2017年1月1日日曜日

FM復調回路:フォスターシーレイ検波とレシオ検波の机上計算テスト【知られざる特性】

(暫定公開版) 継続検討対象

FM-diode-Detector/demodulator iF 10.7MHz
{1}FM-DiodeRadio-10.7MHz-N1-AC (dB単位)
    Retio method
   Frequency to Voltage(dB) 特性
 5MHz〜15MHz で変化するRX-OUT端子での利得
 同調点は3点
 6.3MHz 極大利得 +
 8.3MHz 極小利得 ー
 12.2MHz 極大利得 
  
中心周波数 10.7MHz 近傍の特性
利得特性:dB単位でみてリニアな利得変化
位相特性:位相は一定

周波数変調の復調に向いている
位相特性は一定なので、位相復調はできない周波数帯域内で位相差がないメリッがあり、音質に自然さがあるかもしれない

この回路は、D2, D1はダイオード方向を逆にしても動いてしまう
リミッター効果があると言われているが、このグラフ特性では無理っぽい

{2}FM-DiodeRadio-10.7MHz-N1-AC (V単位 リニア電圧表示)
Frequency to Voltage(リニア電圧表示) 特性
 5MHz〜15MHz で変化するRX-OUT端子での利得
 同調点は3点
 6.3MHz 極大利得 +
 8.3MHz 極小利得 ー
 12.2MHz 極大利得 
  
中心周波数 10.7MHz 近傍の特性
利得特性:リニア電圧表示単位でみて曲線な利得変化、中心周波数近傍の変調帯域ではリニアな出力特性に近似できる
位相特性:位相は一定

周波数変調の復調に向いている。
位相特性は一定なので、位相復調はできないが、周波数帯域内で、位相差がないメリットがあり、音質に自然さがあるかもしれない。

下側のダイオードの出力は、10.7MHz近傍で位相が変化するので、位相復調、周波数復調の両方が動く。

この回路は、D2, D1はダイオード方向を逆にしても動いてしまう。
リミッター効果があると言われているが、このグラフ特性では無理っぽい。
フォスターシーレイ回路と大差無い。

3つのコイル間の相互インダクタンス結合で、同調周波数が複雑に変化する
計算方法が確立しているとは思えない。

{3}FM-DiodeRadio-10MHz
Retio Method
ダイオード方向:右側x2
過渡解析結果 FFT Wide range  0 to 20MHz
出力振幅が大きい +11〜+18V 7Vpepもの振幅電圧が出力された。

{4}FM-Fonster-Seelay-10MHz-T1
Foster Seelay Method
ダイオード方向:右側x2
過渡解析結果 FFT Wide range  0 to 20MHz
出力振幅は{3}より小さい -7〜 -5V,  2Vpepの振幅電圧が出力
出力振幅がRetio {3}より小さいオリジナルのダイオード方向ではマイナス電圧になる。
(ダイオードは逆向きのほうが人間にはわかりやすい+電圧になる)

{5}FM-Fonster-Seelay-10MHz-T1
Foster Seelay Method
ダイオード方向:右側x2
過渡解析結果 FFT Narrow range  10.7MHz 中心周波数近辺
送信FM変調波が ±75KHz=150KHz に分布している
出力振幅は{3}より小さい -7〜 -5V  2Vpepの振幅電圧が出力。
出力振幅がRetio {3}より下がり、オリジナルのダイオード方向ではマイナス電圧になる。
(ダイオードは逆向きのほうが人間にはわかりやすい+電圧になる)

{6}FM-Fonster-Seelay-10MHz-T1
Foster Seelay Method
ダイオード方向左側x2方向を逆にした
過渡解析結果 FFT Wide range 0 to 20MHz
出力振幅は{3}より小さい +5〜 +7V  2Vpeの振幅電圧が出力。
出力振幅がRetio {3}より下がり、オリジナルのダイオード方向ではマイナス電圧になる
(ダイオードは逆向きにすると人間にはわかりやすい+電圧になった)

{7}FM-Fonster-Seelay-10MHz-T1
Foster Seelay Method
ダイオード方向左側x2方向を逆にした
過渡解析結果 FFT Narrow range  10.7MHz 中心周波数近辺
送信FM変調波が ±75KHz=150KHz に分布している
出力振幅は{3}より小さい +5〜 +7V  2Vpeの振幅電圧が出力。
出力振幅がRetio {3}より下がり、オリジナルのダイオード方向ではマイナス電圧になる
(ダイオードは逆向きにすると人間にはわかりやすい+電圧になった)

{7}FM-Fonster-Seelay-10MHz-T3
Foster Seelay Method / Retio Method 混合方式
ダイオード方向:上側:右方向、左側:左方向(Retio方式のダイオード方向)
過渡解析結果 FFT Wide range 0 to 20MHz
出力振幅は{3}より小さい +8〜 +11V  3Vpeの振幅電圧が出力
出力振幅がRetio {7}より上昇、ダイオード方向はRetio方式が出力が大きくなる
(ダイオードは逆向きにすると人間にはわかりやすい+電圧になった)

{8}FM-Foster-Seelay-10MHz-AC1
  {7}のAC特性
 F/V変換特性は、周波数軸を対数表示にするとリニアな曲線に見えるが、
 周波数軸をリニアにとらないと、F/V特性の直線動作特性はわからなくなるので注意
 同調周波数:6MHzより上、10MHz、12+MHz
 8MHz近傍に位相がフラットになる
 11MHz近傍は、位相も利得も変化

{9}FM-Foster-Seelay-10MHz-AC3
  {8}のAC特性 リニア電圧表示
 同調周波数:6MHzより上、10MHz、12+MHz
 8MHz近傍に位相がフラットになる
 11MHz近傍は、位相も利得も変化

{10}FM-Foster-Seelay-10MHz-AC3
  {7,8}のAC特性 周波数リニア表示、リニア電圧表示
 10.7MHz近傍は、位相も利得も直線近似で変化
 10.6MHz 0.18mV -275度
 10.7MHz  0.20mV -300度
 10.8MHz  0.2+mV -300度
  変化量  20uV程度 -25度

{11}FM-Foster-Seelay-10MHz-AC3
  {7,8}のAC特性 周波数リニア表示、リニア電圧表示
 8.0 MHz近傍は、位相も利得も(右下がりで)直線近似で変化
 7.98MHz 500uV -155度
 8.10MHz  450uV -152度
 変化量  50uV程度 -3度 ・・・電圧利得大 位相変化ほぼ一定

{11}FM-Foster-Seelay-10MHz-AC3
  {7,8}のAC特性 周波数リニア表示、リニア電圧表示
 5.2 MHz近傍は、位相(右下がり) 利得も(右上がりで)直線近似で変化
 5.12MHz 800uV +17.5度
 5.20MHz  840uV +6度
 変化量  40uV/80KHz程度 -11.5度/80KHz ・・・利得変化 位相変化












ここのシミュレーション計算では、専門書籍に書かれている内容と異なる特性が多く見られます。
過去に書かれた理論書とつきあわせると、過去の理論書やネット記事の中には、理論の見直しが必要のものが相当数ありました。

今のところ、これらのシミュレーション計算に対して、再現性を持った設計方法情報の書かれた書籍やネット情報による理論書は、まだ見つかっていません。
もしかすると、この回路は、数学的・電気工学的解析がうまく出来ないままの状態だったのかもしれません。

現代ではあまり使われる機会も無く、ICにブラックボックス化されたFM復調機能デジタル演算化が進み、部品名が分かるだけで、内部論理はわからなくなってきている様子です。

(産業上のメリットがあるか無いかは現在不明です。しかし今後の電子工学、応用数学の学問と設計手法を確立する分野として、現在でも解明できていない課題となるかもしれません。)


再現性の課題例:
・レシオ検波のリミッター効果がF/V特性上に再現できない。
・二次側の同調周波数の計算が、結合定数と結合定数を考慮したインダクタンスによる共振周波数式が見当たらない。(コイルの巻き数情報が無いとこれは計算不能)
・周波数が高くなるとF/V変換器の利得が下がり、感度が低下する。
(76MHz-108MHz適用ではF/V変換の利得/感度が大きく下がる。ダウンコンバートが一つの解決法。)