アナログPSN方式SSB変調回路用 Poly Phase Filter ( 90 deg. Shifter) 利得・周波数特性の補正実験

アナログPSN方式SSB変調回路用 Poly Phase Filter ( 90 deg. Shifter)　

利得・周波数特性の補正実験

(1) 300〜3KHz Poly Phase Filter の利得、位相特性 ・・・利得・周波数特性の補正前

300〜3KHz Poly Phase Filter の利得が、周波数が高いほど利得が減衰し、約900Hzで

ー7[dB]と大きめの利得減衰が見られます。

（声が高くなると音が小さくなり、低音が強く出やすい。）

(2)300〜3KHz Poly Phase Filter の過渡解析特性 ・・・利得・周波数特性の補正前

振幅電圧が4相出力とも一定になるように、オペアンプ741のオフセット調整を行いました。

(3) 300〜3KHz Poly Phase Filter の利得、位相特性 ・・・利得・周波数特性の補正後

300〜3KHzで、利得が一定になることを目指し、前段OPアンプ741にHPF(High Pass Filter)を構成しました。利得特性はかなり改善されました。


(4)300〜3KHz Poly Phase Filter の過渡解析特性 ・・・利得・周波数特性の補正後

HPF効果で利得特性は改善されましたが、４相出力電圧の振幅がばらつく性能劣化が見られます。実際に音を聞かないとこの特性が実用レベルかどうかはわかりませんが、性能は劣化しました。

ここで出力電圧の振幅がばらつく原因は、2個のOPアンプ(LM741)がオフセット電圧に非常に敏感で、初段のHPF動作特性を変えただけでも、振幅電圧の中心電圧が大きくシフトしてDC増幅されるのためであることが判明しました。

対策は、OPアンプ2個のオフセット電圧を調整しなおすだけで対応可能なことが判明しました。


(6)300〜3KHz Poly Phase Filter の利得、位相特性 ・・・利得・周波数特性の補正(2回目)

　(3)のHPFの特性を遮断周波数20[Hz]から、300[Hz]に変更し、90度位相シフトの領域外の300[Hz]以下の周波数成分を減衰させ、音質改善を試みました。

300[Hz]以下の信号を弱くすることで、位相がずれた変な低音を弱くするようにしました。

(7)300〜3KHz Poly Phase Filter の過渡解析特性 ・・・利得・周波数特性の補正(2回目)

　(6)でHPFの遮断周波数を300[Hz]に変更する副作用として、OPアンプ２個のオフセット電圧がずれ、そのオフセットDC電圧が増幅されて、出力電圧がシフトされるため、同オフセット電圧を再調整し、この問題を解決しました。

(8)300〜3KHz Poly Phase Filter の課題

PSN方式SSB変調回路に使うには、設計帯域外の20Hz〜300Hzで正確な90度位相シフトが得られない本質的課題を解決するのが困難です。[※1]

この位相制御には、デジタルDSP信号処理がより実用的と思われます。


参考文献

[1]　ポリフェーズPSN（PPPSN)の基本回路と私が製作した１２ポールPPPSN
http://jh1dtx.o.oo7.jp/PPPSN.htm
　　RC定数の変更で、PPFの大きな特性改善がされた模様です。

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Poly Phase Filter の利得と位相特性のspice解析

Noboru, Ji1NZL

90度位相シフト器として良く知られているPoly Phase Filter の利得特性と位相特性をspiceで解析しました。

(1) 解析した回路とspice出力結果

(i) 利得特性

　　このPoly Phase Filrer は、位相シフトが90度となる周波数領域が、300[Hz]-3[kHz]に設計されています。

　　この帯域内では、利得が一定になることが望まれます。すなわち低い声から大きな声まで、小さな声は小さく、大きな声は大きく聞こえる、ということが、人間の可聴周波数領域で実現できる必要があります。

spice解析の結果、300[Hz]-3[kHz]帯域内で０〜　-7[dB]の利得差が現れました。その特徴は、低い声が大きく聞こえ、高くなるほど声が小さくなるという、実用上問題となる利得特性を持っている課題が判明しました。

(ii) 位相特性

　　設計帯域内300[Hz]-3[kHz]では、90度差の位相特性が得られています。これは低い音声20[Hz]〜300[Hz]が自然な音声として聞こえず、おかしな音調になると考えられます。

 SSB変調方式では、低い音が綺麗に聞こえず心地よくないという人間の耳の特性があるようで、できるだけ高めの音が明瞭な音、きれいな音として好まれているようです。このため、低めの音声が耳障りで気になる課題となることが予想されます。

　　

(2) 先のspice解析のグラフから、位相差を読み取り、表にしました。

　　-90度と+270度は、複素数平面で同じ角度です。

　低い音声20[Hz]〜300[Hz]の利得が最大で、かつ位相差が90度にならないのが、おかしな音調が強く聞こえる特性で、（場合によってはやっかいな）課題となります。

　　

表. Poly Phase Filter の周波数：位相ずれの特性計算値(LTspice使用)

(3)フィルタ帯域内の利得差を軽減する解決法

RC Poly phase filter の前段と後段に、OPアンプによるバッファ・アンプを設けると、フィルタ帯域内の利得差を軽減できる手段が知られています。

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