デジタル受信機の歪み特性

SDR-14などのようなデジタル受信機の場合には、従来のアナログ受信機とは異なるIMD特性を示すという議論が以前からありました。アマチュアの世界ではたとえばSM5BSZ氏がQEXの記事や自身のWebページで早くからその問題を取り上げていました。

今月(12月号)のCQ誌でJA1RPK川名さんがダイレクトRFサンプリング方式の受信機であるSDR-IQのレビューの中で、歪みについて簡単に触れられていて、そこでも「入力を上げても歪みはあまり増えない」という趣旨の記述をされています。

そこで、私もSDR-14のIMD特性を簡単に調べてみました。測定方法は、3次IMDを測定する一般的なやりかたと同様のものです。今回は2信号として、10.14MHzと10.15MHzをコンバイナで合成したものを入力し、10.13MHzに現れるIMDのレベルを測定しました。その結果をグラフで示します。

グラフの横軸は入力レベル、縦軸は出力レベルで各軸の単位はdBmです。
黒いラインは1信号を入力した場合のレスポンスです。SDR-14のデフォルトの設定(アナログゲイン最大、DDCのゲインも最大)で、このとき感度はMDS=-134dBm@500HzBW 程度、飽和レベルは約-30dBmです(MDSはMinimal Discernible Signalの略で、ノイズフロアと同じ電力)。ただし、この設定ではADCより先にDDC(Digital Down Converter AD6620)の方が先にオーバーフローするようです。

赤いラインが観測された3次歪みのレベルです。単純にSDR-14のFFT画面に現れる信号のレベルをプロットしています。2信号の上側と下側では若干値は違いますが、傾向は同じです。今回は下側の10.13MHzの信号のレベルを用いてプロットしました。
私の測定には数dB程度以上の誤差が含まれていると思われます。それでも傾向は良くわかると思いますが。

これを見ると、歪みのレベルがいわゆる3次の法則から大きくずれていることがわかります。かなり低い2信号入力からIMDが見えてきますが、そこから入力と同じくらいの増加分で歪み成分が増えていき、ある程度まで行くと変動しながらもそれほど増加しないという結果になりました。点線はもし、歪みが3次則に従ったとした場合の歪みのレベルの推測値です。

もし、MDSと同じレベルの歪みが観測された時点での2信号の入力レベルと、MDSとの差をダイナミックレンジとすると-90 - (-135) = 45dBとなってしまいます。これが通常のアナログ受信機の3rd IMDダイナミックレンジとされる値で、実際2005年のQST誌のプロダクトレビューでもSDR-14は34dBと悲惨な(?)値になっています。これは実際に使ってみた感覚とは大きく異なります。

また、さらに別の信号をアンテナからの入力と加算することで、デジタル受信機の歪み特性を大きく改善可能なことが知られています。ディザと呼ばれる方法です。今回これについても簡単な実験をしてみましたのでエントリをあらためて報告したいと思います。

なお、今回の実験は特に新しいものではなく、SM5BSZ氏が昨年のQEXに投稿した記事(SM5BSZ, "IMD in Digital Receivers", QEX Nov/Dec 2006.)の簡単な追試になっています(この記事の元になった内容が"Dynamic range observations for the SDR-14 a VHF sampling radio receiver"と思われる)。
また同様の測定結果をG4JNT氏が"SDR-IQ Linearity Tests" として報告しています。

ET2007

先週、水曜から金曜までパシフィコ横浜で組込み機器関連の展示会であるembedded Technology 2007が開催されていました。私は金曜日の午前中に出かけたのですが、その中のCQ出版のブースでミニ講演会が行われてまして、それがお目当ての一つです。というのも、デザインウェーブマガジン7月号で、「付録基板を使ったソフトウェアラジオ」を執筆されたJA2SVZ林さんが、その内容について話をされるということだったからです。林さんが製作されたのは、61.44MHzでRFをダイレクトにサンプリングし、付録FPGA基板でデジタルダウンコンバージョンを行いベースバンドの信号に変換するというものです。今月のCQ誌でレビュー記事があったRFSpaceのSDR-IQなどと同様の構成ということになります。

実際の講演の内容は、もちろん記事の内容を簡潔に説明されたものだったのですが、最初の方で、ソフトウェアラジオの構成の種類や、現在のデバイスを用いた場合の性能限界の推定の話がありました。発表では、CQ誌付録にもなったアナログのミキサ+サウンドカードに比べて、ダイレクトサンプリングの方が少し良い性能が得られるというお話でしたが、それなりに良いサウンドカード(ADC)を使えばもう少し縮まりますし、異なる方式でほとんど同じような性能が得られるというのは面白いなと感じました。

後は、実際に製作された受信機でデジタルデータとして録音されたDRM放送やHFボルメットなどを再生しての受信音の披露などがあって講演は終了しました。終了後、いくつか質問させていただいたり、デジタル受信機の歪み特性の話など興味深い話題について情報交換することができました。できれば、私も実際に作って追試してみたいと思っています(付録基板付きのDWM誌は一応買ってあります)。

オールデジタルトランシーバ ADT-200A

HF帯の電波をダイレクトにサンプリングする受信機としてはすでにRFSpaceのSDR-14/IQ等があるわけですが、送信部もD/AによりダイレクトにHF帯の電波をつくりだすトランシーバADT-200Aが発表(?)されたようです。出荷は来年第一四半期を予定していて、価格は一説には$3500程度とか。

スペックなども上記ページから見ることができますが、それに加えて向こうのハムフェストでのプレゼン資料が掲載されています。内容はドイツ語なので細かいところはわかりませんが、このトランシーバではなんと先のエントリで紹介したpredistortionが実装されており、IMD特性の大きな改善が報告されています(図がありますので資料を見てみてください)。

デジタル・プリディストーションによる歪みの改善

(図は参考文献※2から引用)

一つ前のエントリで送信波の一部を検出するためのカップラの話を書きましたが、なぜそんなことをやっているかというと、送信機の歪み特性を改善するためのデジタルプリディストーション(digital pre-distorion)という技術を試してみたいからです。

送信機の歪みを改善する方法として、アマチュアで通常行われる方法としてはNFBをかける、余裕のあるデバイスを使う、などがありますが業務機や研究の世界では、それ以外にも様々な歪み改善方法が提案、実装されているようです(たとえば 中山ら、「電力増幅器の低歪み・高効率化の手法」※1 参照、論文中のEERによる高効率化の話題なども興味深い)。

その一つにデジタルプリディストーションという技術があり、携帯電話の基地局などでは広く使われている技術だそうです。私自身はPAの歪みの改善についてそれほど深く考えたことはなかったのですが、ローカルのJA1RPK川名さんから「せっかくDSP変調の実験をしているのだからプリディストーション出来ないかな」という話を(確か昨年のはじめ頃だったと思います)聞き、それから原理や実装方法などについて調べているところです。

プリディストーションというのは、その言葉から想像されるとおり、「PAに歪みがあるならば、それと逆方向にあらかじめ歪ませたものをPAに入力することによって歪みをキャンセルする」という技術です。
これを実現するためには、まず送信機の持つ歪みの特性を知る必要があります。リニアアンプというくらいですから、入力と出力のパワーの比が一定であることが理想であり、そこからどれだけ外れるかというのは我々が実際に実感するところなのですが、同時に位相特性も入力されるパワーによって変化します。振幅特性、位相特性の非直線性により歪みが生じ、IMDなどとして見える形になるのです。

DSPで変調している場合には、変調器出力の各サンプルごとの振幅と位相が数値としてわかっています。一方で送信波の一部を取り出して(ここでカップラが必要になる)デジタル処理をすれば、入力したものと受信したもので、どれだけ振幅や位相がずれたかということが検出できます。今度はその情報を元に変調側で、位相や振幅を逆方向に補正して出力してやれば直線性が改善されるはずだというわけです。このようなデジタル処理によるプリディストーションがデジタルプリディストーションと呼ばれるものです(たとえばMekechukら、"Linearizing Power Amplifiers Using Digital Predistortion, EDA Tools and Test Hardware"※2)。

考え方としては比較的単純なのですが、実際に実装するためには変調信号と検出信号のあいだの遅延の補正の必要もあるでしょうし、負荷の状況は常に変化しますから、オンエアしながら適応的に処理する方法も考えなければいけません。

私自身は昨年からやろうと思っていたわりには全然進まず、今回もとりあえずFT-747のPAの振幅特性や位相特性を取ろうと思ってやっと環境を作ろうとはじめたばかりなわけですが、最初のカップラの製作というか送信波のサンプリングの段階でつまづいているわけで、道は遠そうです。そうこうしているうちに....

Simple I/Q Modulator (SIQM)

PCでデジタルSSB変調処理を行い、サウンドカードのステレオ出力からI/Q信号としてSSB波を出力するプログラム、SIQM(Version 0.1)を公開しました。

以前、サウンドカードを使って変復調を行うDSsbPというプログラムを公開しましたが、そのときに幾人かの方から「セラミックフィルタなどを通さず、直接送信周波数に変換したいのでI/Q出力の変調器が欲しい」というご要望をいただきました。

私自身もDSsbPと同時期に、SDR-1000等と組み合わせて使うためにI/Q出力のものを試作して放ったままになっていました。そこで、それを少しだけ手直ししたものを試用していただくことになったのがきっかけです。

ほとんど動作の検証をしていなかったものを、実際に自作のハードウェアと組み合わせて使用してフィードバックをいただいた結果、いくつかバグも取れましたし、フィルタのシャープさを変更できるように改良するなど機能の追加も行えました。
また、Windows版ではASIO対応にしたことで、遅延も数十msec程度とDSsbPのときの半分以下に改善されています。

反面、パラメータの保存、PTTの制御などの機能が実現できていないことや、復調のプログラムとの統合(当初はpsnmodemという名前でしたHi.)がいまだに形になっておらず、公開をためらっていましたが、一旦区切りということで公開することにしました。

DSsbPのときにも書いたかと思いますが、PowerSDRやKGKSDRなどの素晴らしいソフトウェアがある現在、実際に使用するという観点から考えると公開する意味があるのかどうかわかりませんが、変調処理の基本的な部分は、こんなシンプルなものでも実現できるということを感じていただけたらと思っております。

なお、今回のプログラムは変調処理だけですので、ノートPCのようにMIC入力とヘッドフォン出力(ステレオ)しかないものでも動作するはずです。

最初にメールをいただいた石田さんをはじめ、様々なフィードバックをいただいた方々に感謝します。

ご質問等ありましたらここのコメント欄か、メール(コールサイン@arrl.net)にてご連絡ください。出来る範囲で対応させていただきます。

FLEX-5000

SDR-1000で知られるFlexRadio社から、新しいソフトウェアラジオ(トランシーバ)のラインナップ、FLEX-5000が発表されました。すでにQSTには広告が出ているとか。

基本的な考え方はSDR-1000と同じなのですが、従来PC側にあったサウンドカード(A/D,D/Aコンバータ)がFLEX-5000の方に組込みになっているところが一番大きな変更点のようです。FAQによれば、$1000くらいのプロ用オーディオカードに匹敵するものが組み込まれているとのことです。実際のハードウェアがどういうものかはまだわからないのですが、組込みにすることによって、アナログの部分とA/D, D/Aコンバータとの接続が最適化できるでしょうし、サポート面からも、今までユーザそれぞれのサウンドカードとの接続によって起こっていた個々の問題から解放されるというメリットもあるように思います。サウンドカードが組み込まれたことにより、PCとの接続はFireWire(IEEE1394)のみと、すっきりしたものになりました。この接続を介してデジタル化された信号と、制御用の信号がやりとりされます。

また、その他の面でも、160m～6mまで100W出力の送信部、完全なサブ受信機(オプション)によるSO2R対応等々の機能面の他、アナログ部分の設計についても見直し、性能向上を実現しているとのことです。詳しくは上記FAQページを参照してください。

FLEX-5000シリーズには、一番基本的なFLEX-5000Aに加えてFLEX-5000C,Dというモデルも用意されています。CモデルではサウンドカードだけでなくCPU(Intel Core2 Duo)を搭載し、XPが動くそうです。恐らくその上でPowerSDRが走り、ディスプレイ出力が装備されるものと思われます。ただ、A/DコンバータとCPUのインタフェースが、外付けPCの場合と違うのか、などは明らかではありません。Dタイプでは9インチのLCDタッチスクリーンとチューニングダイヤルが付属します。Dタイプは将来的には300Wモデルも出るようです。なお、Aタイプから他のモデルへのアップグレードは不可能です。
お値段は5000Aが$2499、5000Cが$4499となっています。注文はすでに受け付けていますが、出荷は2007年6月末頃からの見込みです。

今後SDR-1000はどうなるかというのも気になりますが、販売は現在の在庫限りです。しかし、サポートは当分の間続けられるということです。また、ソフトウェアは今後もPoweSDR一本で、FLEX-5000とSDR-1000の両者をサポートするそうで、ソフトウェアでの改善はどちらのユーザもその恩恵を受けることができます。これがSDRのいいところですね。その中でも、DDSのスプリアス除去の新しいアルゴリズムが実装されることがすでに明らかにされていて、これは私のようなSDR-1000ユーザにとって朗報であり、その方法と効果に非常に興味があります。

FLEX-5000について興味のある方は、FlexRadio社のWebサイトで随時情報が出てくるそうですので、ときどきチェックされてみてはいかがでしょうか。

Voice Shaper

昨年後半からTonyさん達により、SoftRockの送信部のハードウェアの開発が進められてきました。ベータ版を試作したコミュニティの協力の下で設計を詰めていった結果、今年になっていよいよSoftRock RXTX v6.1として本格的にキットの配布が始まりました。キットの詳しい情報についてはYahoo!のSoftRock40 groupを参照してください。
(追記:JAでは特にJA9MAT小町さんが、スタックバージョンの頃から試作し、情報をMLにポストされていました。写真等を小町さんのページで見ることができます)

それに応じて、PowerSDRやKGKSDRなどにSoftRock TX用の送信機能の追加されたバージョンが出始めています。そのような中、VE3NEA, Alexさんからも、彼のSDRソフトウェアRockyの送信機能の開発を進めているという書き込みがありました。その機能の一部として、スピーチプロセッサを組み込むそうなのですが、今回その部分だけを先にVoice Shaperという名前でテストリリースしたということです。これはマイクのAF信号の処理のみなので、一般のトランシーバと組み合わせてソフトウェア処理のスピーチプロセッサとして使うことができます。

詳細な機能や使い方は、作者のWebページを参照していただくとして、ここでは概略と実際に使用した感想を書きます。主な機能としては、7バンドのイコライザ、クリッパ、コンプレッサ、ノイズゲートなのですが、GUI上で波形やレベルのヒストグラムを見ながら、各パラメータを操作することが出来ます。

基本的な使い方としては、まずマイクの信号を適当なレベルに合わせてから、5秒間マイクに向かって自分のコールサイン等をしゃべり、それを録音します。次にそれをリピート再生しながら、画面上でパラメータを操作し、目的の音を作っていきます。実際には、画面左側の項目、0～4に従って進んで行くことになります。

パラメータの操作画面は、イコライザの画面(このエントリのトップの画像)と、その他のクリッパ等の二つの画面があります。イコライザの画面では、ブルーの点を上下することで、各帯域のレベルを動かすことができます。また、右下にあるcheckboxでノイズやQRMを付加することができて、そのノイズがある中での了解度がどうなのかを確かめることができます。

クリッパ、コンプレッサ、ノイズゲートの操作画面では左側のグラフの中の右上にある緑の点(小さい丸)を左右に動かすことでクリッピング開始のレベルを、左下の黄色の点を上下することでコンプレッションの度合いを、同じ黄色の点を左右に動かすことでノイズゲートのスレッショルドを調整することができます。ここでは、入力の音声信号のレベルのヒストグラムが縦の棒グラフで示されていて、出力のヒストグラムが右側のブルーの横向きの棒グラフになっています。
面白いのは、この黄色と緑の点を動かすことによって形が変わる緑の太い折れ線が、入力レベルと出力レベルの対応関係になっていることです(当たり前と言えばそうなのですが...)。何もしなければちょうど対角線に引いてある破線のようにリニアな関係になっていたものを、点を操作することによってどのように変わるかが、この緑の折れ線グラフとヒストグラム、そして実際のモニター音を聞くことによってかなり直感的にわかるように思います。

問題点(?)と思うところがいくつかありました。

1. サウンドカードによって動作しないものがある。
私のE-MU 0202USBと、ローカル局の同じくE-MUのPCIのカードでは、動作が確認できていません。M-AUDIOのDELTA44では問題なく動いています。

2. パラメータ調整用に録音した5秒の音声を再生したときの音声出力レベルが、実際にリアルタイム処理を行ったときの出力レベルに比べてかなり小さい。
(訂正:単にplaybackのvolumeを絞っていただけでした。失礼しました)

3. リアルタイム処理に遅延が若干ある。
サウンドカードとPCを使った処理では仕方ないことですが、今まで良く使われているSDRのソフトなどに比べると遅延は短くて、パラメータを調整する時には問題ない範囲です。ただ、実際のQSOでモニターしながら喋り続けるのはちょっと辛いかなと思います。

私は今まで、ハードウェアのものにしろ、ソフトウェアのものにしろ、こういった処理をするものをいじったことがないので効果の比較等はできませんが、このソフトウェアは先に書いたように、パラメータ調整が直感的でわかりやすいと感じました。

遅ればせながら、今年初のエントリになりました。今年もあまり更新頻度は高くないと思いますが、よろしくお願いします。

SDR-IQ from RFSpace

JH3YKV's Amateur Radio Newsでも紹介されたように、SDR-14を販売中のRFSpace社から新しいソフトウェア受信機SDR-IQの計画が発表されました。予定価格は$449(ケース無し)とSDR-14に比べてかなり安く、サイズも10cm x 10cm程度とコンパクトです。
中身としてどういう風にSDR-14と違うのかいま一つわからなかったのですが、ブロックダイアグラムやSDR-14のMLでのポストを見ていて少しわかってきたことをメモしておきます。

まず、67MspsでRFを直接サンプリングして、続いてAD6620よるデジタルダウンコンバージョンによりベースバンドのデータ列(I/Q)に変換してUSBでPCに送り、PC側でスペアナ、復調処理を行うという、基本的な方式は同じです。

SDR-14との相違点は

1. 190kHzまでのバンド幅しかスペクトラム表示が出来ない
2. ハーモニックサンプリング等用のダイレクト入力端子が無い
3. A/DコンバータがAD6644からAD9245に変更
4. アナログのアンプがGALI-51x2? からAD8370に変更
5. 30MHzのLPFに加えて5MHz,15MHzのHPF/LPFが受信周波数に応じて切り替えられて入る
6. スペック上の最低受信周波数が100kHzから100Hzに下がった

あたりでしょうか。
1.の190kHzまでしか表示できなくなったのは、FIFOのバッファが省略されたためです。元々SDR-14はUSB1.1だったので、190kHz程度までの幅のデータしかPCに送ることができません。その上で、30MHzまでのスペクトラム表示をするために、FIFOのバッファを設けて速いサンプリングスピードのデータも一旦そこに溜めてからPCに送ることで対応していました。もちろんFIFOバッファを利用するときは全部のデータが送られるわけではありませんから、その場合には復調処理はできません(SDR-14のブロック図参照)。
SDR-IQではそのバッファが無くなったので、スペクトラム表示においても190kHz幅までとなってしまったわけです。しかし、今回USBは2.0だと謳っているので転送能力自体はSDR-14のときより上げられるはずなのに、なぜか190kHzBWまでとなっています。これについてMLで、放送バンドのDXを目的としている人から、もっと広い範囲、たとえば中波バンド全部とかを(リアルタイムに復調できなくても)データとしてPCのHDDに記録できるようにして欲しいというリクエストが出ているので、もしかすると変更される可能性はあるかも知れません。

3,4については消費電力を抑え、USBのバスパワーで動作可能なようにするためだそうです。そのためにSDR-14よりは若干性能が落ちるが、それでも十分な性能を確保しているとのことです。また、アンプのデバイスを変更したことで、SDR-14ではADCとの結合に必要だったトランスが不要になったことで6.のように最低受信可能周波数が下がったようです。

5.のHPF/LPFの組み合わせは、どうしてこういう周波数で区切るのか私には良くわかりません。ラジオとして考えると普通のオクターブかサブオクターブのBPF構成の方が良いように思いますが、そういうものでも無いのかコストダウンのためなのか。

いづれにしてもかなり安い価格でRF直接サンプリング方式の受信機が入手できるようになるわけで、最終的にどういう風な形で出てくるか楽しみです。

soft66DB到着

先週末にJA7TDOさんからSoft66の新しい"DB"バージョンが届きました。早く評価してみたかったので、今回は一つを完成品で、もう一つをキットで購入しました。
写真で見る通り、バンドパスフィルタが追加されていることとDIPタイプを採用していることもあってか、一回り大きなサイズになっています。
前回と同様のセットアップで測定してみたところ、感度は確かに良くなっていました! 以前のsoft66では、ノイズフロアは-103dBmあたりだったのが、今回のDBバージョンは約-114dBmとなりました。BPFの効果も出ています。ある程度まともなアンテナを接続してバンドをワッチする分には十分な感度だと思います。また、同じレベルの信号をSGから入力した場合、出力が十数dB程度高くなっています。ミキサのデバイス以外は基本的な回路に変更は無いようなので、やはりスイッチのON抵抗の影響かなと思われます。ただ、ベースバンドの出力をFFT機能を持った各種ソフトで見ていると、2次の高調波が出現し始めるレベルもやはり低くなっているので、そういう意味でのダイナミックレンジは大きく変わらないかも知れません。
さて、もう一つのキットの方ですが、こちらは少しずつ組み立てたり回路を自分なりに変更したりしながらさらに性能を向上させることができないか試してみたいと思っています。受信周波数は3.5MHzでやるつもりです。いつか面白い報告が出来ると良いのですが。

追記: ノイズフロアはいずれも500Hz帯域での値です。

soft66とBPF

出来上がってSGを接続し、PowerSDR等を用いて動作チェックしているときに、目的信号とともに、スプリアスのようなものが並んで見えたのが気になっていました。受信帯域の中心周波数から見て高調波のように並んでいるので、最初はオーディオ段の歪かとも思ったのですが、よく考えてみると私が組み立てたsoft66はバンドパスフィルタの無いバージョンなので、ジェネレータの高調波を拾っているのではないかと思い当たりました。きのうはそれでおしまいだったのですが、さきほどバンドパスフィルタを入れてテストし直してみると、ビンゴ!です。写真の上側がBPFをスルーにした場合、下側がBPFをONにした場合のスペクトラムです。中央の山は残りますがきれいなスペクトラムになっています。
それでは逆に元々の目的周波数の3倍にあたる21MHz帯のBPFを入れて、21.2MHzの信号を放り込んでみるとどうなるか試しにやってみました。7MHzの場合と比べて出力レベルが10dB弱落ちるようですが、使えないことはなさそうです。
なお、7MHzにおけるノイズフロアは500Hz帯域で-103dBm程度となりました。長いあいだ校正していないSGの表示に基づく値なので絶対値はあまり意味がありませんが、softrock40と比べて10dB強、感度が低いという結果になっています。ミキサの構成やデバイスが違うのでそんなものなのかも知れません。この辺は自分で色々と回路を組んで調べられる力があれば良いのですが...