2017年2月20日月曜日

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修: デジタルノイズかぶりで苦しむ

チューナを実際に使ってみるとデジタルノイズの影響を受けていることがわかりました。受信電界をかなり強めないと、ザーッ という雑音が目立ちます。さらには本来関係ないはずのケーブルに手を触れると状況が変化。デジタルノイズのかぶりを受けているようです。

ノイズ対策ですが、効果を定量的に比較してみたいと考えました。わかりやすい指標としてここでは20dBNQ法により受信感度を比較することにします。具体的にはRF無入力時に復調後のFMノイズ(ザーッというあれです)の電圧をオシロを使って測ります。そしてRF信号発生器からCW波を入れて復調電圧が20dB抑圧されるときのRF信号レベルが受信感度ということになります。

まずは、ノイズ対策前のすっぴんの状態で測ってみます。受信感度は-56dBm。地元FM局でもノイズ混じり、これはちょっとひどいです。

次に、FPGAチューナの入出力ケーブルにパッチンコア(クランプフィルタ)を取り付けてみます。
S/PDIF出力に取付: -61dBm
アンテナ入力に取付: -65dBm
アンテナ入力とS/PDIF出力に取付: -71dBm


上記写真をFPGAチューナ作者氏にお見せしたところ、基板アースは確実にシャーシに接続すること、コアは基板間近に、それにコアの内径はケーブル外径にできるだけぴったりのものがおすすめとアドバイスを頂きました。

そこで、FPGAチューナ基板のアースを金属スペーサを経由してシャーシに確実に接続すると -73dBm。次にFPGA基板のアンテナ入力、S/PDIF出力、電源入力のそれぞれの最寄りにフェライトビーズFB-801を取り付けると-77dBm。デジタルオーディオインターフェース基板とD/Aコンバータ基板を接続するI2S信号用フラットケーブルにFT82-43を取りつけて-80dBmまで改善しました。


アナログ基板の電源・アナログ出力ケーブルをまとめて大きなサイズのパッチンコアを取り付けると結構効き目があり-84dBm。さらにLCD基板の接続ケーブルにもフェライトコアFT37-43とFT50-43を取り付けて-87dBmとなりました。


さらにわかったこと。
I2S信号用フラットケーブルをシャーシに押しつけるとノイズが減ります。D/Aコンバータの基板のアースが浮いていたので試しにシャーシに接続すると、逆にノイズがめちゃくちゃ増えてしまいます。それなら、と、デジタルオーディオインターフェース基板を調べるとこれもアースが浮いてました。そこでデジタルオーディオインターフェース基板のアースをシャーシに接続すると、かなりノイズが減らすことができました。ここまでやって-96dBmまで改善できました。

2017年1月1日日曜日

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修: FPGA FMチューナ基板を組み込み

FPGAチューナ基板の組み込みに合わせ、設計データを最新版に更新することにしました。最新版では、ワイドFM(FM補完放送)に対応するため、局発周波数が69.12MHzに変更されているほか、数多くの性能向上が盛り込まれています。さらにはシリアル設定モードに対応しているのは、うれしいところです。

ワイドFM対応の改修については、このサイトが詳しく大変参考になりました。ハード面では、アンテナ入力系のバンドパスフィルタの広帯域化と局発周波数の変更があります。今回は、KT-9900のフロントエンドを活用するという大命題があるので、基板上のフィルタ回路を使用しないことにしました。ワイドFMに対応させるには、外部にワイドFM用のバンドパスフィルタをもうけ、KT-9900のフロントエンドとスイッチで切り替えるしかないかなと思っています。 


次に発振モジュールの交換です。既存のモジュールをちゃんと交換できるか心配したのは杞憂でした。交換をも想定した基板パターン設計がなされているようです。


次に肝心な設計データの更新です。まずは、ISE 14.7をインストールしますが、64ビット版Windows10ではOpen Project と操作するとアプリがいきなり落ちてしまいます。それでもプロジェクトファイルをダブルクリックすると何事もなかったかのように動いてくれるのでそのまま作業を続けることにしました。
受信周波数の初期設定値を地元FM局の周波数に書き換えようと user_if.vhd を書き換え、Generate Programming Fileさせるところまではすんなり成功します。ところが設計データをFPGAに書き込もうとするとiMPACTが途中で異常終了してしまい進めることができません。

ネットで調べるとどうやら既知の不具合のようです。(こちらこちら

さて、iMPACTで基板にデータを書き込む方法をすっかり忘れてしまいました。とてもわかりにくいのでメモを残しておきます。FPGAチューナ基板には、ヒューマンデータ社のFPGAモジュール XP68-01が搭載されており、モジュール内のコンフィグPROMにデータを書き込みます。

ISEでManage Configuration Project(iMPACT)を右クリック⇒Run でiMPACTを起動します。


まずは設計データが記述されたbitファイルからPROMに書き込むために必要なmcsファイルに変換するために Create PROM Fileをダブルクリック



PROM File Formatter画面で、SPI Flash/Configure Single FPGA ⇒ Step2に続く 緑色 右矢印 ⇒ Storage Device(bits)  16Mを選択 ⇒ Add Strage Device ⇒ Step3に続く 緑色 右矢印 ⇒ File Format は MCS、必要があればOutput File Nameを指定



ファイル変換元の設計データを聞いてくるので top.bit を指定します。Add DeviceのポップアップはNoを選びます。



iMPACT ProcessesタブのGenerate Fileをクリックして mcsファイルへの変換を実行します。



Boundary Scan ⇒ Right click to Add Device or Initialize JTAG chainのウインドウで右クリック ⇒ Initialize Chain ⇒ Auto Assign Configuration Files Query Dialog は No



SPI/BPI を右クリックし Add SPI/BPI Flashを選ぶと、PROMに書き込むファイルを聞かれるので先ほど生成したファイル(mcsファイル)を指定する。



PROMデバイスとして、M25P16を指定します。



これでようやくPROMへの書き込み準備ができました。FLASHを右クリックしてProgramを実行します。このとき、FPGAモジュールのコンフィギュレーションモードをMaster Serial/SPIに設定(SW1 ON) しておく必要があります。



ところで書き込みに失敗した話です。PROMに書き込もうとしたらidcodeが不一致だと言ってFailしてしまいます。デバイスを自動認識できているくせに Device IDの読み出しにも失敗します。ネットの情報によると書き込み器とFPGAのあいだのJTAG波形が不適切なせいだとのこと。でもこのケーブルで書き込み実績はあるはずです。FPGAチューナの作者様に相談したところケーブルコネクタの抜き差しを試せとの回答があり、やってみるとあっさり解決。どうやらコネクタの接触不良が原因だったようですが何だこりゃという感じでした。



2016年12月22日木曜日

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修: フロントエンドの特性確認

今回、フロントエンドは既存のものを流用するのでどんな特性か測ってみました。
アンテナ入力からデュアルゲートMOSFET CC3588DEと2SK125の2段高周波アンプの出力がダブルバランスドミキサに接続されているので、ここを切り離し、RF段の通過特性を確認します。また、局発信号もレベルを見ることにしました。

まずは、アンテナ入力にSGから -50dBmを入れて RF段の出力を見てみます。

  • 76MHz受信時: -36.1dBm
  • 83MHz受信時: -36.7dBm
  • 90MHz受信時: -36.1dBm
SG周波数を指でスイープさせRF段の通過特性を見てみます。通過域が平坦ではないのは調整がマズいからですが、これなら十分ですかね。



同調つまみを廻していたら、76MHz付近限定で急に寄生発振らしきものが起きてしまいます。こんなのどうやったら止められるんでしょうか。



これは、局発の通り抜けです。と言っても直接繋がっているわけでもなく電源かどこかから入り込んで来ているようです。



次は局発。まずレベルから。
  • 76MHz受信時: 12.4dBm
  • 83MHz受信時: 12.2dBm
  • 90MHz受信時: 10.8dBm

そしてスペクトルは、こんな感じ。自励発振器そのものなのでシンセみたいにスペクトルのひげは生えていませんが、、、お世辞にも良いとは言えない感じです。これが経年劣化の結果でしょうか。IF信号には、このノイズがそっくり重ね合わされることになります。





そういえば位相雑音の解析機能があったことを思い出しました。結果はだいたい同じです。


2016年12月19日月曜日

Web公開SDR受信機でUVB-76受信体験

ロシアから発信されているUVB-76という短波放送をご存知でしょうか。以前、知人から単調なブザー音を何十年も流し続けるナゾの短波放送の存在を聞き、ネットで調べるとオカルトじみた取り上げ方をされていて興味を持ちました。周波数は4,625kHzと6,998kHz。短波ラジオで受信を試みるとかすりもしなかっとことを覚えています。

ところが最近、Web公開されているSDR受信機の存在を知り、再度チェンレンジしたところあっさり受信できるではないですか。とても驚きました。まずは次のリンクを試してみてください。電波伝搬の都合で時間によって受信状態がよい周波数は変わります。


出典: http://websdr.ewi.utwente.nl/


ところで、このWeb公開SDR受信機の本家はWebSDRです。ここのホームページに世界各地へのリンクが張られていますが、欧米中心でアジア地区は少ないですね。WebSDRの凄いのは、複数ユーザで同時利用できることでしょうか。オランダ Twente大学のWebSDRは、"415 users"なんて書いてあって、いったいどういう仕組みなのかと驚きます。

何はともあれ、彼の地のラジオを聞いて、楽しむことができそうです。



2016年12月16日金曜日

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修: PCM1704 DAC基板を仮組み

自作のDAC基板は無事動いてくれました。WaveSpectraで1kHz 0dBFSを接続すると、ライン出力が開放端で約2.1Vp-p。XLR端子もグランド基準でほぼ同じ電圧でした。少し心配していた-5V三端子レギュレータの発熱も想定通り少し暖かくなる程度で収まりました。


DAC基板は、PCM1704を1チャンネルあたり2個を差動接続したものです。当初は、お気楽オーディオキットのRenew DAC1704基板を1枚入手していたのですが、差動構成にするためにはもう1枚必要なところ現在は頒布が終了しているようで、それなら作るか!と相成りました。
この基板にはI/V変換器やバランスラインドライバも一緒に盛り込んだのでこれでも少し省スペースになっています。



DAIとデジタルフィルタには、お気楽オーディオキットのRenew DAI for DF1706基板を使いました。CN1コネクタは使わないので、空いたスペースにS/PDIF 同軸接続用のパルストランスDA102Cを実装しました。


DAI基板とDAC基板の接続はデジットで買ったリボンケーブルを使っています。この手のものは、自分で圧着できないこともありませんが、作って貰うかジャンク屋の出物を買うのが基本だと思っていました。が、Digi-Keyでも買えることに気がつきました。これなら適切な長さのものを入手できますね。

とりあえず電源ができあがり、DACから音が出せるようになったので次は本丸のFM受信部に取りかかることにします。

2016年12月15日木曜日

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修: パネルにコネクタを組み付け

KT-9900リアパネルの既存コネクタをすべて取り払って、新たに別のコネクタを取り付けることにしたので、改造が結構大がかりになりました。いつものようにシール紙にレーザプリンタで文字を印刷してそれっぽく仕上げます。
XLRとRCAコネクタはノイトリック、BNCはカナレです。


ちなみに既存コネクタの穴は、アルミテープを貼って目隠し。意外に良い塩梅になります。


光コネクタには、秋月で買えるEverlight製 PLT133/TPLR135/Tを使いました。残念なことに東芝のトスリンクはもう製造中止です。基板は、お気楽オーディオキットのRenew DAI for DF1706付属ですが、生憎、光送信用にはピンアサインが異なるので基板をひっくり返して、一部のパターンをカットしてムリヤリ使っています。ちなみに受信用の基板なら aitendo の店頭で見つけていたんですがパネルに基板が当たってしまうので今回は使わずでした。


2016年12月12日月曜日

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修: 電源が完成

アルミ板シャーシの上に電源を取り付けてみました。
±15Vアナログ電源は、既存のトランスを使ったドロッパ式電源ということでお気楽オーディオキットの正負出力定電圧電源基板(TYPE-D)を使ってみました。過電流保護がないので慎重に進めます。
一方、5Vデジタル系はスイッチング電源と割り切ってみました。メーカはどこでも良いですが、基板形、カバー付き、日圧コネクタが使えて、5年補償、入手しやすいという条件でTDKラムダ ZWS15B-5/Aを選定。マルツから通販購入しました。


この作業と並行してフロントエンド用の定電圧回路を空中配線で組んでみます。手持ちのAZ1117H-ADJを使ってほぼ計算通り13.2Vが出てきました。当初、Minimum Load Currentの制約を忘れ軽負荷で実験したら想定外の電圧が出てきてしまい、原因を特定するまでかなり遠回りをしてしまいました。


ちなみに配線は、いつものXHコネクタと熱収縮チューブを使って見栄え良く仕上げます。