2017年3月11日土曜日

ダイオード・ミキサを使った疑似AM送信機の原理計算

ゲルマニウム・ラジオのクリスタル・イヤホンにしゃべると、ラジオにAM変調電波が受信されたというネット情報の再現性を確認するため、かつてLTspiceによる計算でそれが再現するかどうかを確認した。
その解析結果では、その送信動作を再現できなかった。[1]

この電気現象の理解状況を改善するため、ダイオードの高周波特性の特徴であるミキサー動作(周波数変換動作)特性を応用することで、疑似AM送信機の原理計算を行った。

その結果、送信電波は歪みながらも、AM変調の電波が送信できることが計算により判明した。以下、図1.1〜図2.1にLTspiceによるその計算結果を示す。


図1.1 ダイオード・ミキサを使った疑似AM変調送信機の動作

図1.1には、ショットキーダイオードBAT54をダイオードミキサとして動作させ、低周波信号1KHzと高周波600KHzサイン波電圧を入力、ショットキーダイオードの出力負荷に600KHzの並列LC共振回路を構成した。

回路図の下のグラフ線
青線:600KHz サイン波 ピーク100mV
赤線:Vdc=50mV 底上げ電圧+サイン波 Vaf[V]ピーク電圧=200mV, 1KHz
緑線:LC並列共振回路の出力電圧

赤線の低周波信号サイン波1KHzに同期するように、緑線に振幅変化が現れ、AM変調が弱くかかっていることがわかる。

右側のグラフ線:
緑線:LC並列共振回路の出力電圧の周波数スペクトラム
青線:600KHz ピーク100mVのサイン波発振器の周波数スペクトラム
赤線:端子名BASEBANDのベースバンド低周波信号の周波数スペクトラム

周波数スペクトラムから、
緑線:600KHzに細い周波数成分が見える。(出力電圧)
青線:600KHzに細い周波数成分が見える。(キャリア600KHz)
赤線:1KHzのベースバンド低周波信号の周波数成分1KHzが見える。

図1.2 疑似AM変調送信機の送信電波の周波数スペクトラム解析結果

図1.2は、図1.1の周波数スペクトラムの周波数軸を、キャリア周波数600KHz近傍で拡大したもの。
出力電圧(緑線)が、キャリア周波数600KHzを中心に、±1KHz変調信号とその高調波歪み成分が見える。
ひどく歪んでいるが、確かにAM変調がかかっている。

図1.3 疑似AM変調送信機の送信電波・変調度を変化させる計算結果
図1.3は、低周波ベースバンド信号の振幅電圧をパラメータで変化させたもの。
変調状態は振幅電圧が小さいが、大きな低周波ベースバンド信号ほど、出力の振幅電圧幅も大きくなっている。すなわち、AM変調がより深くかかるAM変調器の動作をしている。


図2.1 放送電波をキャリア発振器代わりにする 疑似AM変調送信機
図2.1は、発振器600KHzのかわりに、ラジオ電波594[KHz](NHKラジオ第一)の受信信号を入力したもの。
変調をかけるときは、放送局が無音のときに音声を入力する。
すると、AM変調電圧が、出力のLC共振回路に現れている。



図2.2 疑似AM変調送信機(図2.1)の変調電波の周波数スペクトラム解析結果

図2.2は、図2.1の周波数スペクトラムの周波数軸を600KHzキャリア周辺で拡大したもの。
ひどく歪んでいるが、確かにAM変調がかかっている。


[考察]
何故、ゲルマニウムラジオのクリスタルイヤホンへ喋っても、音声信号を与えても、AM変調波電波が出せない[1]か、その原因を考察する。

AM変調電圧波の式は次のように書ける。

Vam(t) = {Vdc+x(t)}*Vc*sin(ωc*t) ...式(1)

式(1)は、ベースバンド信号 x(t) にDC電圧 Vdc[V]を加算し、キャリア信号 Vc*sin(ωc*t)[V]
を乗算するとAM変調波電圧が生成できることを意味する。

ゲルマニウムラジオは、回路構成上、次の手段(a),(b)が無い。

(a)キャリア信号 Vc*sin(ωc*t)[V]を生成する回路
(b)キャリア信号とベースバンド信号を乗算する回路

このため、回路構成上、原理的にはゲルマニウムラジオのクリスタルイヤホンへ喋って音声信号を与えても、AM変調電波が出せない、と考えられる。

図1.1〜1.3, 図2.1〜2.2では、上記構成手段の(a)を持ち、さらに(b)としてダイオードを持ち、ダイオードの周波数変換動作を利用するので、歪みを伴うが、式(1)に類似したAM変調動作が電気的に発生する。


関連記事:

[1] Can 1 diode crystal radio transmit AM/RF signal to the air if we talk to crystal earphone ?


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