ＡＰＢ−１を使ったラジオ受信機(Software Defined Radio)
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■ＡＰＢ−１ ラジオ受信機開発過程
2009/11/29
ＡＰＢ−１汎用実験基板プロジェクトも大分落ち着いてきましたので、基板の応用としてラジオ受信機を作り始めました。
スタンドアローンでも、ＰＣ操作でもどちらでも使えるものを目指します。
ここに書きましたように、まずプリアンプ基板を作ります。 周波数可変バンドパスフィルターを４組、ゲイン可変プリアンプ（ＡＤ８３３１）をユニバーサル基板に組んだものができました。
ただ、今回作ったものではＡＰＢ−１を測定器としても使いたい場合に具合が悪いので、基板化するときは形状を変更する予定です。
■ユニバーサル基板で試作
バンドパスフィルターは２ポールタイプで、０．５〜２ＭＨｚ、２〜８ＭＨｚ、８〜１６ＭＨｚ、１６〜３２ＭＨｚの４バンドに分けています。 ０．５〜２ＭＨｚは普通のインダクタを使用し、それ以上の周波数はトロイダルコア（Ｔ３７−６）に巻きました。 Ｑは２０程度を狙っています。
バンドパスフィルターの中心周波数は８ビットＤＡコンバーターでチューニング電圧を１〜１２Ｖぐらいまで可変して動かしています。 １２Ｖはスイッチドキャパシタ電圧コンバーターで５Ｖを３倍圧して作っています。
バンドパスフィルターを通った信号はＡＤ８３３１で最大４３ｄＢ増幅します。 ＡＤ８３３１は１２０ＭＨｚの帯域がありますのでＦＭ受信機にも使えそうですが、ＡＰＢ−１のクロックを８０ＭＨｚから７０ＭＨｚ前後に変えないといけません。 ６６．６ＭＨｚの発振器が手元にありますので時間があったら挑戦することにしましょう。
■ＢＰＦの特性
まだ完全には調整しきれていませんのでリップルがあったりしますが、大体こんな特性になりました。
バンドパスフィルタースルー時を０ｄＢ基準にしています。 ０ｄＢより上がっているのはＡＤ８３３１の入力インピーダンスを２００Ωに設定してあるため昇圧ゲインがあるからです。 ＡＤ８３３１は２００Ωぐらいで使うと特性が良いようですし、昇圧ゲインもあって一石二鳥です。
帯域外で持ち上がったり、ディップしたり、特性があばれていますが、基板化すればもう少しよくなると思います。 シールドも全然していないですし。
2010/01/17
昨年発注していた基板（年末年始をはさんだせいか1ヶ月かかりました）が届き、性能確認を行なっているところです。
前の試作基板から PIN ダイオードを CMOS アナログスイッチに変え、チューニング設定を２つから４つ（１つはアンテナ用）に増やしました。
■デバッグ中
基板形状は APB-1 と同じで、今回の基板と APB-1 を上の写真のようにスタックして使えるようになっています。
ラジオとして使うときはプリアンプ出力と APB-1 の信号入力を BNC ケーブルで接続します。 BNC ケーブルをはずせば APB-1 をいままでと同様に測定器として使うことができます。
2010/02/05
基板のデバッグと平行してＣ＃のテストアプリとＦＰＧＡのプログラムを作っていました。
このテストソフトは、ＡＰＢ−１基板単体でも使えます。 今までより性能のよい受信機になります。
■テストソフト画面
受信状況によりＦＩＲフィルターとＩＩＲフィルターは係数を変更することができます。
フィルター係数サンプルファイルが解凍したフォルダーに入っていますのでいろいろと試して見ると面白いです。
ＦＩＲフィルター係数ファイルはサンプリング周波数１５６．２５ｋＨｚ、２５５タップのもので最後に０を足した２５６係数ｘ２つ分の５１２個の係数でできています。
ＩＩＲフィルターはＢｉＱｕａｄ１５個が縦続接続されたもの＋ゲインブロックになっています。 フィルターの設計は、
Cookbook formulae for audio EQ biquad filter coefficientsを参考にしてください。
■ＦＰＧＡ内部ブロックダイアグラム
ＦＰＧＡには上記ブロックダイアグラムのものを実装しました。 受信機としては基本的なものだけです。
ＡＤＣに入力してから周波数変換、ＣＩＣまではいままでとほぼ同じです。 いままでのＡＰＢ−１ではＣＩＣ出力をそのままＡＭ復調していましたが、今回はＦＩＲフィルターを追加しています。 これによって帯域外からの折り返しノイズが除去されＳ／Ｎがよくなります。
その後ゲインブロックを通ったあと、ＡＭ復調、ＳＳＢ復調し、ＩＩＲフィルターで音声帯域制限します。
ＳＳＢ復調は２５５タップのヒルベルト変換器を使っています。
■閑話休題
2010/03/09
スタンドアローン動作させるソフトをつくっていましたが、ようやくある程度動くようになりました。
いままでのアプリに実装されていた復調器ではＰＣ側のソフトがすべてのコントロールをしていましたが、スタンドアローン版ではＡＲＭ（ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｓ３２１）がコントロールするようになります。 そのため、ＡＲＭに簡易ＯＳをのせました。 この簡易ＯＳは前にＡＶＲ用に作ったもの（そのまた前はＨ８用につくったＩＴＲＯＮですが．．．）を移植したものでノンプリエンプティブなものですが、そのかわり必要メモリー量が少なくハード依存性が少ない（ほとんどＣ言語で書ける）という特徴があります。
スタンドアローン動作させるには周辺回路（スイッチ、ロータリーエンコーダー、ＬＣＤ）が必要ですが、なくてもＰＣ側から操作できるようになっています。
テストソフトその２ 20100309 (ZIP 135KB) ←古いです。 20110305版をお使いください。
ＡＲＭのフラッシュの変更、およびデータフラッシュ上にファイルコピーが必要です。 以下の手順で書き込んでください。
■ＡＲＭのフラッシュの変更
- ＡＰＢ−１基板上の FLASH のところにショートピンを挿す。
- ＵＳＢケーブルを挿す。
- APB-1_RADIO.exe を実行し、「デバッグ」メニューから「AT91SAMフラッシュ書き込み」を実行し、ZIP を解凍したフォルダーに入っている radio_main.bin を選択して書き込む。
- ＵＳＢケーブルを抜き、基板のショートピンをはずす。
- APB-1_RADIO.exe を一度終了する。
■データフラッシュにファイルをコピー
- APB-1_RADIO.exe を実行し、「デバッグ」メニューから「DataFLash読み書き」を実行する。
- 一番上のボタン「Read FileSystem」を押し、ファイルがないことを確認する
- コンフィグデータ：「Write ConfigData」を押し、「apb-1_radio.bit」を選択し書き込む。
- FIR係数データ：「Write FIR data」を押し、「fircoef.txt」を選択し書き込む。
- IIR係数データ：「Write IIR data」を押し、「iircoef.txt」を選択し書き込む。
- 「Read FileSystem」を押し、ファイルが３つ（FPGAコンフィグ、FIR係数データ、IIR係数データ）ができていることを確認する
上記手順は一回実行すればＯＫです。
■ファイルシステム画面
この画面では何回も書き直しているので消去された部分がたくさん見えますが、有効なデータは３つだけです。
新たなデータを書き込むと古いデータは ID 部分だけを消去します（ＨＤＤ上のファイル消去と同じやり方ですね）。
■テストソフトその２画面
まだ、メモリー関係（page#、Memory#、Read、Write）、NC（ノイズキャンセラー）は未実装です。
いじってみれば使い方はわかると思いますのでいろいろ変更して試して見てください。
ＡＧＣは 10ms ごとにレベル検出していますのでいままでのものに比べ滑らかになったと思います。
■スタンドアローン試作機
動作に不都合がないか、基板はちゃんと収まるか、などの確認のためプラ板でフロントパネルを作って見ました。 高さ８ｃｍ、幅１９ｃｍです。
木の棒でタクトスイッチを押しています。 ロータリーエンコーダーは秋月で売っている２４クリックのものです。
フロントパネル右側の４個＋１個のスイッチでメニューを選び、ロータリーエンコーダーで項目を選択します。
ＰＣ側アプリからコントロールするときはこれら設定を直接設定しています。
■ＡＰＢ−１基板とスイッチ基板、ＬＣＤを接続するためのケーブル
ＰＣのＩＤＥケーブルを１６ピン、１６ピン、１０ピンに切断したものです。
端っこの１６ピンをＡＰＢ−１、ＣＮ１１に接続、真ん中の１６ピンを上の回路図のＣＮ２に接続、端っこの１０ピンをＬＣＤに接続します。
ＬＣＤとは４ビットモードで接続しますのでコネクターの ＤＡ０−３ が ＬＣＤの Ｄ４−７ につながるようにします。
また、ＡＰＢ−１基板のＲ５０をショートし、ＲＶ１に１０ｋをマウントしてください。
■スタンドアローンで必要な回路
大きな回路図（ｐｄｆ）はこちらです。
右下のコネクターとそれにつながるスイッチが必要です。
右上の電源制御回路はまだ構想段階です。
左下のオーディオ部分はまだ不要です。 替わりにＰＣ用のスピーカーを使ってください。
2010/03/23
ＰＲＥ−１基板のキット頒布を開始します。
ＰＲＥ−１基板を使わなくてもラジオとして動作させることができますが、ＡＤＣが１２ビットでＮＦが３０〜４０ｄＢと悪いのでプリアンプのキット（ＰＲＥ−１）をつくりました。 プリアンプをつけることによりゲインが４０ｄＢのときＮＦを６ｄＢ程度に改善することができます。
2010/04/15
ある程度バグも取れ、機能もノイズキャンセラーを除き実装しました。
ノイズキャンセラーは、SSM2000 のように信号レベルやスペクトラムに応じてＬＰＦの特性を変化させるものを考えていましたが、帯域幅が狭い場合にはあまり効果が見込めず、ＡＭの場合はビートノイズが多いので適応型フィルターはどうかななどと考えています。
前のバージョンから変わったのは、大きくは、
１．メモリー読み出し、書き込み
２．周波数微調整
です。
メモリーは、最大１０ページｘ１００で計１０００局入ります。
まず最初にＰＣ上のコントロールソフトから、「DataFlash読み書き」を選び、「Write RadioMem」ボタンから「ラジオ局メモリー設定リスト.txt」を選んで書いておく必要があります（最初に１回やればOKです）。 書く前にエディタで自分の好みの局のリストになるように修正しておくとよいでしょう。
その後 SW5(MEM) を押すとメモリー読み出しモードに入ります。 この状態で SW1(P) を押すとページ選択、SW2(M) を押すとメモリー番号選択になります。 もう一度 SW5(ENTER) を押すと通常モードに戻ります。
通常状態で SW5(MEM) を長押し（１秒以上）するとメモリー書き込みモードに入ります。 この状態で SW1(P) でページ選択、SW2(M) でメモリー番号選択、SW3(Nm) で局名入力モードになります。 SW4(Wrt) を押して Wrt の前に三角マークをつけた状態で SW5(ENTER) を押すと書き込まれます。
また逆に記録しているメモリーデータを「Read RadioMem」ボタンでファイルに落とすことができます。 ファイルに落としてから適当なエディターで修正し書き戻すことができます。 特にページ名は本体側で書き込むことができないのでＰＣ上で用意して上記手順で書き込む必要があります。
周波数微調整機能は、SW4(MISC) を押したあと SW2(FAj) を押します。 数値ｘ0.1ppm 分、受信周波数が変化します。
調整は、AM 放送を CW モードで受信して行ないます。 すると AM 放送のキャリアが 700Hz になりますので 700Hz からのずれがなくなるように数値を変化させればその放送局と同じ精度に調整することができます。 1MHzぐらい（AM放送）では 0.1ppm は 0.1Hz に相当しますので、調整値を１変化させるとだいたい 0.1Hz 受信周波数が変化します。
私のところで受信できる放送局を調べたところ、NHK1(594kHz)、NHK2（693kHz)、TBS(954kHz)、文化放送(1134kHz)、ラジオ日経1(3925kHz)、ラジオ日経2(6055kHz)、などが精度が高そうです。 東京近郊の方でしたら電通大の JG2XA がドップラー観測用に出している 5006kHz, 8006kHz が使えます。 また中国が標準電波(5MHz,10MHz)を出していますのでこちらを使っても良いのですが、内部からのかぶりが同じ周波数にあるのでまず AM 放送局で調整したあと標準電波で最後の微調整を行なうというのがよさそうです。
ちなみに私のところでは-6.8ppm（調整値-68）になりました。
700Hz への調整は WaveSpectra を使いました。
サンプルデータ数を多くし、サンプリング周波数を下げてなるべく周波数分解能を上げます。
（注）電源 OFF 時に内部設定を記憶させることを考えていますが、内部設定を保存するソフト及び電源制御回路をまだ作っていませんので今は電源を切るとこの設定は消えてしまいます。 正確な受信周波数が必要な方は調整値を覚えておいて電源ONしたあとに再設定してください。
■アルミでケースをつくりました
フロントパネルとリアパネル、スピーカーの取り付け板は８０ｍｍ幅のコの字アルミです。 底板や天板は１ｍｍ厚アルミを折り曲げてつくりました。
フロントパネルには３ｍｍ厚のアクリル板を間に挟みフロントパネルにネジが出ないようにしました。 操作ＳＷは６ｍｍアクリル棒で作り、タクトＳＷにＬＥＤを埋め込んで自照式にしてあります。
ＰＲＥ−１基板はＡＰＢ−１基板の下のアルミシールドの中に入っています。
2011/03/05
いくつかバグが見つかりました。 AT91SAM のフラッシュの書き換えを行なってください。
ＡＰＢ−１＿ＲＡＤＩＯ 実行ファイル一式 20110305 (ZIP 152KB)
変更点は以下のとおりです。
- PC 側コントロールソフト(C#) で DataFlash に書き込むとき DataFlash のビジーフラグチェックをしていませんでした。 そのため使う PC によっては DataFlash に正常に書き込みできませんでした（256 バイトおきに書き込めないなど）。
- AT91SAM のラジオ制御タスクがラジオ以外（測定器として使うときなど）にも動作しているためオーディオ DA 出力がでませんでした。 FPGA のコンフィグ状態を監視し、ラジオ以外ではラジオ制御タスクを止めるようにしました。
- ラジオの設定を変えたときにブチという雑音がでていました。 設定や周波数変更時のミューティング方法を変更しました。
2011/10/14
IIR HPF にリミットサイクルがおきていました。 特にカットオフが 100Hz のときに顕著で、低い周波数のノイズがのっています。
以下の IIR 係数ファイルをダウンロード、解凍し、APB-1_radio の デバッグ → DataFlash読み書き から Write IIR data ボタンを押して係数ファイルを書きかえてください。
IIR 係数ファイル 20111013 (ZIP 5KB)
変更点
- HPF を２次から１次に変更しました。 係数ファイルを比べてみると良く分かりますが、２次のときに比べ係数の構成が単純です。 １個の係数でカットオフ周波数を決定しますので係数感度が低くリミットサイクルがおきにくいです。
- LOWSHELFフィルター ( オーディオトーン設定での低域調整に使用 ) もリミットサイクルをおこしていたので１次のものに変更しました。 １次の IIR フィルターの設計は、Seven Woods Audio Inc の 「AN-11 First Order Digital Filters--An Audio Cookbook」 を参考にしました。 (2011/10/15 追記)
2011/11/02
Windows7 の cdc ドライバー対応版をつくりました。
XP では Windows の usbser.sys のバグ？のため一部動作しないので Windows7 専用です。
2012/02/15
別の USB シリアル変換をつないでいると COM 番号がずれてしまい正常にオープンできなくなるというバグがあることがわかりました。
実行ファイル以外は以前のものをそのまま使います。
