簡易型送信機歪み測定器

2003/08/15

JA1VCW

送信機歪み測定用簡易スペアナの実験です。
自分の送信機の歪みはいったいどのくらいなのであろうか。 という疑問は自作が好きな方はいつもお持ちだと思います。 以前は高値の花であったスペクトラムアナライザがオークションなどで、比較的安価で売り出されているのを見かけます。 それがあれば仕事（？）が楽になることは分かっていても、私のような貧乏人には手が届くはずがなく悲しい思いをいたしておりました。
最近、コンピュータとサウンドカードを組み合わせてソフトで FFT などを行い、オーディオ帯域のスペクトラムを表示するコンピュータFFT スペアナ（CPUSPA）が普及しております。
その CPUSPA とダイレクト・コンバージョン受信機（DC 受信機）とを組み合わせて、送信機の歪みを測定する方法があります。
原理は簡単で、たとえば 7080kHz と7081kHz の２トーンが送信されている場合、7079kHz の発振器で DC 受信を行うと、2 トーンとの差である1kHz と2kHz のオーディオ出力が得られます。
これをCPUSPA にいれてスペクトラムの解析を行えば、３次や５次などのひずみを見ることができます。
このような考え方は以前からあってすでに実験されておられる方もいらっしゃるようですが、私もデータをとってみましたので、参考になればということでレポートしました。

TX

Dummy LOAD

CouplerDBM
2 tone OSC

OSCDDS

入力
ATT

Buff.AMP

AFATT（AGAIN)

サウンドカード

AMP
今回作成した部分

DC 受信機なので、局発の周波数の両サイドがミックスされて AF 出力となります。
AF 出力＝ ｜信号（ｆｓ）−局発（fo)｜ａ）OSC（局発）の周波数を可変して、送信機の出力周波数との差の周波数（の絶対値）が AF（2kHz〜10kHz）になるようにします。
ｂ）このような周波数関係では A の信号が折り返ってきます。
ｃ）信号の位置が反転します。（逆ヘテロダイン）
周波数の範囲は DDS のカバーする範囲で、この場合は秋月製なのでAF から8MHz 程度です。
もっと高い周波数を観測する場合は、それなりの発振器が必要です。

単位:kHzａ)

7050

DC

この差の周波数が AF 出力となる。
BCDA7053ｂ)

B

D

A7054

37053.3

4DC
B

C

B
DA7053CCD

A70540.30.7DCｃ)

B

C
DA7053

C

B
A

D7054

DC34

AF アンプの帯域が DC までカバーしていないので3kHz 以下は使用しないようにします。
従ってａ）のような場合で A の信号を観測したい場合は、C)のように逆ヘテロダインになるよう局発周波数を設定します。
CPUSPA については、フリーウェアでいくつかあります。
私の今回使用したのは ws120 というもので、検索ソフトで "WS120"で検索しますと入手先が分かります。
また FFT アナライザ で検索してもフリーウェア、シェアーウェアいろいろあるようです。
このソフトは取り扱い説明書がありますので、読んでから始めたほうが良いと思います。
初めに少しCPUSPA そのもののデータを取っておきます。
サウンドカードなどによって特性に違いがでるとこまるので。
１）F 特
２）レベルによる誤差
３）窓関数の影響

発振器（DDS)6.8kΩ

100kΩ VR470Ω

サウンドカード

菊水 ミリバル（モニタ用）

周波を変化したときのレベルです。CPUSPA のピークの読み記録したもので、表示値-10dB@1kHz と-30dB@1kHz を基準としたとき、窓関数も変えて測定しました。
グラフは-30ｄB のときも、20db を加算して-10dB のときと同じグラフにいれてあります。
この F 特は私のコンピュータでの、ケーブルを含めた特性です。 WS120 のソフトではこんな特性を出すこと自体むずかしいし、他の FFT スペアナの F 特の測定結果も同様なので、ソフトの問題ではなくおそらくサウンドカードなどに起因するのではないかと考えます。
結果がこのようになったので、5kHz あたりから8kHz あたりを使用すれば 0.5dB 程度の誤差に入るようです。
（あくまでも私のシステムです。他のシステムは、データを取り直す必要があります）
私のシステムでは、2 トーン（主トーン）のレベルが-10dB を超えると、主トーンと3 次歪みの差は変化して、リニアリティが損なわれることもわかりましたので、主トーンのレベルは-10dB 以下に設定する必要があります。
44.1kHz

4.096point 10.7Hzres277mVrms-9
Freq(kHz) Hanning Hamming Blackman Hanning Hamming Blackman
1-10-10.1-10-30
-30.1
-302
-10.2
-10.3
-10.2
-30.2
-30.3
-30.2
3
-10.7
-10.9
-10.6
-30.7
-30.9
-30.6
4-11.7
-11.7
-11.1
-31.4
-31.7
-31.1
5-10.9
-11.1
-10.7
-30.9
-30.8
-30.7
6-10.7-10.8-10.6-30.7-30.7-30.67-10.8-10.8-10.7-30.8-30.8-30.78-10.9-10.9-10.9-31-31-319-11.2-11.2-11.2-31.2-31.2-31.2
10-11.7-11.8-11.7-31.7-31.8-31.6-9.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10-10.5-11-11.5系列1系列2系列3系列4系列5系列6-12窓関数による違いはほとんどありませんでした。

次は DC 受信機の特性です。
DBM を使用した単なるミクサです。 RF アンプの出力が 10dBm 程度ですので、DBM は見合うものを使用します。
高 IMD の DBM は必要がありません。
AF 出力は IF 端子から取り出します。 通常 IF は DC からの帯域があります。
AF はローノイズのOP- AMP で、120 倍程度のゲインをとりました。 この程度でちょうどよさそうです。
発振器は秋月の DDS を使用しています。 この場合改造しないと8MHz 程度の LPF が入ったままですので、14MHzでは使用できません。 私の場合は改造せずに 3.5MHz と7MHz 用として使用しています。
DC 受信機のミクサの低歪みの部分を使用するために入力信号をアッテネートしないといけないのですが、絞りすぎればS/N が悪くなるし、絞り方が不足ならばミクサの 3 次、5 次などの歪みが発生して正確な測定ができません。
このチェックは簡単で、入力信号のアッテネータの減衰を大きくしながら、そのつどAF のゲインを調整し、主トーンのレベルを一定たとえば-10dB に保つようにします。
その時の主トーンと３次 歪みのレベル差が変化しなくなるまで、アッテネータを絞って AF ゲインを上げると言う操作を行います。
この例では入力アッテネータを-40dB にしたときと-60dB にしたときで、主トーンと3 次歪みの差がそれぞれ-52.4dB、-52.8dB となって良しとしました。
1dB 以下くらいになれば良いと思います。
いろいろなスプリアスが見えますが、これは２トーン発生器が良くないためです。

入力アッテネータのレベル決定
エキサイタの歪み（7MHz） 44.1kHz sampling

4096 points

入力ATT：-40dB
３次歪み：-52.4dB

入力ATT：-60dB
３次歪み：-52.8dB

私の送信機の現時点の歪みです。
送信周波数： 約 7050kHz ｼﾝｸﾞﾙﾄｰﾝ出力： 70W

同ﾌﾟﾚｰﾄ入力： 650V*210mA=136.5W

効率： 51.3%

分解能10.7Hz（44.1kHz 4096ポイント）
3次歪み：-34.5dB

分解能を変更
分解能21.5Hz（44.1kHz 2048ポイント）
3次歪み：-34.0dB

周波数を高めに変更
分解能21.5Hz（44.1kHz 2048ポイント）
3次歪み：-34.4dB

感想１）現在の私の送信機 6146 パラで 70Wout 時の 3 次、5 次歪みが、約-34dB、-47dB でした。
OM の話では そんなものだよ ということでした。 まあいろいろな文献（CQ,HJ）をあたってみると6146 パラ
で、100Wout のとき約-25dB というのが定説らしいから、70Wout で NFB 約 8dB ではいちおう標準的であり、可も不可もなしという事にしましょう。
２）世の中には１ｋWout で-70dB と言う方もいらっしゃるのですが、私の場合6146 では限界のようで、考え方を変えないとちょっと無理のようです。 効率を考えた低歪みにはそれなりの考え方が必要で、MK5 などは入力 200Wの A クラスで70Wout で-50dB だそうです。 どうも不経済ですね。
３）私の場合は出力で 100W あれば十分なので、4CX350F/J あたりを軽く使って、もう少し多くNFB をかけて・・・あたりがちょうど良いでしょう。
４）その前にエキサイタの歪みをもっと減らさないといけません。 でもこのような測定器ができましたので、バラモジあたりから順に測定してゆけば、エキサイタなら(200mW 出力)時間さえ許せば 3 次-60dB 程度までは頑張れそうな気がします。
５）箱に等いれて、すぐ使用できる様にしておかないと、使用するときめんどうで。
６）私の所は SSG などというものもありません。 秋月のコントローラ付きDDS キットが唯一の発振器です。
この発振器は AF から8MHz 付近まで、とにかく大活躍します。
私と同じような境遇でSSG をお持ちでない方は、ひとつ作っておかれると大変有効な測定器となります。
７）信号処理は慣れないとむずかしいです。 ホームページには山のように資料がありますが、皆同じように分からない。という事は、私のほうの頭の限界でしょうか。

以上

回路図
T: FB801同等にバイファイラ巻き４T

2SC2407

0.01

from DDS

100T390+12V0.01

5.6k18RF in18R

3301k

101000p+12V＋47027100k

100μ63300.1

CPUサウンドカード

31000p4＋330330

330

3.3u ﾀﾝﾀﾙ

330

180.0110kI

330100470DBM0.010.010.1

LOP-2710k0.1
3.3 μ2SC2407

B E

CPUスペアナを使用するときの必需品
サウンドカードには入力を絞る機能がないのでVR付きのケーブルを作っておくC
2k〜5kΩ VR
サウンドカード付録

FFT（Fast Fourie Transfer)について

FFT に関する私の知識です。 この程度のことは FFT で HP を検索をすればいくらでも出てきます。
私自身のメモとして。 用語について正確を欠く場合がありますがご容赦を。
スペアナでは無線受信機と同様に測定周波数をスイープしてあたかも必要な帯域のフィルタが測定周波数の範囲内をスイープし、その範囲内の信号のレベルを測定できるようになっている。
FFT におけるスペアナでは、測定対象の信号をいきなりA/D 変換を行ってメモリに取り込み、数学的処理を行ってスペクトラムとして表示する。
この数学的処理が FFT とよばれる処理である。
最初にフーリエ級数がある。この級数はすべての周期関数は、一連の三角関数に展開できる。ということで、次のように展開できる。
f(x)=a0/2＋a1cosx＋a2cos2x＋a3cos3x＋・・・・＋b1sinx＋b2sin2x＋b3sin3x＋・・・・
１）a0/2 の電圧（直流成分）２）ｘなる周波数の cos 成分及び x の高調波（2x は第 2、3x は第 3・・・・）
３）ｘなる周波数の sin 成分及び x の高調波（2x は第 2、3x は第 3・・・・）
この係数 an とbn を決めて加え合わせると、もとの f(x)になるという事を意味している。
図で示すと A は B+C+D の合計である。

A： 測定信号C： cosine成分
C1

D： sine成分
cosx

C2a2sinx

D2sin2xb1a1B： 直流成分

D1

cos2xb2

このように信号が分解できるという事がわかったので、観測したい信号をうまく分解して an,bn を求める各周波数の振幅成分つまりスペクトラムが求まることになる。

通常アナログ信号をA/D 変換器などでサンプリングして数値化する。 その時点で信号は連続信号とはならず、とびとびの時間間隔の信号となる。 離散時間信号である。
この離散時間信号をフーリエ変換して、an,bn をもとめることをディスクリート・フーリエ変換（DFT）と言う。
その変換をできる限り高速に演算できるような手法をFFT（Fast Fourie Transfer)という。

離散時間信号に対して FFT 処理をおこなうと、結果として次の表を満足する値が得られる。
ここでｎは A/D を行ったサンプリングの回数（Fspl)によって決まる。
たとえば 2048 ポイントのサンプリングを行うと2048 個のデータが得られ、それをFFT すると結果として表の1024 個のデータが得られる。 ここで a0 は直流成分、a１〜a1023、b1〜b1023 折り返し の合計 2048 個である。
各々の値がスペクトラムとなるが、通常はパワースペクトラムといって cosine とsine の絶対値もとめ、かつ折り返しを除去して下図のような表に変換し、これを横軸を周波数、縦軸を値（レベル）として図示すればスペアナとなる。
Zn = √（an^2+bn^2） ここでは n = 1〜1023
先に x なる周波数とその高調波という事を記したが、サンプリング周波数： 44.1kHz（22.675us)
データポイント数： 2048
この場合 x の周期は 44.1kHz*2048 個 = 46.44ms
周波数は 44.1kHz／2048 = 21.533Hz となる。
この 21.533Hz が Z1 の周波数であり、この高調波が表示される。
高調波であるから21.533Hz おきにスペクトラムが並ぶわけでこれがスペクトラムの分解能となる。

44.1kHzで2048point この時間が1周期になる
sine（cosine)波の周期（周波数）は係数a0a1a2・・a1023
折り返しb1b2・・
b1023
係数a0Z1Z2・・
Z1023（1/44.1kHz) * 2048 = 46.44ms = 21.533Hz
以上値値