中波放送帯帯域阻止フィルタの試作

KiwiSDRはdirect sampling SDRという性格上、ADCが飽和しないように気をつけないといけません。いきなりPA0RDT mini-whipアンテナを接続すると、中波放送帯の強力な放送波で簡単に飽和してバンド中相互変調の嵐になり、必要とする肝心な信号が埋もれてしまいます。

手っ取り早く20dB程度のアッテネータをmini-whipとSDRの間に挿入することで回避することは出来ますが、すべての信号を減衰してしまうので弱い信号などはノイズレベル以下になってしまいます。

アッテネータなしで0-30MHzスキャン　もう何がなんだか（汗

そこで、中波放送帯だけを減衰するための帯域阻止フィルタ（BEF；Band Elimination Filter）を設計・試作してみました。

設計と言っても、フィルタ設計用のソフトFilter Designをつかって必要な条件を入力して各パラメータを計算しました。中波放送帯の下限は531kHzであり475kHz帯に非常に近いことから急峻な特性が必要なため、7次チェビシェフタイプの帯域阻止フィルタとしました。

実に7個のコイルが必要で、T50-2コア7つコイル巻きしました。FCZ基板を小さく切り出して実装しました。コンデンサは何も考えずにマイラコンデンサにしましたが、フィルムコンデンサなどが良いかもしれません。

まずはおじさん工房APB-3ネットワークアナライザで特性をチェックします。

475kHz付近で約3dB弱のロスになっていますが、阻止領域は設計条件に近い結果となりました。（NHKラジオ第１（594kHz）は30dB程度ですがまぁ十分でしょう）

でもって、今度はKiwiSDRとmini-whipの間にいれて同じWFゲインでスキャンしてみました。

中波放送帯だけすっぽり抜けた感じになりました

 594kHzのNHK第１がやや強いですが、測定どおりに30dB以上、またあれだけ強かった810kHzのAFNもやっとS8,9程度に減衰しています。

 ただし、どうもフィルタ前で相互変調波が通過しているようでLF帯では中波放送局同士の差の周波数にならって変調波が聞こえてきます。mini-whipの内部の問題、もしくはフィルタの入り口付近で相互変調波が生成されているのか、原因はまだ今のところはっきりしませんが、ためしにフィルタの前に3dBパッドを挿入すると相互変調波はかなり抑えられた（極わずかに聞こえるか聞こえないかという程度）ので当座はこれで良しということにしました。

LF,VLF帯では20dBアッテネータ装着時よりも体感的にS/Nが上がり、信号強度自体も上がっています。

あとはシールドケースにいれて仕上げて行こうと思います。

WebSDRサーバ KiwiSDRを試す

つい先月25日より香港Seeed Studioから頒布開始されたKiwiSDRボードを購入して試運転させてみました。

頒布形式は、KiwiSDRボード本体とサーバソフトウエア入りのマイクロSDカードのバージョン、BeagleBoneGreen本体とGPSアンテナ、アクリル製のガワが付属したバージョンがあり、前者を選択して後日秋月でBeagleBoneGreenと5V2AのACアダプタを、千石でアルミケース（リード製P-104）、aitendoでGPSアンテナを調達しました。

ボードの幅がケースの間口ぎりぎり1ミリほど大きかったのですが、頻繁に出し入れするわけではないので加工せずにそのまま中に入れてスペーサで数ミリ浮かせてケース内に収めました。

このあと加工したアクリル板を蓋にして中が見えるようにしました

アンテナをMini-Whipに繋げ、GPSアンテナも接続、イーサネット端子をルーターに繋げて
ACアダプタを接続しKiwiSDRサーバを立ち上げます。（事前にソフトウエアはBeagleBoneGreenのフラッシュメモリへ転送）

ローカルネットワークに繋げているPC（Windows)でブラウザ（Firefoxが基本。IEではうまく動作しないようです）を立ち上げてKiwiSDRサーバへアクセスするとSDR画面が転送されます。

最初バンド内で中波放送の混信が著しくしばらく悩んでいましたが、どうやら過大入力によるADC飽和と考え20dBのアッテネータを挿入することで混信は解消しました。Mini-whipアンテナを接続する場合は適切なアッテネータかもしくは中波放送帯の帯域阻止フィルタが必要でしょう。

少しいろんなバンドをブラウズしてみました。

VLF帯のAlpha Navigation（11kHz～）

中波放送帯　9kHzステップでキャリアのラインが並んでいます

7MHz　アマチュアバンド

KiwiSDRサーバにはextensionsとしてWSPRデコーダが入っています。試験中のネットワークはインターネットに繋がっていないので内部時計がシンクロしておらずそのままWSPR信号を受信できないため、音声出力をVirtual CableでピックアップしてWSPR-Xソフトウエアへ繋げて受信してみると136kHz帯でJA1NQIのWSPR2信号をデコードできました。

意外とSNR高かったです

extensionsの中にあるWSPRデコーダも試しました。TX-136をダミーロードに繋げて内部時計に同期させてWSPR2を送信してみたらちゃんとデコード出来たので一安心です。

本家WSPR-Xよりも手軽　136kHz帯と475kHz帯同時受信可能かも

他にもJT65,PSKなども追加する予定（あくまでも予定ですが＾＾；）なのだそうで、期待しています。

前投稿でも書きましたが、このシステムはOpenSourceでDocument類も充実しています。 FPGAはまだまだ手のつけようがありませんが、少しずつ中身を勉強していきたいところです。

ありがとう50000ページビューとkiwiSDR

拙ブログももうすぐ開設から2年経過となりますが、ようやくページビューが50,000を超えました。自分でもここまでよく続けるなー（笑）と思いましたが、ご訪問いただいた皆さんのおかげだと感じております。ありがとうございます。

更新頻度はあまり高くありませんが、自作に関する新しいことなど面白そうだなと思ったものはこれからも自分の手で実験したり作り上げ、その成果などぼちぼち紹介できればと考えています。

ところで、いつものようにG+のストリームを辿っているとなにやら面白そうなものが目に入ってきました。ある目的にピッタリな感じだったのと比較的手ごろな価格だったので購入してしまいました。

 BeagleBoneという小型LINUX PCに被せるkiwiSDRというWebSDRです。CapeというArduinoに被せるshieldのような拡張ボードで、付属するソフトウエア入りmicroSDカードをBeagleBone本体のmicroSDカードスロットに挿し込んで本体のフラッシュメモリに転送して設定すると、単体でWebSDRサーバを構築できます。また、GPSレシーバを内蔵しており、GPSアンテナを接続することにより周波数較正など自動で行えるようです。
下の写真の大きな四角い黒いチップは信号処理のメインになるFPGAです。

合体完了（笑）　シリアルナンバーが記されています

ひっくり返したところ　これを収めるケースとGPSアンテナを購入せねば

 ネットワーク経由で管理者設定画面に入り、設置場所の情報など入力してリブートするともうすでにWebSDRは稼動しています。アンテナはまだ繋げていませんが、動作確認のためブラウザでSDR画面を開いてみます。

アンテナ未接続ですが、バッチリ稼動しています

 HTML5のため最新ブラウザが必要ですが、サーバにアクセスするとこのような形でウオーターフォールと操作パネルが見えます。

 ネットワーク経由なのと、ベースがRaspberryPiのようなBeagleBoneのためタイムラグがみられますが、これだけでWebSDRサーバが構築できるのは驚きです。しかもWSPRデコーダも内蔵されておりLF/MFの24時間WSPRグラバ構築も出来そうです。

収めるケースとGPSアンテナなどもう少し必要な部品を調達して実稼動まで進めます。

また、開発ドキュメントも用意されておりSDRの勉強に熟読して行こうと思っています。

ここのサイトでは、このkiwiSDRを使った公開Webサーバのリンクが載っていますので興味ありましたら試してみてください。

QRPコンテストにちょい参加

先日3日文化の日にJARL QRPクラブ主催のQRPコンテストが開催されました。

QRPコンテストには自作機部門があります。KD1JVのtribanderもあったのですが、折角ならオール自作の7MHzQRP機で参加したいと思っていました。つい最近7MHzのQRP機が出来上がったので運用テスト兼ねて参加決めていました。この日は仕事だったのでフル参加は出来ませんでしたが、ひと段落して国内コンディションが良さそうな夕方1時間ほど出てみました。

使用したQRP機はユニバーサル基板で組み上げて免許をおろしたプロトタイプ2号機で出力部分をE級化したものです。12VのACアダプターを電源にして約3W出力でした。アンテナは屋上に取り付けたセンターローディングのモービルホップという構成でしたが、コンディションはまずまずで結構参加局の信号が入ってきたので、1時間の中runせずずっと呼びまわりで15Qできました。ユニバーサル基板で組んだため、クリスタルフィルター入出力間で信号漏れがありましたが300Hz幅でQRMはそれほど感じませんでした。

ただ、内蔵スピーカーの設置がよろしくなく音量はそこそこでしたが音割れやひずみが気になりました。外部スピーカーでは綺麗に聞こえるので、内臓スピーカー用のチャンバーを設置するとか何か工夫が必要そうです。まぁ無理して内蔵としなくてもよいのですが、ここまでコンパクトに出来たので何とかしたいところです。スマホ内蔵スピーカの構造など研究して応用できると良いなぁ。

ログを整え自作機の内部写真を撮影して提出すると、参加賞いただけそうなので楽しみです。

点数ばかり気にするよりも、こういった参加して楽しいコンテストは良いですね。

千葉コンとカレーとE級アンプと

なんだか意味不明のタイトルなのですが、まずは一発目。

ちょっと報告が遅くなりましたが、10月16日に開催されました第31回オール千葉コンテストに参加しました。

いままでどよよん無線技士さんと一緒に千葉県を移動して個人で参加していましたが、今回某DX & コンテストバリバリクラブ局（笑）のお誘いを受け、136kHzと1.9MHz、14MHz担当として四街道の設置場所まで訪れました。

コンテストは昼の12時からスタートなのですが、通常の移動運用のように設置場所までアンテナの設置を行ったりしなくてはいけなかったので朝8時過ぎと早めに現地入りしました。

もうすでにメンバー数名が準備を始めておりました。実に気合が入っています。メンバーは自分以外コンテストに積極的に参加し入賞しまくりな精鋭ぞろいで、普段ほとんど参加していない（千葉コンの136kHzと1.9MHz以外は）自分がどこまで貢献できるか運用面がかなり心配でした＾＾；

ともあれ今まで実績のあるバンドでがんばるというわけで、早速いつものように136kHz兼1.9MHzの短縮バーチカルを立ち上げました。

四方を電灯線に囲われていて、先端数メートルだけちょこっと顔出している

タイヤベースに12m長のグラスファイバーポールを差し込んで12m垂直部と頂点から斜めに下ろす10m長の容量冠2条をアンテナエレメントに、0.6x0.9mのガルバリウム鋼板10枚を下に並べてアース板としました。ローディングコイルは先日設置テストのときにインダクタンスを調整した『VARIOMETER３改』を136kHz用に、60mm径のプラスチック円筒に園芸用アルミ線を巻き、同調用タップとマッチング用タップを設けた1.9MHz用の小さなローディングコイルを用意しました。

1.9MHzは実質最後の1時間前後からのスタートですが、136kHzは最初の1,2時間で大体運用局との交信が終わるため、そのあとバンドチェンジの際ローディングコイル交換だけで済ますため1.9MHzのコイルもあらかじめ調整しておきます。

左はおなじみ136kHz用ローディングコイル『VARIOMETER３改』に絶縁型インピーダンス変換トランスと高周波電流計を接続したもの。右は1.9MHz用のローディングコイル・マッチングセクションつき（コイルから同軸に接続した直後にCMCを挿入）。

こんな感じで、すぐにバンドチェンジが可能な状況にして12時のスタートを待ちます。とそのまえに、メンバーみんなでお弁当食し、燃料も補充（謎）

スタートは136kHzから。県内局とお隣の茨城県の局計3局とQSOできました。しかし、おもに西側の神奈川県など数局移動されていてこちらのCQに応答されていたそうですが、残念ながら信号を捕らえることは出来ませんでした。受信ノイズはそれほど酷くないと思ったのですが、ここは住宅地のど真ん中でやはり周辺ノイズで信号が埋もれてしまったようです。1.9MHzもこちらからの信号は結構届いていても受信が厳しくて、しかもQSBが深いため何度も再コールやNR AGN？繰り返してしまいました。

いずれのバンドもしっかりと同調したアンテナを使ったことで飛びそのものは悪くなかったようですが、垂直系はノイズが多く受信環境をどうするかが次回への課題となった運用となりました。

18時終了時にはすっかりあたりは暗くなっていつものように暗闇の中撤収作業を行い、いよいよお楽しみの打ち上げカレー食事会へ移動しました（こっちがメインとかいわないように）。

検見川のシタール　インドカレーNo1です＾＾ｖ

こちらは知る人ぞ知るインドカレーの名店で、いつも順番待ちになります。カレーはもちろんのこと、サイドメニューのタンドリーチキンやシシカバブなど全部美味しいのです。今回は3種類のカレーを戴きましたが、やっぱり美味しくてコンテストの疲れも吹き飛んで幸せになります。

そんなわけで市街地で136kHzがどこまで出来るか心配でしたが、なんとかQSOも出来たのでホッとしています。課題も出来たので、また次回挑戦できるといいなと思っています。

コンテスト風景はぜんぜん撮らなかったので、見たい方はJO1YYP / わいわいぴークラブで検索してお楽しみください。

最後に、コンテストも落ち着いたので7MHzQRPトランシーバの続きです。

最終プロトタイプも無事動作まで漕ぎ着けましたが、ひとつ気になることが。

それは送信部のBS170の発熱が著しいことです。2パラの矩形波スイッチング動作で効率も60％程度のものですがスイッチング損失が意外と大きいようで、連続キャリア送信では触れないくらいに発熱してしまいます。メモリチップ用の小型ヒートシンクでは焼け石に水で、だんだんと出力レベルが低下して1分も持たなさそうな状況です。普通にCW符号の送信をしばらく行ってもかなり熱くなるため、このままでは実用に供しないと考えていました。

回路的にはKD1JVが好んで使用しているPA部も同様な構成ですが、Tribanderの3パラBS170で5W出力でもヒートシンクレスで問題ないところを見ているので、公開されている回路を眺めて考えていましたがなぜ高効率なのかどうにもわかりません。construction manualにはC級アンプで高効率と記してありさらに悩んでしまいましたが、ここはひとつ頭を切り替えてE級アンプに目を向け実験してみました。

参考にしたのはこちらの本。

規模の異なる4台ほどの高周波E級アンプの設計方針から実践まで詳しく解説している良本です。こちらに解説している計算方法などを参考に試作機1号のPA部にE級アンプ実装実験を行いました。

下がE級用のフライホイール組み込み後の回路　上は組み込み前のオリジナル

もはやユニバーサル基板の表側の余裕がないため、フライホイールのインダクタとコンデンサは裏に装着。ロジック出力とドレイン電圧にオシロスコープのプローブを繋ぎ波形を観察しました。

赤がBS170のドレイン電圧　黄色がドライブ段出力波形

 ドレイン電圧はFETオフ時正弦波の上半分のような綺麗な弧を描いており、計算に近い結果が出ているようです。ドライブ段出力は90MHz付近で振動していますが、実装環境に由ると思われるので最低限のRCスナバ回路を施すにとどめています。

赤はインピーダンス変換トランス前の出力波形

プローブをLPF前の出力に繋ぎ変えてみたところ、すでに正弦波に近い綺麗な波形になっていました。

また、連続キャリア送信でも出力もダレずにBS170も少し暖かくなる程度でした。

ドレイン電流の検討はまだ行っていませんがこの状況からE級に近いソフトスイッチングが実現でき、おおむね実験は成功したのかなと思っています。

ただ、最終プロトタイプに組み込もうとするとこのままではコイルが2つ追加となってしまう（最終プロトタイプではRFCとインピーダンス変換トランスをひとつのコイルで兼用しており、一旦分けた上でフライホイール用コイルも追加するため）という問題が残ります。スペース的にはなんとか組み込めないことはないのですが、せめて1つ追加に収めたいということで、次はその解決法を検討したいと思います。

うーむ、頒布開始にはまだ道のりが（謎汗