Full Coverage FPGA FM Stereo Tuner

Full Coverage FPGA FM Stereo Tuner

はじめに

2014年9月7日、FPGA Tuner の設計者の林さまから連絡をいただき、Full Coverage 版の開発に成功したとのこと。
早速、 FPGA FM Stereo Tuner (2号機) を Full Coverage FPGA FM Stereo Tuner に改造しました。実際には調整の問題もあり、林さまに基板の改造・調整とも実施していただきました。

Full Coverage とは？

従来の FPGA Tuner は RF アンプに組み込まれている LC 同調にて単一周波数に同調されていました。このため、基本的には単一放送局受信となっていました。
Full Coverage では LC 同調の部分を BPF (バンドパスフィルタ) とします。
- RF アンプは FM 放送帯専用の 76～95MHz の広帯域アンプとなります。そしてこの周波数帯に入る放送局が受信可能になります。
  - 76～90MHz は従来からの FM 放送帯です。
  - 90～95MHz には AM 放送の FM 補完中継局や FM 県域放送などの放送が入る予定です。
  - FM 方式による AM ラジオ放送の補完中継局の概要も参考になります。
Full Coverage では誰が選局する？
- 76～95MHz 帯を RF アンプにて増幅した後、高速 ADC にて一挙にデジタル化し、DSP 処理にて目的の放送周波数成分だけを処理します。
- すなわち、FPGA が選局しているということになります。同調という概念とは少し違います。
帯域内に非常に強力な電波があって ADC オーバーレンジすると、正しい処理ができなくなります。
- ADC オーバーレンジしていると、通常レベルの電波受信にも影響します。
- 電波の入力レベルの管理と適正化が必要です。
そもそも・・・
- FPGA tuner 全般に言えることですが、良質な FM 電波を超高音質で聴くのが目的のチューナです。高感度を期待して導入するとガッカリすると思います。
- Full Coverage FPGA tuner では RF アンプを広帯域にしているので、従来の FPGA tuner より感度は更に厳しくなっています。
- 良質な FM 電波とは、レベルで言うと 80dBf 以上です。実用レベルでも 60dBf は必要です。

Full Coverage 改造 ・・・ Full Coverage 改造作業は、76～95MHz BPF の細かい調整が必要になるので、設計者の林さまにお願いしました

右の回路図は、Full Coverage 仕様の RF アンプ回路です。右の回路図をクリックすると pdf で拡大表示できます。
- LC で 76～95MHz BPF を構成しています。 BPF は二重になっています。
- ゲインは 20dB です。
  - 当初は [OUT] の後にもう1段の2段目アンプがあって全体で 40dB でしたが、我が家では電波が強過ぎて ATT (アッテネータ) で -25dB も絞る必要がありました。
  - そこで、林さまにご指導いただいて2段目のアンプをカットして右の回路に落ち着きました。 ATT (アッテネータ) での絞込みは -6dB で済むようになりました。計算上は -5dB ですが、-5dB ATT の手持ちがなく -6dB ATT としました。
基板の表面から眺めると、コイルが1個少なくなって、水晶クロックが 69.12MHz に変更になりました。
基板の裏面から眺めると、チップコイルが2個増えて、他にも新たな部品が取り付けられています。右の写真をクリックすると拡大表示できます。
- 左側に見える同軸ワイヤは私が取り付けたもので、2段目アンプをジャンプしています。熱収縮チューブで被っているのでよく判らないと思いますが、同軸ワイヤには耐熱同軸ケーブルという少し特殊なものを使っています。
- 2段目アンプを完全停止するため、抵抗×3個、コンデンサ×1個も除去しています。

スイッチ/ジャンパ/LED 表示の仕様変更

受信周波数を8つまで設定できるようになりました。
- 従来は DIP-SW No.1～2 の2ビットで受信周波数を4つまで選択可能でしたが、Full Coverage 仕様では No.1～3 の3ビットで8つまで選択可能となりました。
- 選択可能周波数を [76.1：InterFM] [77.1：放送大学] [78.0：bayfm] [79.5：NACK5] [80.0：TOKYO FM] [81.3：J-WAVE] [82.5：NHK 東京] [85.1：NHK 埼玉] としました。完全に我が家の受信状況に合わせています。
- 従来、DIP-SW No.3 で設定した [MONO 受信機能] は下記のジャンパに移動しました。
上記の [MONO 受信機能] はこのジャンパに移動しました。
- [MUTING 機能] が追加され、MUTING OFF で同時に MONO 受信となります。
- 従来、このジャンパは [アナログ出力左右リバース] でした。 [アナログ出力左右リバース] はコンパイルオプションになるとのこと。

受信チャンネル LED 表示の変更

従来、受信できる放送局数は4つだったので、CH1～3 の4つの LED のどれか1個点灯することで表示していました。

今回、受信できる放送局数が8つになったので、チャンネル5以上の表示が追加されました。以下の表のように CH1～3 の4つの LED のどれか1個消灯することで、チャンネル5～8を表現します。 (○：点灯、×：消灯) やむを得ないと思うけど、いまいちスマートじゃないと思うのは私だけ？？？

受信チャンネル	CH1	CH2	CH3	CH4	備考
1	○	×	×	×	従来と同じ
2	×	○	×	×	従来と同じ
3	×	×	○	×	従来と同じ
4	×	×	×	○	従来と同じ
5	×	○	○	○	今回追加
6	○	×	○	○	今回追加
7	○	○	×	○	今回追加
8	○	○	○	×	今回追加

受信チャンネル選択について
- 電源 ON 時は、DIP-SW の設定を読み込み、その設定チャンネルで受信します。
- 受信チャンネル用のレジスタは UP/DOWN カウンタを兼用していて、DIP-SW と Push-SW どちらか変化のあったほうで更新します。
- 従来、Push-SW は1個でインクリメントだけでした。今回、Push-SW を2個にしてインクリメント／デクリメントができるようになりました。
  - Push-SW でチャンネル選択するには受信チャンネル LED 表示が必須です。 LED がないとどのチャンネルを受信しているのか判らなくなります。
- 私はロータリ SW を DIP-SW の代わりに挿入するほうを好みます。
  - 接点位置で受信チャンネルが判るので、受信チャンネル LED 表示が不要です。
  - 電源 ON 時の受信チャンネルを決められるので留守録にも対応できます。

性能改善

ステレオセパレーションが向上
- MPX のデコーダを徹底的に改修して、ほぼ変調周波数全域でステレオセパレーション 80dB を確保できるようになりました。
- 低域のセパレーション
  - 従来、AFC の時定数をかなり長くしてなんとか誤魔化していました。
  - 今回、L-R の HP 特性を AFC の掛かった L+R と完全に合わせるようにしました。
- 高域のセパレーション
  - 従来、IIR 型や FIR 型で振幅だけを合わせており、位相検波→FM 復調の周波数特性のうち、振幅特性は補正しても群遅延特性を補正していないために、10kHz で 60dB くらいが限界でした。
  - 今回、FIR フィルタで遅延特性も含めて完全な補正をしました。
- RF アンプが広帯域になったこともセパレーションの向上に関係があります。
  - 従来の狭帯域のフィルタでは遅延特性の問題もあり、RF アンプの同調点の取りかたでセパレーションにかなりの影響がありました。 Full Coverage 改造前の性能測定結果を見ると受信周波数によってセパレーション特性が顕著に変化しているのが判ります。
  - 今回の広帯域 BPF では、セパレーションに受信周波数の影響はほぼありません。帯域の端 (76.1MHz, 94.9MHz) で、僅かに 3dB 程度セパレーションが劣化します。
S/PDIF 出力の分解能が24ビットに向上
- 従来の分解能は20ビットでした。分解能の違いで、20kHz 付近のノイズフロアが下がっているのが判ります。
- アナログ出力に使われている DAC も24ビット駆動になっています。

シリアル設定モード追加 ・・・ RS-232C ライクなシリアル通信でリモート設定が可能になりました！

シリアル設定モードを使うことで・・・
- 76.0MHz～95.0MHz の範囲で 0.1MHz 単位の任意の周波数を受信できます。
  - これが一番ありがたいかもしれないです。従来のプリセットした周波数以外は受信できないという不満が解消します。
  - 受信周波数以外にも、従来 DIP-SW やジャンパで設定していた全ての設定がリモート設定できます。
- マンマシンインタフェース設計の自由度が大幅に向上します。素晴らしいことです。
  - PIC や AVR と言った Tiny PC を使うことで、FPGA tuner 単体では実現困難だった高度な [操作] [表示] 系がユーザ側で設計できます。
    - [同調点検出] 機能を利用したオートスキャン同調、オートプリセット
    - 留守録用のプログラム機能
    - [周波数選択ボタン] [LCD ディスプレイ] [受信周波数プリセット] などなど
  - 上記以外にもアイデア次第で色々な機能を搭載できるでしょう。
今回追加されたシリアル設定モードを理解するために、FPGA tuner の3つの設定モードを以下に説明します。
1. 基本設定モード
  - [設定機能有効化ジャンパ：無] で動作するモードです。
  - [出力レベル (許容最大周波数偏移) 設定：155.0kHz] [受信帯域幅設定：198kHz] が固定となり、これ以外の DIP-SW, ジャンパが設定可能です。
  - このモードでは [シリアル設定モード] も利用可能になっています。今回の FPGA Configuration Data で機能追加されました。
2. 拡張設定モード
  - [設定機能有効化ジャンパ：有] で動作するモードです。
  - [出力レベル (許容最大周波数偏移) 設定] [受信帯域幅設定] を含め、全ての DIP-SW, ジャンパが設定可能です。
  - このモードでは [シリアル設定モード] は無効です。(利用できません。)
3. シリアル設定モード
  - [設定機能有効化ジャンパ：無] で、かつ、有効なシリアル設定データが FPGA tuner で受信できた場合に動作するモードです。その仕様は次項以降で説明します。
  - [基本設定モード] [シリアル設定モード] は瞬時に切り換わります。
    - 電源投入直後は [基本設定モード] で動作します。
    - 有効なシリアルデータを FPGA tuner が受信すると [シリアル設定モード] で動作します。以降、DIP-SW, ジャンパを操作するまで [シリアル設定モード] のままです。
    - DIP-SW, ジャンパを操作すると [基本設定モード] で動作します。以降、有効なシリアルデータを FPGA tuner が受信するまで [基本設定モード] のままです。
  - FPGA 内で別々の [基本設定レジスタ] [シリアル設定レジスタ] を持ちます。
    - これは [基本設定モード] [シリアル設定モード] 間で設定情報の引き継ぎを行わないことを意味します。 この辺りが誤解しやすいので注意！
    - [シリアル設定モード] では [シリアル設定レジスタ] を参照して FPGA tuner が動作します。
    - [基本設定モード] では [基本設定レジスタ] を参照して FPGA tuner が動作します。
インタフェース仕様
- 信号線は右の写真のように [RxD] [TxD] [GND] だけです。
- RS-232C ライクですが、信号電圧レベルは 3.3V C-MOS レベルとなります。
- シリアルデータの形式は、[ボーレート＝115.2kbps] [データ長＝8ビット] [ストップビット＝1] [パリティ無し] [フロー制御無し] です。要は「たれ流し」です。

コマンド文字列の仕様

6文字＋[デリミタ] が基本です。
- 文字コードは ASCII です。 [0]～[9] [A]～[F] [a]～[b] [CR] [LF] を使い、これ以外の文字は送っても FPGA が無視します。
- デリミタ文字には [CR] [LF] を使い、どちらか一方だけでもよいし、両方でもよいです。
- ASCII 文字で送信しますが、FPGA ではこれを4ビットの16進数として扱います。すなわち、以下のように変換されます。

コマンド文字列の送出順番と定義は以下です。

例えば、[受信周波数：82.5MHz] [出力レベル：3] [受信帯域幅：1] [STEREO AUTO] [MUTING ON] [S/PDIF サンプリング周波数：48kHz] に設定したい場合、「825310」[CR] と送信します。
6文字全てを送信する必要はありません。例えば、「813」[CR] と送信すると、[受信周波数：81.3MHz] に設定されますが、その他の設定は変わりません。通常はこの受信周波数だけを設定することが多いと思われます。
電源投入直後のデフォールト値は全て [0] です。従って、 一番最初に送るコマンド文字列は6文字とし、全て設定することを強く推奨します。 文字番号4～6の標準値は基本設定モードのデフォールト値が参考になります。
無視される文字コードを逆に積極的に利用すると、人間的に理解されやすい使い方ができます。
- 「81.3MHz」[CR] と送信すると、[.] [M] [H] [z] は無視されるので、[受信周波数：81.3MHz] に設定されます。
- 同様に「81.3MHz L=3 W=1」[CR] と送信すると、[受信周波数：81.3MHz] [出力レベル：3] [受信帯域幅：1] に設定されます。

先頭からの文字番号	送信する文字 (ASCII)	制御内容	シリアル設定モードデフォールト値	(参考) 基本設定モードデフォールト値
1	7～9	受信周波数 10MHz の桁	0	-
2	0～9	受信周波数 1MHz の桁	0	-
3	0～9	受信周波数 0.1MHz の桁	0	-
4	0～F	出力レベル (許容最大周波数偏移) 設定　0 : 213.1kHz　　8 : 106.5kHz 　1 : 189.4kHz　　9 : 100.3kHz 　2 : 170.5kHz　　A : 94.7kHz 　3 : 155.0kHz　　B : 89.7kHz 　4 : 142.1kHz　　C : 85.2kHz 　5 : 131.1kHz　　D : 81.2kHz 　6 : 121.8kHz　　E : 77.5kHz 　7 : 113.6kHz　　F : 74.1kHz	0	3
5	0～F	ビット位置で以下の設定ができる [マルチパス検出モード] 　1--- : ON 　0--- : OFF [ステータス自動送信 (TxD 出力)] 　-1-- : ON (自動送信する) 　-0-- : OFF (自動送信しない) [受信帯域幅設定] 　--11 : 126kHz (隣接 300kHz 局分離用) 　--10 : 162kHz 　--01 : 198kHz (隣接 400kHz 局分離用) 　--00 : 236kHz	0	1
6	0～F	ビット位置で以下の設定ができる [STEREO/MONO] 　1--- : MONO 　0--- : STEREO AUTO [MUTING] 　-1-- : OFF (MUTING 機能無効) 　-0-- : ON (MUTING 機能有効) [S/PDIF サンプリング周波数] 　--11 : 192kHz 　--10 : 192kHz 　--01 : 96kHz 　--00 : 48kHz	0	ジャンパ設定 (普通には 0)

シリアル設定モードで使う場合の注意事項
- これまでの説明から判るように、シリアル設定モードで設定すると、[DIP-SW] [ジャンパ] [受信チャンネル LED] が実際に受信している状態と合わなくなります。
- シリアル設定モードをデバッグモードとして割り切って使うか、Tiny PC 側に全てのマンマシンインタフェースを委ねるようにすべきです。

FPGA tuner から送信するステータス文字列

ステータス文字列が送られてくるタイミングは以下です。
1. FPGA tuner がシリアル設定モードのコマンド文字列を受信した直後
  - [ステータス自動送信] の ON/OFF に関わらず、ステータス文字列が送られます。
2. [ステータス自動送信] ON に設定している時は、[STEREO/MONO 受信状態] [同調点検出] [ADC オーバーフロー] [S メータ出力 (dBf)] に変化があった時
  - ただし、この場合の FPGA tuner からの送信は2回/秒程度 (560ms) に抑えています。

受信側 (Tiny PC など) では以下のデータが受信できます。デリミタ文字を入れて必ず5文字となり、文字コードは ASCII です。

先頭からの文字番号	受信する文字 (ASCII)	データ内容
1	0～F	ビット位置で以下を示す [STEREO/MONO 受信状態] 　1--- : MONO 　0--- : STEREO [同調点検出] 　-1-- : 離調 (放送局が見つからない) 　-0-- : 同調 (放送局が見つかった) [ADC オーバーフロー] 　--1- : オーバーフロー　--0- : (正常) [S メータ出力 (dBf) の100の位] 　---1 : 1 　---0 : 0
2	0～9	S メータ出力 (dBf) の10の位
3	0～9	S メータ出力 (dBf) の1の位
4	0～9	S メータ出力 (dBf) の0.1の位
5	[CR]	デリミタ

例えば、J-WAVE (81.3MHz) を 98.5dBf, stereo で正常に受信できた場合は、「0985」[CR] が受信できます。

ドキュメント ・・・林さまから提供いただきました

接続および DIPSW 設定表
ピンヘッダおよび LED/SW 設定表
Full Coverage 改造前の性能測定結果
- 改造前の実測結果で、改造後性能との比較ができます。
Full Coverage 改造後の性能測定結果
- 本基板での実測結果で、以下の表のように高性能となっています。
  - この測定結果は、RF アンプが高周波増幅段が2段 (ゲイン 40dB) の初期段階での測定によるものです。
  - 現在は 2段目の増幅段をカットして1段増幅 (ゲイン 20dB) としており、アンテナ入力フルスケールレベルがこの表の値より 20dB 程度大きくなっています。
  - 他の特性については大きな変化はありませんが、65dBf の SN 比は 2～3dB 程度下がっています。
  - 別基板で同様の RF アンプ1段増幅 (ゲイン 20dB) での実測結果を参考に掲載します。
- 特に 20Hz～15kHz で セパレーション 80dB 以上 というのが素晴らしいです。
  - アナログ式では絶対この数字は出ません。シンセサイザー方式のデジタル表示しているチューナも受信部はアナログ式です。
  - アナログ式では 1kHz で 60dB がせいぜいで、10kHz では位相が乱れるので 1kHz より 20dB 前後劣化します。
- 歪率はアナログ式と比較すると1～2桁は良いです。凄い！！！
FPGA tuner Configuration Data
- FPGA に書き込む Configuration Data です。 jed ファイルになっています。
- 69の数字が入ったファイルが、この記事の Full Coverage FPGA FM Stereo Tuner 用です。
- 74の数字が入ったファイルが、従来版 FPGA FM Stereo Tuner 用です。

受信周波数選択ロータリ SW の変更

私の場合、FPGA tuner 基板をケースに組み込んで使っています。
- [DIP-SW] のところからリード線を引き出し、フロントパネルに設置したロータリ SW で受信周波数を選択します。
- 受信周波数が8つ選択できるようになったので、3回路8接点ロータリ SW が必要となるのですが、8接点というのは標準ではなく特注になるようです。
仕方なく1回路12接点ロータリ SW を入手しました。
- しかし、1回路しかありません。 1回路で3ビット出力するには論理回路を組む必要があります。
- エンコード IC の 74HC148 を使えば、この論理は簡単に組めます。問題はプルアップ抵抗が8本必要になり、電源の供給も必要になるので、結構大変です。
- もう1つの方法としてダイオードでエンコードする方法があります。必要なダイオード数は [3ビット] × [8状態] ÷ 2 ＝ 12本 と計算できます。ダイオードの数がこの程度であれば、電源も必要ないし、こちらのほうが楽と判断しました。
- 12接点ロータリ SW にも良いところがあります。ストッパが無いので、左右どちら向きにも無限に回せます。これは便利です。
ダイオードエンコードを回路圧縮して、もっと簡素化する。右の回路図をクリックすると pdf で拡大表示できます。
- ダイオードエンコード回路を教科書通りに構築すると、左のようにダイオードが12本必要となります。
- 最適化して回路圧縮すると、右のようにダイオード9本となり、3本も減らすことができます。
- ショットキーバリアダイオードを使います。
  - 通常のシリコンダイオードだと順方向電圧降下は VF=0.7V となり、C-MOS レベルには厳しいです。
  - アキバの秋月電子通商で買った [STM BAT43] (10本 200円) を使いました。 VF=0.3V です。
- 4ビット以上の出力ではロジック IC を使ったほうが楽です。
  - 今回は3ビット出力なので、この程度のダイオード数で済みますが、これが4ビット (16局選局) となると [4ビット] × [16状態] ÷ 2 ＝ 32本 となります。
  - 回路圧縮しても28本も必要になるので空中配線でやるのは無理です。基板に組むならロジック IC を使ったほうがスマートです。
選局スイッチユニットは、下の写真のように完成しました。
- ダイオードエンコーダは一番右の写真のように配線が混み合うので、事前にユニット製作しました。
- 3mm 厚のアルミ板が取り付けらていますが、これはロータリ SW を固定するストッパの穴をフロントパネルに直接開けるのがイヤだからです。
  - ちょっとした見栄えの問題です。コダワリとも言いましょうか・・・
  - アルミ板はフロントパネルとロータリ SW の間に挿入します。アルミ板はフロントパネルに接着します。
　　
- ちなみに・・・
  - ケースはアキバへ行かないと買えませんが、アルミ材はお近くのホームセンタで買えます。
  - おそらくアルミサッシ材と思います。アルマイト処理されているのでサビの心配がありません。
  - 板材、角材、丸材、L 材と種類や寸法も豊富です。 1m ものが200～500円程度なので、アキバより安いです。
  - 放熱器もこれで作れば安上がりです。 1m ものを1本買って少しずつ切り出して使うと個人なら数年は持つでしょう。

USB シリアルケーブルの製作

シリアル設定モードを試すために [USB シリアルケーブル] を製作しました。
- 製作と言ってもアキバの秋月電子通商で売られている FT231X USB シリアル変換モジュールを買ってきてケーブルをハンダ付けするだけです。
  - このモジュールは入出力信号レベルが [3.3V/5V トレラント] になっているので、FPGA tuner にそのまま接続できます。
  - 5V 系インタフェースにもそのまま対応できます。非常に便利なモジュールです。
- 左の写真のように、[DSR]～[DTR], [CTS]～[RTS], [SHLD]～[GND] 間をケーブルで接続し、[TXD] [RXD] [GND] をケーブルで引き出します。
  - [TXD：青線] [RXD：赤線] [GND：黒線] としました。赤線 → Red → Rxd をイメージできるように・・・
右の写真が完成した [USB シリアルケーブル] 全景です。
- マイクロ USB ケーブルを挿入して撮影しています。
- [FT231X USB シリアル変換モジュール] を熱収縮チューブで絶縁しました。
- 当たり前ですが、[USB シリアルケーブル RXD]～[FPGA tuner TxD]、[USB シリアルケーブル TXD]～[FPGA tuner RxD] とクロス接続します。
- Windows7/64bit パソコンに接続したところ、ドライバは自動的にインストールされて使用可能になりました。
- UTF-8 TeraTerm Pro というターミナルソフトで使っています。

Full Coverage 機を使ってみました

右の写真はケース組み込みの様子です。
- 選局スイッチは意図した通り、良好動作しました。やはり、グルグル左右どちらへも無限に回せるのが良いです。
- 赤い小さな基板が追加されていますが、これは S/PDIF 同軸出力回路です。詳しくは FPGA FM Stereo Tuner (2号機) の記事をご覧ください。
8局受信できるようになると、今までの弱点であった受信放送局の制限が解消されて、一般的なチューナのように使えます。我が家の放送電波環境では何の不満もなくなりました。
96kHz/24bit のサンプリングレートでフルデジタルアンプに接続して聴いてみました。
- 時報の音が澄んで聴こえます。チューナの性能が悪いかマルチパス歪が発生していると、この音ですぐに判ります。
- 音が滑らかで歪を全く感じません。聴いていてホレボレします。 イイなぁ～～
- S/N が非常に良く、セパレーション性能は放送局設備を超えていると思われ、これらの性能もあって音の解像度が非常に良く、スタジオがそっくり我が家にやってきた錯覚を覚えます。
- 趣味の FM チューナ調整のレファレンス機として高性能過ぎ・・・ 測定器ライクな超高性能マシン
我が家では電波が強過ぎるのか、アンテナ入力を F 型アッテネータで -6dB 絞る必要がありました。