なぜこれが妥当な仮定と考えられるのか私にはいまひとつわかっていません(ここが一番大事なところのような気がするのですが、誰かわかる人がいたら教えて下さい!!)。だた、そのあとの実際の測定結果を見ると、実際の「強い信号」の数はかなり少ないので、問題はないのかなとは思うのですが。
以上の仮定のもとに、実際に各アマチュアバンドのノイズレベルと、そのバンド近辺に存在する強力な信号のレベルをある期間にわたって調査し、必要なダイナミックレンジを推定しようとするわけです。
彼の測定場所であるヨーロッパは強力な放送局が多く、もっとも厳しい環境だと言われています。また、彼のロケーションは郊外にありノイズレベルは比較的低いので、ダイナミックレンジという観点からは都会の局より高い性能が要求されることになります。
ノイズレベルの測定にはFT-102と校正されたSGとATTを、バンド内の信号の観測にはスペアナ(HP 141T)を使用し、アンテナは30mバンド以下ではダイポール等、20mバンド以上は4-5エレのモノバンド八木を使用しています。アンテナの高さは18mです。
予備調査で各バンドを調べた結果、(予想通り?)7MHz帯がもっとも厳しい条件であることがわかったそうです。そこで次に、7MHz帯で何日にもわたって測定を繰り返しました。その結果が以下の通りです。強力な信号の数は、強度を10dBごとに区切ってその範囲に入るものを数えています。たとえば「-10dBmから-20dBmの間の信号は3つ」などです。また、筆者はこの10dBごとの範囲のことを「ビン(bin)」と呼んでいます。
その7MHzでの結果は表1の通り。信号の数を調べる周波数帯は7MHzの+-1MHzの間です。時刻はUTC、イギリスですから現地時間と考えれば良いのでしょう。たとえば0200UTCでは、7MHzバンドのノイズレベルが-99dBmであり、7MHz+-1MHzの中に、-10〜-20dBmのビンの中には信号が1つ、-20dBm〜-30dBmのビンには12個、-30dBm〜-40dBmのビンには12個あった
ということになります。
ちなみにS9 = 40dBu EMF = -73dBmとすると、-10dBmとはS9+63dBmです。
----------------------------------------------------------
Table1 (QEX誌より転載)
UTC Noise Level / Number of Signals
(dBm) -10 to -20dBm -20 to -30dBm -30 to -40dBm
0200 -99 1 12 12
0615 -105 0 1 4
1445 -105 0 1 1
1500 -108 0 2 2
1545 -106 0 0 2
1645 -97 1 3 16
1715 -91 5 5 20
1745 -98 2 3 23
1815 -99 2 8 23
1945 -97 1 4 18
2000 -97 3 13 5
2045 -91 2 6 27
2050 -94 2 12 23
2145 -106 0 6 25
2200 -97 1 3 23
2230 -99 1 12 10
2255 -101 2 5 7
----------------------------------------------------------
次にこの結果をもとに必要なダイナミックレンジ等を計算します。
たとえば0200UTCでは、最大強度のビンは-10dBm〜-20dBmのビンである
わけですが、この範囲の信号はすべて-15dBmということに丸めます。
また、0200にはこの強度の信号は1つしか存在しないのですが、なるべく
ワーストケースを考えるため、1つしかなくても2つ存在するとして
生じる3次歪みを計算します。
一方ノイズレベルは-99dBmですから、必要な感度はその10dB下の-109dBmとなります。
3kHz帯域でNF(noise figure)に換算すると、-109 - (-140) = 31(dB)です。
必要なダイナミックレンジは-15 - (-109) = 94dBとなります。
この二つから外挿することによってIP3が計算できます。
IP3 = MDS + 3/2 IMDDR = -109 + 3/2 * 94 = +32dBm です。
より強力な信号が多くなる夕方1715UTCの場合についても最大のビンは
-10dBm〜-20dBmでその中に5個の信号があります。
しかし、これは先の仮定によれば「非常に多い」には達していない(n <= 8)ので、
-15dBmの2つの信号が生じる3次歪みをもとに計算して良いことになります。
ですから、必要なダイナミックレンジは-15 - (-101) = 86dBです。
IP3は-101 + 3/2 * 86 = +28dBmとなります。
こうやって各時刻の受信状況における必要な感度、IP3、ダイナミックレンジは
下の表のようになります。
----------------------------------------------------------
Table 2 IP3, Noise Figure and ILDR Requirements for 7 MHz (QEX誌より転載)
Noise NF(dB) IP3 (dBm) Dynamic Range
UTC Level(dBm) Required Required Required (dB)
0200 -99 31 +32 94
0615 -105 25 +20 90
1445 -105 25 +20 90
1500 -108 22 +21.5 93
1545 -106 24 +5.5 82
1645 -97 33 +36 95
1715 -91 39 +28 86
1745 -98 32 +31.5 93
1815 -99 31 +32 94
1945 -97 33 +31 92
2000 -97 33 +31 92
2045 -91 39 +28 86
2050 -94 36 +29 89
2145 -106 24 +20.5 91
2200 -97 33 +31 92
2230 -99 31 +32 94
2255 -101 29 +33 96
----------------------------------------------------------
この結果から、ダイナミックレンジは100dBあれば十分であるという結論が得られます。
ということは、いわゆる実戦機、高級機と呼ばれているリグではだいたいダイナミックレンジは足りているということになります。ただし、ダイナミックレンジのスタートポイント(下端=MDS)は、そのときどきのノイズレベルに応じてATTを入れ、シフトさせてやらなければいけません。ATTを入れると、ダイナミックレンジはそのままで、ATTの減衰量の分だけ感度は下がり、逆にIP3が高くなります(よく見かけるダイナミックレンジを示すあのグラフがそのまま右側に移動するイメージです)。
つまり、リグの感度は十分に高いので、ATTを入れてやることによってバンドのノイズレベルより十分高い感度を維持しながら、強入力特性を上げてやれば範囲(レンジ)としては100dBで十分足りているよ、ということを言っているわけです。
なるべくこまめにATTの量を調節して、最適な状態に持っていくことが重要だということになります。
最初の仮定のところをちゃんと理解できていないのに紹介するのもどうかと思ったのですが、こういう実際のデータを取った例というのはあまり見たことがなく、非常に興味深い記事だと思ったので紹介してみました。
また、この記事ではこれまで紹介した3次混変調歪みによるダイナミックレンジに加えて、フェーズノイズに起因するダイナミックレンジについても考察していて、そちらの方が厳しい場合があるということも書いているようなのですが、その辺はまたのちほど。
なお、私の解釈に間違い等ありましたら是非ご指摘ください。
DK8PDによるコメント
先のQEXの記事に対して、2つ後の号(2002 September/October)のLetter to the Editor欄にドイツの読者DK8PD(Werner Hallenbach氏)からの投稿がありました。彼も1995年に同じ問題(実際に必要なダイナミックレンジはどのくらいか?)に答えるために調査を行ない、CQ-DL誌に発表したというのです。ただし、測定のやりかたはG3RZPのものとは異なっています。
彼はアンテナ(7MHz用逆V)からの信号を6〜8MHZのBPF(彼いわく、当時のアマチュア用高級機はこの程度のフィルタが使われていることが多かった)を通した後、バンド全体の信号をA/Dコンバータを使ってコンピュータに取り込み、30日間にわたって記録しました。必要なダイナミックレンジの計算には、次のようなワーストケースを仮定して行ないます。つまり、測定された、バンド全体の電力と同じ強さを持つ信号が二つ存在して、それらによる相互変調歪みが目的受信周波数に現れるとしたときに、必要なダイナミックレンジはどれだけか、ということのようです。
測定結果のデータを平均化し、一日のあいだのパワーレベルの変化を示すグラフに書き直してみると、パワーのピークは、18:00UTCで-15dBmの値(日によっては-10dBmに達する日もあったそうであるが)でした。イギリスとドイツの時差1時間を考慮すれば、これはChadwics氏のデータと一致しています。
ノイズフロアについては、同じように連続してはかることはできなかったのですが、何度か測定したところ、その値はCW(400Hz)帯域で-105dBmから-115dBmの間であった(G3RZPのデータは帯域幅3kHzであったことに注意)ということです。これらのデータから彼は必要なダイナミックレンジは約100dBであると結論づけています。
さらに彼は当時QRPのリグを作っていたので、受信機の消費電力を減らす目的で、フロントエンドにかなり狭いフィルタを入れて、ダイナミックレンジに対する要求を軽減することができるかどうかについても調べたそうです。帯域幅70kHzで挿入損失が12dBのフィルタを製作し、上と全く同じ条件で測定したところ、そのフィルタでも近接する放送バンドの信号を完全に排除することはできなかったが、受信機のフロントエンドに対する要求は20dB程度緩和され、ダイナミックレンジは85dB程度で十分であることがわかったということです。
彼のCQ-DL誌での発表記事
1. W. Hallenbach, Belastung von 40m BandEmpfagern durch
BC-Stationen, cq-DL 1997, p 870.
[ The burden on 40-m-band receivers from BC stations.]
2. A. Heinrich, Bessere 40m-Vorselektion am Beispiel von TS-930S und
TS-140S, cq- DL 1993, p 540 and literature cited therein.
[ Better 40-m pre-selection by example of the TS-930S and TS-140S ]
タイトルの英訳はQEXの編集によるもの。
Goto Top