SDR Hard/Soft Lab JO7OZW

今回作りたい ラダーフィルタ の目標仕様を定義しました。

周波数　32 MHz

帯域　4~6 kHz

素子数　3

水晶サイズ　2016

通過帯域損失  5dB以下

入出力インピーダンス　500Ω以下

不安要素として、

32MHzのような高い周波数でラダーフィルタを作っている例をほとんど見かけない（一つありました）

小型サイズの水晶はその小ささの弊害で、フィルタとしての性能を損ねる要因を持っていないか？

という２つが頭から離れませんでした。 そこで、実現できるのかどうか、シミュレーションで検討しましょう！と走り始めました。

様々なブログを渡り歩き、最終的にJA9TTT 加藤OMのページに行きつきました。ここで紹介されている設計ソフトはとても素晴らしいものでした。是非、使用されたい。 以下、加藤OMページの抜粋 参考：Warrington Amateur Radio Club（英国）のサイトに、Jack Hardcastle, G3JIRによって最新バージョンDishal2031がアップされています。あまり違いは無いようですが、Windows OSによっては新バージョンの方が良いこともあるのでリンクしておきます。→ここから．　（追記：2015.08.25） 

この辺で、絵を入れたくなったので、採用を検討した水晶振動子の直並列共振周波数の測定の様子をお見せします。いつもお世話になっているAPB3で測定しました。

ちょっと右寄りに浮いてるのが水晶振動子です。いい加減な配線ですが、これで精一杯でした（笑）

いい加減な測定でしたが、それらしいデータが取れました。直並列共振周波数の間隔は45kHzであり、仕様とした帯域は満たせそうだと判断しました。この周波数差が大きいほど広帯域なフィルタが作れます。

さあ、それでは設計していきましょうと、設計ソフトを立ち上げて、「ん？」と固まりました。設計を進めるためには水晶振動子の等価回路の各パラメータを「実測で！」あらかじめ求める必要がありました（最初から知ってましたが、多少話を盛ってみます（笑））。 「実測で！」と強調したのは、データシートからは読み取てない素性だからです。なぜなら、本来の振動子として使うときには、「あまり重要ではないデータ」だからと推測します。そんな計算をいちいちやらないとマイコンを水晶振動子で動かせない世の中だったら、みんなアナログ屋さんになれますよね（笑） そうはいっても、そんな特殊な測定器(LCメータなど)は手持ちにないので、ひたすら水晶振動子のデータシートをアサリました。すると、ありました！！！ 全部の必要なパラメータを列挙したおかしな？データシートが！！ NDKさん、さすがすぎます！！

手持ちの水晶とサイズも一緒なので、さほど素性に乖離はないと判断し、この水晶振動子のパラメータを使ってラダーフィルタを設計しました。

いい感じに設計できてます。実測でもこのように動いてくれれば大満足です。

設計もできたので、実際に秋月で売っているSMDユニバーサルに組みました。 これおすすめです。って、裏面がベタのやつなくなってるやん！！悲しみ。。。

はい。なにがなんだかわかりませんよね。拡大鏡で頑張りました。

そして。APB3による測定結果です。ムムム、通過帯域は所望になっているけど、なぜか阻止域で跳ね返ってきてる！この手の特性は、経験上、測定の問題だと断定し、調査すると、同じようなことを書いている方が何人か見つかりました。 JM1DPL OMと最近はNanoVNAの創造主として有名人(←いいなぁ。そして、素晴らしい！)のttrftech　高橋さんです。 これらの内容を参照して、ユニバーサル基板の裏面ベタを利用してGNDを強化したところ、見事に跳ね返りが消滅しました！！

普段、数~数十GHzの回路を扱っているので、32MHzをなめてました。すみません。君は立派な高周波だよ。。。 そして、時代の流れに乗るために、そしてコロナ休み中にプロジェクトを進めるために、ついにNanoVNAをアマゾンで入手した。 ２日で届いた。(eBeyで首をながくして待つより良いと判断)

使い方はjh4vaj OMのページを参考にした。なお、Cal.説明の 「THRU」 については、誤っている。ここでこそ、SMAメスメスの出番です。同軸２本がNanoVNAに接続された状態で,それらの先端をSMAメスメスで接続しあうのが正解。

また、前回バージョンの評価時に測定した結果から、クリスタルフィルタの入出力インピーダンスは計算値とぴったり合うことが確認できているので、今回は測定を省こうかとも思いましたが、念のため測定して設計値通りになることを確認しました。下の写真は測定に用いた自作のインピーダンスブリッジです。これとAPB3の組み合わせで測定を実施しました。

自作インピーダンスブリッジ

これらの測定でクリスタルフィルタの特性が把握できたので、プログラムを書き込んでいつも通りラジオを受信してみました。フィルタの切れ味が良くなっていることが音でも実感できました。ちゃんと機能しているようです。

前回の投稿で紹介した、RF Front End基板も一緒に届きました。写真を載せます。まだ何も評価してません（笑）今週末にJA7YAAのOB会があり、宮城に帰る予定なので、それに合わせてこのFront Endボードも組み上げて、大きなアンテナで受信を試したいなぁという希望があります（笑）実はまだラジオ以外は受信したことがないのです。なぜなら．．．アンテナがないから！！

マンションはアンテナ設置には何かと苦労しそうです。実家のアンテナのありがたみを感じます。

RF Front End基板とRFユニバーサル基板

どうでもいいことですが、今回の投稿から、撮影するカメラをスマホからミラーレス一眼に変更しました。パンケーキレンズで撮ってますが、やはりスマホとは段違いに良く撮れますね！

[GNDの分割方式について(メモ)]

表題のGNDの引き回しについてですが、いろいろと測定やらパターンカットやら試していて細かくは説明しきれないのです。結論としては、今回の回路に関しては「各機能ブロックごとにGNDプレーンを分割して、戻り電流のルートを明確にする」ことが最善と判断しました。今まではアナログGNDとデジタルGNDの二系統構成でしたが、この構成ではLO信号によってGNDが揺れていることが観測されました。この辺のGND処理方法は基板や回路ごとに対応する必要があり、なかなか予想しにくい領域ですね。これがソフトな時代に生きるハード屋さんの存在価値でもあると思います。

あとは、このLOノイズを退治すれば、目的信号のみのクリーンな送信信号が得られます。もっとも、現時点でもRF Front End基板に載せる送信LPFで十分退治可能なレベルにはなっていますが。オンエアも近づいてきてますね！

第一IF周波数は諸事情で12kHzに変更しています。この理由は後ほど。

この送信信号の流れの中で発生しうる不要スペクトルとして想定していたのは以下の二つです。

Mixer1の出力信号のうち、20MHz IFフィルタで十分に減衰できない成分（20MHz ± 12kHzのどちらか一方）

Mixer2の出力信号のうち、LO2の漏れ信号（20MHz + f_RFout)

この予想通り、 20MHz IFフィルタの出力には20MHz ± 12kHzの変調信号が出てきましたが、フィルタにより 20MHz + 12kHz の成分は十分に減衰することができました。しかし、その予想に反して、20MHz IFフィルタの出力には変調信号以外に、変調信号に対して-35dBcの強さでLO1の漏れ信号も一緒に出てきてしまいました。これは２個のクリスタルフィルタでは十分に落としきれませんでした。

このローカル漏れの原因を探るために、コーデックTLV320AIC3204の出力を停止した状態で、IFフィルタの出力を見てみました。以下にAPB-3で測定したスペクトルを示します。

理想的には何もスペクトルが出てこないはずなのですが、しっかりローカルが出てきてしまってます。ここではローカル周波数は20MHz - 12kHzに設定されています。原因としてはコーデックのコモンモード電圧のアンバランスかと思われますが、まだ調査中です。こんなにローカルが漏れるMixerはMixer失格でしょう（笑）ひとまず対策として、次試作基板ではクリスタルフィルタの段数を増やす予定です。フィルタのスカート特性など少し不満があったので、結果オーライということにしておきます。ミキサ周りの回路も修正予定です。

上記のような問題はありましたが、ドライブAMPとして6GHzまで帯域が伸びているMMICを用いているため、1~144MHzの間で0dBmの送信出力を得ることができる見込みです。簡単な （ブロード帯域な） 回路でクリーンな送信信号を得ることは結構大変ですね。身に染みて実感しました。

[IF周波数を12kHzに変更した理由]

ちょっと小難しい話をします。実信号と複素信号について考えてみます。複素信号と聞くと難しい響きで、見ることも聞くこともできない信号のように思えてしまいますが、要は複素信号は「マイナスの時間という概念から生まれた信号」と考えることができると思います。メモリ機能、つまり遅延を使えるデジタル信号処理においては「マイナスの時間 = 過去の信号」を扱うことは当たり前のことですから、知らないうちに複素信号を扱っていることになります。何を言いたいかというと、一度デジタル信号に変換してしまえば、複素信号を作り出すことは容易なのです。

とはいうものの、デジタル信号に変換したとしてもしばらくは（複素信号に変換が完了するまでの間は）実信号のまま扱うということもしばしばあります。今回のようにIF信号（実信号）を取り込んで、内部で複素可するような場合がそれに当てはまります。

受信信号処理を実装する過程で、12kHzからベースバンドへのダウンコンバートする信号処理方法を何種類か検討しました。デジタル信号処理で複素信号を周波数変換する場合には、理論的には、ローカル漏れやイメージ信号は一切発生しません。しかし、実信号から複素信号への変換を兼ねた周波数変換過程においてはその限りではなく、イメージ信号が発生してしまいます。

これが少し気持ち悪いなと感じた時、「IFを12kHzにすれば、12*4 = 48kHz（サンプリング周波数）という関係を利用して面白いことができるかもしれない」と思ったのです。具体的には、48kHzのサンプリング周波数でサンプリングした12kHzのIF信号を1サンプル分遅延させたデータと遅延なしのデータは位相差90度の信号対とみなせるわけです。これはつまり「データを１サンプル分遅延させるだけで複素信号を作り出せる」ことを意味しています。信号処理に詳しい人が聞くとちょっとした問題点に気づかれると思いますが、現状は目をつむっています。

この方式により、実信号を一般的な方法でダウンコンバートするよりも、不要信号レベルを約25dB減少させることができました。これはフィルタ設計条件を緩くしてくれるメリットがあります。とりあえず、満足です。

「以上が進捗でした。現在、これまでのデバック結果を反映した試作基板を設計中です。回路内容が大幅に変わりそうです。修正のついでに144MHzにも本格的に対応予定です。」

[つまずいたことと対策]

[I2S + DMAループバックができるようになるまで]

さて、最近はソフトウェアの開発を中心に進めていました。特にI2S関連です。 本開発にはFreeRTOSを用いてますので、OSへの影響・負担を小さくすることを考慮して、DMAとI2Sを組み合わせたいという思いがありました。I2SをHALで書くのは初めてであり、分からないことだらけでしたので、まずは先人の知恵をお借りすることにしました。

まずは、 Computer Radio RF Tech  高橋さんのIQDDSのmbedソースを眺めて検討を開始しました。高橋さんのソースから TLV320AIC3204(以下Codec) の初期化コードを引いてきて、少し改造して実装させて頂きました。また、I2SとDMAを組み合わせてFull Duplex動作させるために必要な初期化パラメータを参考にして、STM32CubeMX経由で実装しました。

以下、I2SとDMAの組み合わせで音声のループバックができるようになるまでの開発手順です。

Codecのアナログルーティング仕様をI2C経由で設定

Codec_Write(0x1d, 0x10); // (addr, data)　コマンドでアナログルーティングが正しいことを確認。このコマンドはAD変換データをchip内部でそのままDACへ送り込む設定値です。DACにはヘッドフォン、ADCへはマイクをつなげています。

マイコンのDMA, I2Sを設定し、ダブルバッファーを構成し、 Codecの出力データ（AD変換結果） をそのままCodecへ送信するようにコード作成

マイク入力音声がヘッドファンから聞こえればオーケー

と、簡単そうに書いてみましたが、いろいろつまずいてなかなかに苦労させられました。まぁ、あまり簡単にうまく行っては勉強にならないのですが（笑）

そして、ふと「AMラジオならこのまま受信できちゃうのでは？？」と思い、ご近所のAMラジオ局の周波数1422kHzをLO発振器に設定してみたら、あっさり受信できてしまいました！！！いやー御馳走さま！って感じ（笑）動画載せておきます。

以下に、つまずいたところや、気づいた点について、参考になりそうな情報を載せておきます。

STM32CubeMXで作成したSW4STM32用プロジェクトをコンパイルすると、”SysTick_IRQn can't be resolved”というエラーが出る。これはCubeMXのバグだそうです。以下、対処方法

To solve this error, you should request that System Workbench do not parse files that are not used by your project, by opening th eindexer properties dialog (project >> Properties >> C/C++ General >> Indexer) then check the Enable project specific settings checkbox and uncheck the Index unused headers checkbox.

You may also suppress indexing of unused headers for all projects that do not have project-specific indexer settings by modifying the workspace settings at Window >> Preferences >> C/C++ >> Indexer.

HAL_I2SEx_TransmitReceive_DMA(&hi2s2, .., ..., ...)　関数からのCallBack関数はHAL_I2S_TxRxCpltCallback(...)のみ有効。HAL_I2S_TxHalfCpltCallback(..)系関数は定義しても呼ばれない。

Apple製のマイク付きヘッドフォンを接続すると動作が不安定（要原因調査）。中華製のヘッドフォンに変えると安定動作した。（結構ハマりました...）

ここまでで、この無線機の土台になる部分はおよそ出来上がったかなと思ってます。 今後は、ループバックしていたソフトウェアに変調や復調関数を順次追加していき、無線機らしく仕上げていくことになります。

[参考]

Computer Radio RF Tech  高橋さん のIQDDS mbedソース

Description of STM32F3 HAL and Low-layer drivers

裏面(部品面）

無線機の肝 - 局部発振器としては、安価で入手しやすいクロックジェネレータICであるSi5351を採用しました。このデバイスはElecraft社の最新デバイスであるKX2にも採用されており、無線機の局発として採用することに対して全く障壁を感じさせない期待のデバイスです。高橋さんがスプリアスの調査してますね。以下にKX2の構成ブロック図を載せます。 

上述のようにいろいろな回路を参考にしつつ、独自のテイストをブレンドして（👈これが醍醐味ですよね！）回路設計・レイアウトし、いつもお世話になっているelecrowに注文しました。メタルマスクも注文し、ホットプレートでなっちゃってリフローで完成させました。最近、elecrowは発注してから商品到着するまで７日を切ることが普通になってますね。とても助かってます。回路の構成については、図を作ってないので、後日載せることにします。

これまでは回路中心に開発を進めてきたため、マイコンの開発環境については勉強不足でした。開発環境の構築はとても骨の折れる作業のイメージが強かったのですが、世の中はどんどんオープンソースの方向に進んでいて、意外と簡単に素晴らしい環境が整ってしまいました。ソフトウェア開発環境の構築ついても後日説明したいと思ってます。それにしてもSTMicroのHALライブラリはよくできているなぁと思いました。程よい抽象度、レジスタを叩いていないのになんでもできる感じがいいですね。これから勉強していきます。

「進捗」

STM32CubeMXとSW4STM32を導入し、マイコン開発環境の構築完了

FreeRTOS、LED制御、Si5351による２周波発振確認、I2C LCDの動作確認完了

20MHz 2nd IF Filterの伝達特性の測定完了（設計通り：BW 3kHz, Loss 1dB）

「メモ」

I2C LCD( AQM0802A )は400kbpsのデータレートonly

「今後の予定」

TLV320AIC3204 （MCLK: 16MHz) の初期設定パラメータの算出

TLV320AIC3204とSTM32F303のI2S full duplex動作の実現（DMAの設定含む）

テスト信号（単一周波数正弦波？）を用いて変復調の基本動作確認