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第1級陸上無線技術士、第1種伝送交換主任技術者、第1種アナログ工事担任のTOITAが航空無線を目指す、皆様のお手伝いをします。



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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第5章FM送受信機 (4)FMの復調

         第5章FM送受信機
        (4)FM変調波の復調 

前回までに FM 変調とは、どの様な変調方式なのかと
言うお話を致しました。
また、無線工学の第4章では、DSB の検波方法をお話
しいたしましたが、それでは、FM変調波は、どの様に
検波(復調)すれば良いかと言うお話をFM受信機の構成
に先立ってお話しをする事と致します。


振幅変調やSSBの変調波から元の音声信号を取り出す
回路を
検波器と言いますが、 FM の場合だけは、変調
波から元の音声信号を取り出す回路を 周波数弁別器
言いますので覚えておいて下さい。 



それでは、周波数弁別器のお話をする前にチョット だ
けFM変調について復習をしておきましょう。

1.FM変調の復習
  送信側では、皆様の喋る声や音の大きさの変化が、
  電子回路で電圧の大きさの変化となります。
  電圧の大きさの変化は、 搬送波の周波数の変化と
  なります。

  音声の変化電圧の変化搬送波の周波数の変化
                   

  
受信側では、以下の様になれば良い訳です。

  搬送波の周波数の変化電圧の変化音声の変化
                                                 

  
問題は、周波数の変化をどの様に電圧の変化にす
  るかです。

2.周波数弁別器の下準備
    
             図-1

 図-1の上の回路図をご覧下さい。右側のコイルとコン
 デンサーが並列に繋がれいる回路を並列共振回路 (直
 列に繋がれている場合は、直列共振回路と言います。
 )です。
 回路図の左側に交流の電源が有ります。
 
 電源の周波数が変わる
とします。 すると 共振回路の
 インピ
ーダンス 
(交流に対して電気を通しにくくする
 働きで、この中には、抵抗も含まれます。)は、 共振
 回路の共振周波数{地震の周波数(周期)とビルの共振
 周波数が合うと大きく揺れますが共振回路にも当然、
 共振周波数があります。}で 最大(直列共振回路では
 、インピーダンスが最小
になります。)
になります。


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  納得できるまで、何度でも質問して下さい
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  出題数の多い項目から勉強しますので、勉強が進む
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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第5章FM送受信機 (3)PLLによる直接変調

            第5章FM送受信機
       (3)PLLによる直接変調


これまで、FM変調とは、 どの様な変調方式か?と言う
お話と今回のテーマである PLLとは、 どの様なもので、
どの様な原理かと言うお話をして参りました。


これらの知識を元に PLLでどの様に FM変調を行うかと
言うお話を致します。
その前に、FM変調を行う方法が2つありますので  その
事からお話をいたしましょう。

1.FM変調の2つの方式
  FM変調の方法には、”直接変調” と ”間接変調” が有
  ります。
  FM変調は、発振器で発振する高周波の周波数を音声
    信号の大きさに比例して変化させるのですが、 発振
    回路の基本は、コイル:Lとコンデンサー:Cの組合
    せにより起る電気振動です。振動数は、L と C の値
    により決まります。


  と言う事は、 (音声信号の大きさ)∝ (コンデンサー
    の容量) となれば良いのです。
  その為には、バリキャップ(varicap diode,variable
    capacitance diode):可変容量ダイオードと呼ばれ
    る、 ダイオードを使用します。
  このダイオードは、逆バイアスで電圧の大きさを 変
  える事により空乏層の厚さが変わります。
  コンデンサーの原理は、2 枚の金属板で絶縁物を 挟
    んだ物です。
  コンデンサーの容量  (どの程度の電気: 電荷を蓄え
    られるか)は、 金属の面積に比例して、 絶縁物の 厚
    さに反比例します。
  コンデンサーは、絶縁物を 2 枚の金属板で挟んだも
    のですので電気を通しません。 ダイオードに逆バイ
    アスを掛けますと、電気が流れません。 正に、空乏
    層は、絶縁物の役目をします。
  この事については、  第2章半導体・電子管・電子回
    路で 復習しておいて下さい。
  空乏層の厚さは、逆バイアス電圧に比例しますので、
    容量は、逆バイアス電圧に反比例します。

  発振回路のコンデンサーに並列に バリキャップを接
    続して、 その両端に音声信号を加える事により容量
    が変わりますので発振周波数を変える事が出来ます。
  つまり、FM変調です。
  この様に 音声信号で直接発振周波数を変える方法を
  直接変調と言います。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第5章FM送受信機 (2)PLLって何?

             第5章FM送受信機
            (2)PLLとは?

PLL直接変調に先立ちまして、PLL とは、何かと言うお
話を致します。
今回お話をします PLL は、 平成24年8月期から出題さ
れる様になりました。  本来、半導体・電子管・電子回
路の章で扱うのですが、  半導体・電子管・電子回路と
しての出題は、なさそうなので、割愛しましたが、 FM 
送受信機として必要になりましたので、お話をする事と
致しました。

電波は、高周波(周波数の高い交流)をアンテナへ繋ぐ
事で輻射出来ます。
高周波は、発振器で作られます。
発振器とは、振動を発すると言う意味です。



日本語では、エンジンの事を発動機と言います。これは
、動きを発すると言う事から来ています。

発振器には、コンデンサー(C)とコイル(L)または、抵抗
を使用してコンデンサーへ電気を蓄えたり、放電させる
と言う繰り返しを起こさせる事で発振する方法と、水晶
振動子を振動させて高周波を得る方法があります。
コンデンサーとコイル、又は、抵抗の組合せを使って振
動を得る方法は、  振動数が周囲の温度や これらの部品
を揺らす事による 物理的振動等で 発振周波数が 変動し
易い短所があります。
長所としては、可変式のコンデンサーを使う等で発振周
波数を簡単に変えられる事が挙げられます。

一方、水晶振動子を使用した発振器の場合は、周波数が
極めて安定していると言う長所があります。
無線局の周波数が 1つに決まっている場合は、これで良
いのですが航空無線の様にチャンネル数が多い場合は、
チャンネル数分だけ水晶振動子を用意して切り替えなけ
ればなりません。
水晶振動子は、高価ですので経済的でありません。

そこで周波数が安定していて、なおかつ、様々な周波数
を発振する事を目的に考えられたのが今回お話をします
PLLです。

PLLとは、Phase Locked Loopの事で試験では、”位相
同期ループ”と呼ばれています。

[PLLの原理]

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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第5章FM送受信機 (1)FMって何?

         第5章 FM送受信機
         (1)FM変調とは? 

航空業界を目指す皆様が使用される事になる電波の変
調方式は、振幅変調、SSB、そしてFM 変調です。空
中線や航法支援装置の知識は、不可欠ですが、それと
並んで通信をする為の変調方式を知る事が重要になり
ます。
以上の変調方式を3つ合わせますと 毎回の試験で航法
支援装置と同じくらいの数の問題が出題されています

各無線従事者試験では  その資格毎に必要な事柄が一
番出題されると言う事を折に触れてお話しています。

と言う訳で今回から FMの送受信機についてのお話で
す。
FMとは、FM変調の事でFM放送や2011年の7月迄放
送されていました 地上波のTVの音声やアナログ衛
星放送の映像と音声の変調に使われていました。
TVの放送には使われなくなりましたがラジオのFM
放送や通信には、今でも使用されています。
一般的にはステージ上の歌手やTVのスタジオで喋っ
ているタレントさんとかが 胸に付けているマイクと
して目にされています。
あのマイクはワイヤレス(無線の意味)・マイクでFM
変調方式の送信機の一種です。

また、 航空業界を目指す方には、空港内で、航空会
社の人が忙しそうに 歩き周りながら使用しているト
ランシーバーがFM変調である事をお伝えしておきま
す。
また、皆様があまり目にしない所では、 地上の移動
局(タクシー無線等)の通信に使用されている変調方
式もFM 変調です。(※ タクシー無線も デジタル変
調へ移行中です。)

それでは、FM変調とは、どの様な変調かを見ていき
ましょう。


FMの変調波形
無線通信には、電波が使用されますが、電波は、伝
わる空間の媒質が変わらなければ永遠に飛び続けま
す。
少し、驚きですね。
その証拠に電波の一種である光は、何億光年も飛び
続けています。なんか変ですが納得して頂けました
か?


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第4章DSB送受信機 (3)DSB受信機の構成その2

        第4章DSB送受信機
        (3)DSB受信機の構成
             その2


前回は、電波と言う高周波を捉え周波数を変換して増幅
する所迄のお話でした。
前回の最後にお話した所は、中間周波数増幅器で、まだ
、周波数が低くなったと言っても、高周波です。今回は
、この高周波から音声信号を取り出す検波器からのお話
です。


   
6.検波器( Detector )
  航空無線では、118 [MHz] ~ 137 [MHz]の周波数
     を使用しています。
  図-10 の最初の中間周波数増幅器の周波数は、10.7
  [MHz] です。
  第二の中間周波数増幅器の周波数は、455 [kHz] で
     す。
  118 [MHz] ~ 137 [MHz]  の間の周波数から 選ば
      れる受信周波数は、最終的に全て455 [kHz]に変換
      される
のですが、455 [kHz] と言う周波数も  高周
      波と呼ばれるのに十分に高い周波数です。
  それに比べて電波に乗せて送られて来る音声信号は
      遥かに低い周波数で 低周波 と呼ばれます。 英語で
  は、Audio Frequencyと呼ばれます。

  航空無線の場合は、数十[Hz]~3 [KHz]です。


  DSB では、搬送波の振幅が音声信号の大きさで変
  化させられています。
  455 [kHz] のDSBの高周波も同じく、音声信号の
      大きさでその振幅が変化しています。
  搬送波の周波数だけが  455 [KHz] になった高周波
     から音声を取り出す検波のお話をします。

  図-11 に検波の原理を示しておきます。
   




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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第4章DSB送受信機 (3)DSB受信機の構成その1

          第4章DSB送受信機
         (3)DSB受信機の
           構成その1


今回と次回の2回に分けて、 受信機の代表的な方式であ
スーパーヘテロダイン受信機の動作(構成)についての
お話を致します。


前回、お話を致しました送信機では、発振回路で発生さ
せた高周波の振幅を音声信号で振幅変化をさせた変調波
をアンテナへ繋ぐ事で音声を遠くへ送る事が出来ると言
うイメージが出来た事と思います。

私が中学生の頃は、その知識を元に送信機を作り実践す
る環境が社会に有りましたが、今は、なかなかそうもい
きませんので想像をして頂き、航空通の免許を取って通
信をする時に先のイメージを実感して頂く事になるかと
思います。

さて、送信については、ある程度、イメージされた事と
思いますが、飛んでくる電波からどの様に音声を取り出
せばよいのでしょうか?

ここからは、先に述べました受信機の受信方式の1つで
あるスーパー・ヘテロダイン方式についてお話になりま
す。


受信機の方式には、スーパーヘテロダイン方式以外にも
有りますが、50 年以上前から 無線通信の為の受信機に
限らずTV受信機等でもこの方式が主流です。勿論、 ス
マフォや携帯電話の受信部もこの方式(変調方式は、 違
います)です。


試験には、それぞれの資格にとって重要な事柄が良く出
題されると言う事をお話していますが、当然、無線通信
を行う航空無線通信士にとって、 受信機は、無くては、
ならない物ですので良く出題されます。

それでは、スーパーヘテロダイン方式とは、どの様な方
式の物なのか見ていきましょう。
そして最後にスーパーヘテロダイン受信機の動作全体を
振りかえってみます。

空中線と電波伝搬の章で空中線から電波を輻射する原理
をお話しましたが、空中線には、可逆性があり、受信に
も使えます。
空中線は、 使用する周波数に同調しています。 その為、
TV のアンテナを例にとりますと、すでに終了しました
アナログ放送のアンテンは、VHF帯(地域により違いま
すが、概ね、都市部の場合)で、 現在の地上デジタル放
送のUHF帯のアンテナより大きいものを使用していまし
たが、これは、周波数が低いからです。
空中線は、その空中線の大きさにより決まる共振周波数
の前後の周波数の電波が到来しますと、空中線に電圧が
誘起します。
電波には、波長(:λと表されます。)と言うものがあり
ます。
電波の速度:v は、30万[Km/s] です。
航空無線の周波数を計算し易い様に  100 [MHz] ( 1 x
10^8 ) として波長の長さ:λを計算してみますと
 
    λ = 3 x 10^8 ÷ 1 x 10^8
                  = 3 [m]

になります。次に、携帯電話の波長;λを計算してみま
す。
計算しやすい様に携帯電話の周波数を1[GHz] ( 1 x 10
^9 )としますと

    λ = 3 x 10^8 ÷ 1 x 10^9
      = 0.3 [m]

となります。
周波数が違うと アンテナの長さが違う事がお分かり頂け
たと思います。
ここからのお話は、 この誘起した電圧を増幅するところ
からです。


 


 



(注:図面番号が前回から飛んでいますがその間の図面は、ありません。)


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第4章DSB送受信機 (2)DSB送信機の構成その2

                  第4章DSB送受信機
    (2)DSB送信機の構成その2



今回は、DSB送信機の構成の続きで励振増幅器からお話
をいたします。
  
※発信器は、発振器の間違いです。

前回に続き図-2をご覧ください。

(4)励振増幅器( Drive Amplifier )
  周波数逓倍器の信号を 電力増幅器で必要な電力まで
  いきなり増幅できませんので、 予め有る程度増幅す
  る回路
です。
   (この後にお話します電力増幅器で 必要な電力を得
  る為には、 有る程度の大きさに信号を電力増幅器し
  ておく必要があります。例えば、 周波数逓倍器の出
  力が 1[mW] { 1[W]の1000分の1 }とした時、そ
  の信号を電力増幅器でいきなり 数 [KW]と言う程の
  増幅率は、得られないからです。)

(5)電力増幅器
  試験では、電力増幅器 と呼ばれていますが、 通常、
  段電力増幅器と呼ばれます。
  この回路の後は、 アンテナと言う事で送信機として
  終わりの段ですので良く Final (stage)  とも呼ばれ
  ます。
  励振増幅器の出力を 所要な電力に増幅する役目があ
  ります。
  航空無線においては、VHF帯でのグランド・コント
  ロールの10[W]~HF帯における洋上管制の 2[KW]
      迄の電力迄に増幅します。
  放送局などでは、数十[KW] ~数百 [KW]まで増幅
     します。
  又、電力増幅器では変調増幅器からの音声信号で
  振幅変調を行います
  
  [電力増幅器で変調出来る仕組み]


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第4章DSB送受信機 (2)DSB送信機の構成その1

         第4章DSB送受信機   
       (2)DSB送信機の構成その1




お話は、今回と次回の2回に分けて行います。
構成その1では、水晶発振器から周波数逓倍器迄のお話
をします。DSB送信機には、高電力変調方式 低電力
変調方式が有りますが、 今回は、低電力変調方式を割
愛します。


  
  お詫び 図の”発信器”は、正しくは、”発振器”です。

  図-2の左上からお話をします。
(1)水晶発振器 
  送信周波数が変化してしまいますと、受信する側は
  、送信される周波数に受信周波数を合わせ続けなけ
     ればなりません。 航空無線の場合、受信周波数は、
  切り替え式ですので送信周波数のづれが大きくなり
  ますと受信出来なくなります。 これは、TV 放送の
      場合も同じで、皆様のご家庭にある TVのチャンネ
      ルを希望のチャンネルに合わせても TV局の送信周
      波数が 大きくづれてしまいますと 周波数の合わせ
  様がありませんので受信できなくなります。よって
  、送信機で作られる高周波には、高い周波数安定度
  が求められます


  その為、 安定した 周波数の振動をする 水晶振動子
  を使用した水晶発振器が用いられます。
  幾つかの周波数の内の 1つを切り替えて送信する場
      合(航空無線やアマチュア無線等)には、 水晶振動
      子で作られる安定した発振周波数を元にして安定し
      た色々の周波数を作る シンセサイザー(PLL)が用い
      られます。
  安定した周波数を得やすくする為発振周波数を低
     く
ます。
  
(2)緩衝増幅器
  発振回路が周波数逓倍等、後に続く回路からの影響
  を
受けて周波数が変動しない様にするために設けた
  回路
です。
  発振回路に直接、アンテナをつなぐ様な事をします
     と、アンテナの影響で周波数の安定度が損なわれ周
      波数が変動してしまいます。
  英語では、Buffer Amplifier と言います。
  増幅と言う言葉が入っていますが、緩衝と言う意味
      合いが強い
回路と言えます。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第4章DSB送受信機 (1)DSBとは?

        第4章DSB送受信機
        (1)DSB(AM)とは?


今回からDSB送受信機のお話を致します。
第1回目は、DSBとは、何かと言うお話です。
DSBは、 皆様が航空無線通信士となったとき、 航空機
に設けられた航空機局と航空局(航空機の管制を行う陸
上に設けられた局やエアラインのカンパーニー無線の陸
上局)との交信において一番使用される変調方式ですの
で 理解しておく必要があります。
送信機は、高周波を発生し、その高周波を図-6の灰色の
棒で表した空中線に繋ぎますと空中線の周りに磁界が出
来ます。

 ※図番が以前描いたものを使用している為順不同にな
  っています。

磁界とは、磁石の力が及ぶ空間を言います。
高周波は、交流ですので電流の大きさと流れる向きが時
間と共に変化しますので、磁界の強さと向きも時間と共
に変化します。磁界が変化しますと
電界が生まれその
電界の大きさと向きも元となった磁界が時間と
共に変化
しますので同じく
変化します。 
電界が変化しますと 磁界の変化を生みます
この繰り返しが電波です。 電波は、 空間を伝搬して相
手局へ届きます。 詳しくは、第1章の ”空中線と電波伝
搬”の ”(1)電波って何?”をご覧下さい。

こうして相手局に届いた電波には何の情報も含まれてい
ません。
そこで、送信側では、送ろうとする音声や音楽の信号で
電波を変化させれば相手局は、その変化を元に戻す事で
音声や音楽を聞く事が出来ます。

音声や音楽あるいは、データを含む情報高周波を変化
せる事
変調と言います。

電波から元の情報を取り出す事を復調(または、検波)と
言います。

それでは、DSBとは、一体どの様な変調方式なのでしょ
うか?


試験や日本で一般的に言われているDSBとは、中波のラ
ジオ放送とか、航空無線(VHF帯)で使用されている変
調方式の事です。

DSB は振幅変調{AM変調( Amplitude Modulation)
}とも呼ばれます。下の図をご覧下さい。
良く、AM 変調とも言われますので 両方覚えておいて下
さい。また、今回のブログのタイトルのA3Eとは、AMの
電波型式です。

DSBとはDobule Side Band の略です。
 昔は、搬送波を抑圧して上下の側波帯だけを送信する
 変調方式をDSBと呼んでいました。
 側波帯については、後の記述をお読み下さい。
 それでは、下の図をご覧下さい。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第20期工学第3章半導体・電子管・電子回路 番外編

       第3章半導体・電子管・電子回路
              番外編 ”電子管” 

今回は、 第3章の番外編として ”電子管”のお話を致しま
す。
章のタイトルに電子管と入っているにも関わらず、試験
には、出題されない為にお話をする機会がありませんで
したが、今の電子機器の発展の礎は、 何といっても”電
子管”です。
また、次回の8月期に出題が予想されない FETと同じく
電圧動作です。
そうゆう訳で今回は、番外編と致しまして、電子管のお
話をする事と致しますた。
電子管は、能動素子です。現在、能動素子の大半は  IC
を始めとした半導体です。
しかし、大電力を扱う場合や、マイクロ波を扱う場合は
、”電子管”が今でも活躍しています。
大電力の航法支援施設のレーダーには、今でもなくては
、なりません。
また、オーディオ・マニュアの方の中には、その音の暖
かさから、今でも”電子管”を使用したアンプを使用され
ている方もいらっしゃいます。

それでは、電子管とは、どの様な物か見て行きましょう


[二極管]
まず、最初にご紹介するのは、”電子管”の基礎でもある、
二極管です。これは、 半導体の基礎がダイオードである
のと同じ事です。

                           図-1

回路図記号は、図-1の左の様になります。
名前の様に P(プレート:陽極)と K (カソード:陰極)
の2極で構成されていますので、二極管と呼ばれます。
カソードもプレートも金属で出来ています。 


Hと書いてある部分は、 ヒーターです。そして、細線で
描かれた円は、 チューブを示しています。 チューブは、
ガラス又は、金属で出来ています。そして、チューブの
中は、真空です。
そのため、電子管は、その昔、真空管と呼ばれていまし
た。
実際の構造につきましては、三極管のお話の中でご覧頂
きます。
それでは、二極管の動作についてお話を致します。

               図-2

ヒーターで K:カソードを熱しますと、カソードから熱
エネルギーを得た赤の丸で示す電子が出てきます。
次にK:カソードとP:プレートの間に交流電源。そして
、カソードと負荷抵抗:RLを交流電源の下側(GND)間に
繋ぎます。


プレートの電圧が”+”の時、カソードから出てきた 電子
を引き寄せます。電子は、矢印で示しました様にプレー
トへ到着します。その後、電子は、電源を通ってRL、カ
ソード、プレートという順に巡ります。

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