフはなんか綺麗すぎ。いくらいじってもこんないい状態は再現できなかったです。(^^;
FM放送受信を犠牲にすればもっと下げられると思いますが、やはりそちらも重要。これで FM放送はわずかに感度が落ちたかなというくらい。２倍高調波スプリアスは数dB下げられたと思います。
1Wオーバーの回路を作るとしたら、アンテナの送受信切り替えは素直にリレーを使うのが良さそうです、Hi。
あと、ついでに基板パターンの見直し。実は旧基板はトランジスタが変調段、終段のどちらもパターンと合わない物を無理やり実装してます。これは基板設計時に使う予定だった素子がなんかうまく動かなかったので別のをつけた為。今回、それをきちんと合わせました。
モノクロ液晶の表示テスト。ヨシ！
フォント格納用のシリアルフラッシュメモリを搭載して漢字表示。ヨシ！
基板を組み合わせた状態。
裏側。空いたスペースは送信回路の基板が入ります。
ガワができた。
ゲームボーイアドバンスSPの液晶ユニットから取り外したフロントライト。サイズが少し大きいのでカットした図。
受信テスト中。バーアンテナで中波を受信します。
だいたいできた。
コントロール基板の配線はこんな感じ。
ケースのレーザーカット図面はこんな感じ。