#si5351a

Si5351Aは、内部にPLLを二つ、さらにそれを分周した出力を三つ取り出すせるクロックジェネレータです。水晶と合わせて10x10mm以下の面積でコンパクトに実装することができます。

大変便利なチップなのですが、その設定は少しやっかいで、内部構成を理解していないとレジスタに与える設定値を決めることができません。最初の実験で試したように、Arduinoのライブラリは何種類かあるようですが、目的にはちょっと合いませんでしたので、参考にさせてもらいつつ、FriskSDRやNanoVNAを作るためにコードを作成してみましたので少し解説します。

Si5351Aは内部が二段構成になっており、前段のPLLと、後段の分周器(MultiSynth)を独立に設定しなければならなりません。PLLとMultiSynthは、それぞれフラクショナル(分数分周器)となっています。前段、後段それぞれに自由度があるので、同じ周波数を出力させるために、可能な設定は一意に決まりません。さらに、設定にあたっていくつか考慮しなければならない制約があります。

PLLとMultiSynthは似たような分数分周器となっており、その分周比は三つの整数を使って表現できます。

a + b / c

設定にあたってまず押さえておかねばならないのが、PLL側で生成可能な周波数が、600〜900MHzでなければならないことです。可変範囲が1.5倍の範囲ですので案外と狭いです。

一方、MultiSynth側にも制約があります。150MHz以上の出力を得るためには、1/4の固定分周比を使用する必要があることが明記されています(AN619 6p 4.2.2節)。では150MHz以下ならあとは自在かと思えば、実はまだ制約があり、分周比が8以下の分周比については、分数分周比が使えず、4,6,8の整数比の分周動作動作のみが可能となっています。PLLの下限が600MHzですから、150MHz以下を発生させようとすると、分周比を6を選択する必要があるのです。同様に、100MHz以下に設定したければ分周比を8以上に設定することになりますが、その範囲になるとMultiSynth側で分数分周比が使えるようになり、任意の周波数を設定する自由度がMultiSynth側に出てきます。そしてMultiSynthの分周の上限は1800ですので、600MHz/1800=333kHzで周波数の下限に達します。これ以下の周波数を設定しようとするなら今度はMultiSynthの後ろに用意されている2^Nの分周器Rを使う必要があります。Rは1/128まで設定可能ですから、下限は333kHz/128=およそ2.6kHzとなります。

以上のように、出力したい周波数範囲によって、設定の方針が違ってきます。まとめると次の様になります。 

150MHz < Fout ：MultiSynth=4とし、PLLを分数比で使い4xFoutに設定する

100MHz < Fout < 150MHz ：MultiSynth=6とし、PLLを分数比で使い6xFoutに設定する

333kHz < Fout < 112.5MHz ：1) MultiSynthを8以上任意(<=1800)の分数分周比で使用し、PLL側を整数比で固定する。2) MultiSynthを8以上の整数比Nで使用し、PLL側をNxFoutとなるよう設定する(PLLが600~900MHzに入るようNを決める)

3kHz < Fout < 500kHz ：Rを適切に決めて、後は同じ

RFアプリケーションであれば、Rを使用する必要は無さそうです。

ちなみに設定可能な周波数のレゾリューションは、設定値や設定方針によって変化しますが、およそ数10Hz単位での設定可能です。分数部分のbとcは20ビットの幅を持っていますので、PLLまたはMultiSynthの片側だけ数10Hz程度。あるいは(面倒ですが)両者を任意に設定する気があるなら、もっと細かい分解能が得られます(これが適用可能な周波数領域は112.5MHz以下に限られます)。もちろん低周波数なら、Rを大きく取るとレゾリューションもその分細かくなります。実はCLK入力にも1,2,4,8の分周器があるので、PLL側の設定解像度を上げられるのですが、PLL分周器の設定範囲(15-90)から制約を受けます。実用的にはCLK分周器は使用する必要は無いと思います。

生成する信号の質を考慮すると、可能なら整数比を使うとスプリアスが減ります。整数比の場合に適用する特別なビットがレジスタにあります。分数比を使う場合でも、できるだけ簡単な比になるようにすると良いようです。

以上のことから、係数を決定するには次のような方法が良いと思われます。PLLとMultiSynthそれぞれについて、設定したい周波数と、水晶やその他の条件から、a,b,cを決めます。そしてb,cがなるべく簡単な比になるようユークリッドの互除法を使って分子分母の最大公約数を求め、既約分数にします。さらにもし20ビットの範囲に納まらなかった場合は、精度が犠牲になりますが数値を丸めます。

PLLの設定は下記のようにします。MultiSynthを固定分周比(4または6)に設定して、PLLを4*freqまたは6*freqに設定します。

void si5351_set_frequency_fixeddiv(int channel, int pll, int freq, int div) {    int32_t pllfreq = freq * div;    int32_t multi = pllfreq / XTALFREQ;    int32_t num = pllfreq - multi * XTALFREQ;    int32_t denom = XTALFREQ;    int32_t k = gcd(num, denom);    num /= k;    denom /= k;    while (denom >= (1<<20)) {      num >>= 1;      denom >>= 1;    }    si5351_setupPLL(pll, multi, num, denom);    si5351_setupMultisynth(channel, pll, div, 0, 1); }

PLLを固定し、MultiSynthを可変する場合には下記のようにします。

void si5351_set_frequency_fixedpll(int channel, int pll, int pllfreq, int freq) {    int32_t div = pllfreq / freq; // range: 8 ~ 1800    int32_t num = pllfreq - freq * div;    int32_t denom = freq;    int32_t k = gcd(num, denom);    num /= k;    denom /= k;    while (denom >= (1<<20)) {      num >>= 1;      denom >>= 1;    }    si5351_setupMultisynth(channel, pll, div, num, denom); }

a,b,c(下記の式ではmulti,num,denom)を決めることができたら、下記の式に従ってP1,P2,P3を求め、それを8つのレジスタ(各8ビット)に配置します。

P1[17:0] = 128 * mult + floor(128*(num/denom)) - 512 P2[19:0] = 128 * num - denom * floor(128*(num/denom)) P3[19:0] = denom

それからレジスタ設定には順序があり、これに従わないと周波数切り替えの際にうまく設定されないことがありました(実際にハマった)。 データシート17pにある下記フローのようにします。

これらを合わせて、周波数の範囲により、設定方針を切り替えるため、例えば下記の様にします。

void si5351_set_frequency(int channel, int pll, int freq) {  si5351_disable_output();  if (freq <= 100000000) {    si5351_setupPLL(pll, PLL_N, 0, 1);    si5351_set_frequency_fixedpll(channel, pll, PLLFREQ, freq);  } else if (freq < 150000000) {    si5351_set_frequency_fixeddiv(channel, pll, freq, 6);  } else {    si5351_set_frequency_fixeddiv(channel, pll, freq, 4);  }  si5351_reset_pll();  si5351_enable_output(); }

もし、周波数を可変する必要が無いなら、こんなコードは必要ありません。あらかじめレジスタ値を計算しておけば良いのです。Si5351AのI2Cは、自動インクリメント動作をするので、こんなデータを用意しておけば、まとめてデータを送ることができます。

static void si5351_bulk_write(const uint8_t *buf, int len) {  int addr = SI5351_I2C_ADDR>>1;  i2cAcquireBus(&I2CD1);  (void)i2cMasterTransmitTimeout(&I2CD1, addr, buf, len, NULL, 0, 1000);  i2cReleaseBus(&I2CD1); }

// register addr, length, data, ... const uint8_t si5351_configs[] = {  2, SI5351_REG_3_OUTPUT_ENABLE_CONTROL, 0xff,  4, SI5351_REG_16_CLK0_CONTROL, SI5351_CLK_POWERDOWN, SI5351_CLK_POWERDOWN, SI5351_CLK_POWERDOWN,  2, SI5351_REG_183_CRYSTAL_LOAD, SI5351_CRYSTAL_LOAD_8PF,  // setup PLL (26MHz * 32 = 832MHz, 32/2-2=14)  9, SI5351_REG_26_PLL_A, /*P3*/0, 1, /*P1*/0, 14, 0, /*P3/P2*/0, 0, 0,  // RESET PLL  2, SI5351_REG_177_PLL_RESET, SI5351_PLL_RESET_A | SI5351_PLL_RESET_B,  // setup multisynth (832MHz / 104 = 8MHz, 104/2-2=50)  9, SI5351_REG_58_MULTISYNTH2, /*P3*/0, 1, /*P1*/0, 50, 0, /*P2|P3*/0, 0, 0,  2, SI5351_REG_18_CLK2_CONTROL, SI5351_CLK_DRIVE_STRENGTH_2MA | SI5351_CLK_INPUT_MULTISYNTH_N | SI5351_CLK_INTEGER_MODE,  2, SI5351_REG_3_OUTPUT_ENABLE_CONTROL, 0,  0 // sentinel };

void si5351_init(void) {  const uint8_t *p = si5351_configs;  while (*p) {    uint8_t len = *p++;    si5351_bulk_write(p, len);    p += len;  } }

上記を含めコードをgistに載せておきます。

https://gist.github.com/edy555/f1ee7ef44fe4f5c6f7618ac4cbbe66fb

ところで、以前スペクトラムはかなり綺麗と書きましたが、発生させる周波数によってかなり違いがあります。20MHz以下であればかなり綺麗ですが、周波数を上げるに従ってスプリアスが増えてきます。いくつかデータを取ってみましたので、参考に上げておきます。使っているのはNanoVNAで、ブリッジを通った出力なので、-10dBm程度となっています。水晶は26MHzのVCTCXOです。グラフの縦軸はdBと書いてありますがdBmです。

まずは以前も試した13MHz。Spanは6MHz、RBW10kHzです。2MHz上下に小さいSpurが見えてます。-70dBcくらいで、この周波数なら綺麗です。近傍の裾は測定系の位相ノイズです。

周波数をちょっと上げて20MHz。Spanは10MHz、RBWは10kHz。Spurのレベルがちょっと増えます。-4MHzにも出てきます。-62dBcくらい。

さらに上げて30MHz。かなりSpurが増えてきます。-60dBcくらい。

50MHz。あまり変りません。

100MHz。かなり増えてきます。-52dBcくらい。

100MHzからはSpan 50MHzを示します。RBWは500kHz。広くSpurが分布しています。

150MHz。Spurが-40dBcくらいですから、結構強くなってきました。Spurの位置は分数分周器の剰余の位置に来ますので、設定周波数によって大きく変化します。

200MHz。

300MHz。逆にSpurが減りました。

ちなみに260MHzだともっと綺麗になります。水晶から丁度10倍の周波数で、整数比の動作となっているからです。

ちなみに近傍の様子です。それぞれSpan 5MHz、RBW 10kHzです。

20MHz

100MHz

200MHz。ここまでは、近傍はほとんど差がありません(測定系の位相雑音程度)。

300MHz。近傍の位相ノイズが増えてきます。さすがに仕様範囲外ですので。

312MHz。このあたりが限界でした。位相ノイズが相当多くなっています。無理をしている様子がわかります。一方Spurのほうは逆にレベルが下がっています。

ここまではキャリア周辺を示しましたが、方形波ですからハーモニクスが大量に出ています。100MHzに設定し、1GHzまで見た場合こんな感じになります。もちろん奇数次が主ですが、偶数次もある程度存在します。

以上、Si5351Aの設定方法と、信号の質について紹介しました。設定方法は他にも選択肢があるので、合わせて信号の質は変化すると思いますが、傾向は参考になると思います。

低い周波数での出力は比較的綺麗ですが、高い周波数では注意が必要でしょう。もちろん基板レイアウトによって差が出てくるはずです。特に多出力を活用する場合は注意が必要です。販売されているいわゆるブレイクアウトボードの類では、RF的には駄目そうなものもありますので注意が必要です。

驚いたのは300MHz超まで出力可能なことでした。さすがに信号の品質的にはイマイチなので注意が必要ですが、例えばVNAが目的であれば問題になりませんし、せっかくのこの能力を活用したいと思っています。

リファレンス

前回の実験 http://ttrftech.tumblr.com/post/138286883286/

Si5351Aを使ったFriskSDR http://ttrftech.tumblr.com/post/140556745841/

Si5351Aを使ったNanoVNA(実験中) http://ttrftech.tumblr.com/post/149867208596/

Si5351Aデータシート https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Si5351-B.pdf

Sillicon Laboratories Application Note 619: Manually Generating an Si5351 Register Map https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/AN619.pdf

設定コードの例 https://gist.github.com/edy555/f1ee7ef44fe4f5c6f7618ac4cbbe66fb

Adafruitsのチュートリアル https://learn.adafruit.com/adafruit-si5351-clock-generator-breakout

Adafruitsのライブラリ https://github.com/adafruit/Adafruit_Si5351_Library

前回も書きましたが、修正が必要だった大きなポイントはCを追加したことです。ミキサからコーデックのADCに差動で入力する箇所にCを入れず直結としていたのですが、ここの入力にはオフセットが少なからずあるようです。ADC手前に入っている入力アンプのゲインを下げた状態では信号を取り込むことができていたものの、アンテナからの微小な信号を取り込むべく入力ゲインを上げるとすぐに飽和してしまいました。そのため、仕方なくコーデックの入力にCを入れる(差動を2チャネル分なので4つ)ことで解決しました。基板にスペースが無いので1005サイズのC(100nF)を、配線をカットした上に無理やり詰め込んでいます。こうして見ると、1005に比べると1608がとても大きく見えます(赤枠が追加した1005)。

Cを入れたことが理由で問題となるのが、入力信号にDC成分が取り込めなくなってしまうことです。IとQの2相信号として取り込んでいますので、本来ですと48kHzサンプリングならチューニングした周波数から-24kHz〜+24kHzと正負両方の帯域をフルに取り込めるはずなのです。ところがDC=0Hz付近が入らなくなったことにより、そのど真ん中に穴が空いてしまうのです。100nFとコーデックの入力インピーダンスで決まる帯域分が欠けることになります。SSBを受信しようとする場合は、キャリア成分が無いので問題にならないのですが、AM放送の受信では影響があります。取り込んだ信号はキャリア分が不足することになるため正常なAM復調ができなくなること、具体的には放送周波数とわずかに周波数がずれますので、そのずれた分が耳障りなビブラートのようなビートになってしまうのです。

そのため、AMの復調では特別な工夫が必要です。SSBをWeaver方式で復調際に周波数シフトをしましたが、それをAM復調でも行うことにしました。AM放送の帯域幅9kHzをカバーするよう10kHzずらしてチューニングを行います。これならキャリアが失われてしまう心配はありません。そしてずらした分をもとに戻すよう周波数シフトを行います。帯域外信号を削除するようLPFを通してから、各サンプルから瞬時振幅をsqrt(I^2+Q^2)で計算して復調信号を得るようにします。LPFは次のSSB復調と同じくIIRを使ったフィルタです。

SSBの復調は、インターフェース誌で紹介したLPC4370のSDR受信機と同じくWeaver方式です。サンプリング周波数が8kHz→48kHzですので、IIRフィルタを再設計しています。それ以外はほとんど同じです。MPUはLPC4370とSTM32F303で違っていますが、Cortex-M4Fという点は同じですのでコードも同じです。雑誌ではDDCでのチューニング周波数をずらしていましたが、FriskSDRでは0Hz付近の穴に嵌らないよう信号処理で周波数シフトを行います。周波数シフトは、LPFの手前と後の2回、同じ周波数幅で逆方向に行うことになります。

AMとSSBが実装できたことになりますが、あとはFMを実装したいところですが、狭帯域FMはAM放送と同様の帯域の穴にさえ気をつければ実装できるはずです。FM放送もチャレンジしてみたいところなのですが、帯域が広すぎて48kHzのサンプリング周波数ではカバーできません。問題の帯域の穴については、FM変調という条件(例えば振幅が一定である等)を付加すると補正できるような気がするのですが、ちょっとやり方が思いつきません。

その他、もう一つ問題になりそうなのが、RF入力への信号漏れです。測定してみると-60dBmくらい漏れています。H-mode Mixerは高い直線性を確保できるとのことなので、それを確認したくて入力にはアクティブ素子を入れずトランスだけにしていました。トランスを介してミキサに直結しているだけですので予想はしてはいたのですが、案の定です。改善の方法ですが、漏れてくる信号の周波数は受信する周波数とほぼ同じになりますので、フィルタでは阻止できません。プリアンプを入れるのが定石ではあるのですが、せっかくの直線性を台無しにはしたくないところです。一方、トランスよりもアンプのほうがコスト的にはメリットがあります。現時点で達成できている性能を確認してから、次の構成を検討したいと思っています。

ジョンソンカウンタに使った74AHC74ですが、これもトラブルになりました。Si5351で発生する周波数を上げていくと、突然スペクトラムが乱れます。受信機のチューニング周波数で34MHz付近、Si5351Aはその4倍の132MHz付近での現象です。当初はSi5351Aの設定可能範囲を外れておかしくなっているのかと考え、Si5351Aのトラブルシュートに数日費やしたのち、よくよく動作を見てみると74AHC74の動作が追いついていなかったのでした。データシートを見てみると3.3V動作では Fmax=125MHzとなっていました。対策としてはロジックICのシリーズをAHCに代えて74LVC74にしますとtyp値でFmax=250MHzとなり、こちらは十分な速度があるようです。AHCは充分速いという先入観がありましたが、5Vに対応したシリーズを3.3Vで使う場合はそう速くはないようです。一方LVCは上限が3.3Vですが、低電圧での性能が充分に確保されているようです。標準ロジックICに、数多くのシリーズが用意されている理由が理解できました。実際のところは実験で確認する必要があります。

74AHC74の動作速度

74LVC74の動作速度

それから受信機に必須のAGCですが、TLV320AIC3204のADC側に付属しているAGCがかなり有効に機能することがわかりました。もともとはマイクゲインの自動調整用なのですが、マイクの代わりにミキサ出力がつながっていてもそれなりに動作します。アナログで47.5dB、デジタルで20dBあわせて68dBもの調整幅があります。AM放送ならこれで十分なようです。SSBでは信号処理でフィルタを掛けますが、コーデックのAGCだけでは隣接チャネルの抑圧が生じるのでもう少し工夫が必要かもしれません。実験ならそれなりに使えています。AGCは、OFF/Slow/Mid/Fastを選択できるようにしてみましたが、コーデックのパラメータの調整で済ませています。AGC OFFの場合はマニュアルゲイン調整をできるようにしてみました。

さて、いつもケースには入れず作りっぱなしで、実験して満足して終わってしまうのですが、FriskSDRというからにはFriskに入れないわけにはいきません。ようやくFriskケースを加工して入れてみました。加工はドリルとリュータを使いました。余計な仕切りを削り取って、コネクタの穴、そしてレバースイッチ用の切り欠き、LCD用の窓を開けました。

LiPo用コネクタの差し込み側が出っ張るのがミスしましたが、ぎりぎり納めることができました。次回修正版を作成する際にレイアウトを修正検討したいと思います。

液晶ディスプレイはケースの裏側になってしまいました。角穴のサイズもミスってしまいました。シールを貼ってこちらを表にして、アラを隠すようにしたいと思います。

どうせならスピーカも内蔵させれば良かったかもしれません。aitendoで見つけたマイクロスピーカが丁度入れられそうです。ミニジャックが切り替え型ではないので、このままでは付けられないのですが。

失敗したのは、電源スイッチを省略してしまったことです。格好を付けて、OFFの代わりにスリープ状態として、ボタンプッシュでの復帰を考えていたのですが、現在のレバースイッチの接続ではこれができないのです。スリープ状態からの復帰にはPA0-WakeUpをHにする必要があります。これも次回の課題です。

それから短波はともかくとして、AM放送ですら外部アンテナが必要なのは残念な点です。

LiPoを付けてみたものの、消費電流は現在70mA程度でLiPoは現実的ではありません。低消費電流な新しいデバイスSTM32L433CCT6の入手を画策中です。それまではUSBによる外部電源供給タイプとして使うのが現実的かと思います。

USBはデバックに使っています。PCからはCDCとしてシリアルのように使えますので、コマンドを入れたり状態を確認することができます。できればUSB Audioデバイスとして見えるようにしたいと考えているのですが、力尽きて今のところ及ばずです。USBスピーカとしては動作するようにはできたのですが、なかなか安定しません。もう少しもがく必要がありそうです。

リファレンス

これまでの記事: FriskSDRにUIを実装してみました http://ttrftech.tumblr.com/post/145152124586/

FriskSDRが動き始めました http://ttrftech.tumblr.com/post/143563100751/

FriskSDR組み立て開始しました http://ttrftech.tumblr.com/post/141717924271/

74AHC74 http://www.nxp.com/ja/products/discretes-and-logic/logic/so/dual-d-type-flip-flop-with-set-and-reset-positive-edge-trigger-based-on-pip-74ahc-ahct74:74AHC_T_74

74LVC74 http://www.nxp.com/products/discretes-and-logic/logic/lvc/dual-d-type-flip-flop-with-set-and-reset-positive-edge-trigger:74LVC74APW?lang_cd=en

3年程前になりますがAD9859 DDSを使ったVNAを試作していました。VNWAとして販売されている製品の原理を、QEXに掲載されていた情報を元に追試しました。その際にいろいろと課題がわかりましたので、その後改良版を作るつもりいたのですが、そのまま放置になっていました。

信号源としてSi5351Aを使うと部品がかなり減らせます。違いとしては、DDSだと出力は正弦波ですが、Si5351Aはクロックジェネレータなので方形波です。VWNAではDDSのエイリアスを使うことでGHz前後の上の帯域をカバーしていました。ここがVNWAのすごいところだったのですが、方形波でも倍音成分を使うことで同様なことができるのではないかと期待しています。ここは実験次第です。

ところで、最近の工作で、オーディオコーデックとしてTLV320AIC3204をよく使っていますが、実はこのチップを選定した理由の一つが、VNWAのスタンドアロン版を作ることを想定していたからなのでした。VNWAでは、観測すべき信号が三つ、これをステレオサウンド入力の2チャネルで観測するためにアナログスイッチで信号を切り替えていました。一方、TLV320AIC3204は入力が3つあり、これをチップの設定で切り替えることが可能です。しかも差動入力で使えるので、ギルバートセルミキサSA612の出力をそのまま入れることができます。さらにPGAが入っているのでアンプも不要で、とてもシンプルな構成とすることができます。

スタンドアロン化のため、LCDディスプレイと、レバースイッチとプッシュボタンを用意しました。レバースイッチにもボタンが付いていますが、それとは別にボタンを追加したのは、スキャン開始の操作をしやすくするためです。LCDはLPC4370 SDRで実績のあるILI9431で、基板に直接実装するタイプの部品が入手可能なのでこれを使います。おまけとしてこのLCDには抵抗膜タイプのタッチパネルが装備されています。これを基板の裏に直接載せて、フレキケーブルをハンダ付けして実装する予定です。全体で10mm以下と、自作品にしては薄く仕上げられる予定です。

LCDは320x240とピクセル数は多くはありませんがピクセルが細かいおかげで案外と綺麗な表示ができることがわかっています。ここに美しいスミスチャートを描きたいと思っています。色数が多いので、階調表現による滑らかな曲線を描くことができるはずです。UIと合わせてソフトウェアの工夫のしどころです。

操作はレバースイッチとボタンで行う前提にしておいて、タッチパネルはもしうまく使えそうなら試そうと優先度は下げて考えています。

スタンドアロンでの動作を最終的な目標にしますが、もちろんPCからUSBで接続して制御して使うことも想定しています。おそらく最初はPC前提に開発することになると思います。

電源はUSBですが、LiPoも試してみようと用意しています。アナログ部分のSA612の電源が5Vなのですが、LiPoの場合取れる電圧が3.6V程度でミキサの仕様外になってしまうので、果たしてうまく動作するかは不明です。

ブロック図を示します。

MCUにはSTM32F072を使うつもりです。信号処理とは言っても、SDRと違ってリアルタイムではないので、Cortex-M0で充分ではないかと考えています。小さなメモリでどこまで作り込めるかです。もし入らなかったらF303に変更します。

原発振には26MHzのTCXOを使います。TCXOは振幅の小さいClipped sine waveを出力するタイプのモジュールが多いですが、これがSi5351Aで使えることは実験で確認済みです。さらに周波数を微調整できるVCTCXOタイプを使ってMCUのDACで調整できるようにします。本当なら外部から10MHzを入れられると良いのですが、残念ながらSi5351Aだと無理です(実はSi5351Cなら可能なのです。代わりにピン数が増えてしまいますが)。

ブロック図には書き忘れましたが、余力があればSDカードに測定値をタッチストーン形式で記録することを検討しています。写真にあるソケットがそれです(基板から出っ張りますが面積的に仕方ありませんでした)。microSDではなくSDにしたのにはもちろん理由があります。これに関して、ちょっと面白いことができると良いなと思っています。

と、妄想はいろいろ膨らんでいますが、まだFriskSDRの作業が終わっていないので、VNAの実験と製作に取りかかるのはもうちょっと先になりそうです。果たしてうまくいくかどうかもわかりませんが、作業に取りかかるまで構想を練っておきたいと思います。

そういえば、CQ社RFワールド誌の次号(No.35)でVNAの製作記事が特集されると予告されていました。Windowsで制御するようですが、こちらも楽しみです。

リファレンス

VNWA http://sdr-kits.net/VNWA3_Description.html (そういえばトラ技で開発者による解説の翻訳が連載されていました)

以前VNWAのクローンを試作したレポート「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(1.動作原理解説)」 http://ttrftech.tumblr.com/post/42922407294/

「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(2.設計と実装)」http://ttrftech.tumblr.com/post/43539176274/

「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(3.信号処理とプロット)」http://ttrftech.tumblr.com/post/44220192957/

「Si5351Aクロックジェネレータを試用してみる」http://ttrftech.tumblr.com/post/138286883286/

Si5351Aは、クリスタルを一つ付けるだけで、10数kHzから200MHzまでの周波数を生成することのできるクロックジェネレータです。内部に独立したPLLが二つ、出力は3つあり、個別に設定することが可能です。出力は50Ωを駆動することができます。価格は比較的安価で、謳い文句にあるように、たくさんの水晶モジュールを使わずに済むメリットがあります。

気になる無線への応用ですが、信号純度が重要です。ターゲットがクロック用とはいえ、最近の高速通信用途ではクロックへの要求が高いので、それなりの性能があります。データシートを見てみたところジッタの数値が十数psのオーダーで、それほど良いわけではありません(まともな水晶モジュールなら1ps以下です)。しかしながら、Webには無線への応用例をいくつか散見したので、もし使い物になるのなら、応用範囲も広そうですので、試してみたいと考えていたところでした。

チップのパッケージはMSOP10ですが、Strawbery Linuxのモジュールでは水晶も一緒に10ピンDIPの基板に載せられています。

動作させるためにはI2Cでの設定が必要です。この設定のため、Arduino環境で使えるSparkFun Pro Micro(互換品)を使用することにしました。Pro MicroはAtmelのMega32U4を使用したUSB対応のボードで、3.3V版が選べて互換品を安価に入手することができます。商標の問題もありません(Arduinoという名前が付いていない)。5V 16MHz版と3.3V 8MHz版がありますので、今回のように3.3V用のモジュールを使うなら3.3V版を選ぶ必要があります。Arduino開発環境から使えるようにするためには、SparkFunのサイトを参照して、Arduino環境にアドオンを組み込む必要があります。

組み立てですが、ブレッドボードにPro MicroとSi5351Aモジュールを挿して、適宜配線します。I2CのSDA,SCLはD2,D3に接続します。Si5351AはVcc,GNDが複数本あるのでそれぞれ接続します。

さて、Si5351Aを制御するためのソフトウェアですが、Adafruitからライブラリが提供されています。下記のようにしてgithubから取得します。

cd ~/Documents/Arduino/libraries git clone https://github.com/adafruit/Adafruit_Si5351_Library

Arduino環境を立ち上げると、exampleからAdafruit Si5351という項目が選べますので、Arduinoらしくすぐに動作させることができます。

気になる信号純度ですが、スペクトラムを観察してみました。Clk#0の出力を観測したところ、最初に見えたのがこんなスペクトラムで、がっかりしました。たくさんのピークが見えて、なんじゃこりゃという感じです。

実は使ったサンプルが、三つの周波数を出すものでした。Clk#0に112.5MHz, Clk#1に13.55331MHz, Clk#2に10.706kHzの設定になっていました。同時に複数の出力が出ているので、さきほどの結果では、Clk#1の出力が混じってしまっていたようです。そこでコードを修正して、Clk#1,#2を出力オフにして、Clk#0のみを動作させてみました。そうしてみたところ大変綺麗な出力が得られました。

Span 200MHz, RBW 1MHzです。目立つスプリアスも無く、これならなかなか良い感じです。わずかに±12.5MHz(=25MHz/2)と±6.25MHz(=25MHz/4)が見えているくらいです(-65dBc以下)。

近傍はどうでしょうか。

Span 1MHz, RBW 5kHzです。位相ノイズが見えていますが、この形は測定系の位相ノイズです。信号そのものの位相ノイズは悪くても測定系と同程度もしくはそれ以下のようです。

もっと近傍はどうでしょうか。

Span 20kHz, RBW 200Hzです。出力周波数の設定は112.5MHzでしたので、5kHzほど低いです。Strawberry Linuxのモジュールで使われている水晶は最適な負荷容量が8pFと記載されていました。Si5351は水晶の負荷容量を10pF,8pF,6pFから選択して設定することが可能ですが、Adafruitのライブラリでは10pFの設定になっていました。容量が若干多かったので周波数が低くなっているようです。そこで、コードを修正して8pFに変更してみました。

Adafruit_SI5351.cpp

//m_si5351Config.crystalLoad = SI5351_CRYSTAL_LOAD_10PF; m_si5351Config.crystalLoad = SI5351_CRYSTAL_LOAD_8PF;

再度計測してみたところ、-1.3kHzほどになりました。-12ppmなのでいいところでしょう。信号も綺麗です。

さらにもう一段近傍を見てみます。Span 2kHzです。

十分綺麗だと思います。

さて、Si5351Aは、フラクショナルPLLとフラクショナルディバイダで出力を生成することができますが、実は112.5MHzの出力は整数PLL(25MHz x36=900MHz)と整数ディバイダ(1/8)で動作しており、実は条件が甘かったのです。

それでは、フラクショナル動作ではどうでしょうか。今度は13.55331MHzの出力を観察してみます。これは、25MHz x(24 +2/3)=616.666MHz、ディバイダは2/90の動作となります。同様にスペクトラムを観察します。

Span 40MHz,RBW 500kHzです。方形波なので奇数次の3倍が強く出ています。2倍もそれなりにありますが、これはそういうものです。他にスプリアスは見えませんので十分綺麗です。

近傍はどうでしょうか。

Span 1MHz, RBW 20kHzです。これも十分綺麗。

Span 10kHz, RBW 100Hz。文句ございません。

というわけで、無線用途にも十分使えそうです。フラクショナルディバイダは20bitすなわち10^6の精度がありますので、およそHz単位で周波数設定が可能です。

ちなみに波形はこんな感じです。ちょっと跳ねているのはオシロのプローブのせいだと思われます。

Si5351Aは複数の出力を得られますが、実は同じ周波数に設定したり、さらに位相差や反転の設定が可能です。例えばこんな出力を得ることができます。

Adafruitのライブラリは位相差の設定をサポートしていないので、別のEtherkitのライブラリを使用しました。EtherkitもSii5351Aボードを販売していて、ライブラリをやはりgithubで提供しています。同じようにサンプルがありますのですぐに試せます。

位相差の設定は7bitの精度しかなく、設定可能な範囲も限定的です。しかしながら、たとえば90度位相差を生成してのクァドラチャミキサのローカル信号生成に使えるかもしれません。というわけでSi5351Aは安価な割にはいろいろと遊べそうです。

リファレンス

Strawberry LinuxのSi5351Aモジュール900円 http://strawberry-linux.com/catalog/items?code=15351

Adafruitのモジュール http://www.adafruit.com/product/2045

AdafruitのSi5351AのHow-to https://learn.adafruit.com/adafruit-si5351-clock-generator-breakout/wiring-and-test

AdafruitのArduinoライブラリ https://github.com/adafruit/Adafruit_Si5351_Library

データシート https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Si5351-B.pdf

レジスタの設定方法のアプリケーションノート。Manually Generating an Si5351 Register Map https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/AN619.pdf

SparkFun Pro Micro 3.3V 8MHz https://www.sparkfun.com/products/12587

Arduino環境(>=1.6)へのアドオン https://github.com/sparkfun/Arduino_Boards