受信機の中に、もう一つの波を作る

前回の困りごと

第4回で、検波器の手前に同調回路を入れて、直接検波ラジオができました。999 kHz の希望局がはっきり優勢になり、ひとまず「聞きたい局を選ぶ」ことができましたね。ところが、つまみを回して別の局に合わせると、選びやすさが局ごとに変わってしまいました。同調回路の帯域幅は、共振周波数を Q で割ったものです。同じ Q のまま共振周波数を 999 kHz から 1,500 kHz に動かすと、帯域幅も 1.5 倍に広がります。Q を上げれば鋭くなりますが、コイルの損失には限りがあり、しかも周波数を変えるたびに特性が変わる回路を、何段も揃えて同時に動かすのはとても大変です。

ここで、発想を少し変えてみましょう。「選局の仕事を、いつも同じ周波数でやれないだろうか」。どの局を聞くときも、鋭いフィルタは 1 か所に固定しておいて、受信した波のほうをそこへ運んでくる。そのための第一歩が、今日足す部品です。

予想してから、1つ足す

今日足すのは、受信機の中で自分の波を作る回路です。アンテナから来る波とは別に、受信機が自分で正弦波を 1 本作ります。さて、ここで予想してみてください。この回路を足すと、スピーカーから出る音はどう変わると思いますか。大きくなる、混信が減る、それとも何も変わらない。答えを決めてから先へ進みましょう。

図を見てください。既設の経路は「アンテナ → 同調回路 → 検波器 → AF 増幅 → スピーカー」のまま変えません。新しい発振器は、その経路の外に置いて、出力を観測端子 B につなぐだけです。発振器とは、外から信号を入れなくても、一定の周波数の交流を作り続ける回路です。増幅器の出力の一部を入力へ戻す「帰還」で動き、周波数はコイルとコンデンサの共振回路や、水晶振動子で決まります。今日のシミュレータでは、周波数つまみ 1 つで出力周波数を変えられる発振器を使います。

動かしてみる

まず観測端子 A（アンテナ入力）と B（発振器出力）の波形を並べて見ます。A には第1回からおなじみの 999 kHz の AM 波が来ています。細かい振動の外側を、声に合わせて包絡線がゆっくり動いていますね。B には 1,454 kHz の正弦波が出ています。振幅はずっと一定で、包絡線は平らな直線です。声の情報は何も載っていません。周波数が高いぶん、同じ時間幅に入る山の数が A より 1.5 倍ほど多いことも確かめておきましょう。

次にスペクトルで見ます。A の成分は 999 kHz を中心に、左右 3 kHz までの側波帯がついています。B は 1,454 kHz に 1 本の線だけです。この 2 本の間隔を測ると、ちょうど 455 kHz。この間隔を、今日から受信機の約束にします。

ここで、同調回路のつまみと発振器のつまみを連動させてみましょう。希望波を 1,000 kHz にすると、発振器は 1,455 kHz。594 kHz の局に合わせると 1,049 kHz。1,620 kHz の局なら 2,075 kHz。局を変えても、2 本の線の間隔はいつも 455 kHz に保たれます。実際の受信機では、同調用と局発用の 2 連バリコンを 1 本の軸で回して、この連動を機械的に実現していました。

最後に、スピーカーの音を聞きます。発振器を入れる前と後で、音量も混信も、何も変わりません。予想は当たりましたか。正解は「何も変わらない」です。がっかりした人もいるかもしれませんが、これは失敗ではありません。発振器はまだ信号の経路につながっていないので、受信波は発振器の存在を知らないのです。今日の実験で確かめたのは、「受信機の中に、受信波とは独立な基準の波を、望んだ周波数で安定して置けること」です。この基準があるからこそ、次回の変換ができます。

名前をつける

今日足した回路を、局部発振器と呼びます。英語の local oscillator を略して LO とも書きます。「局部」は「受信機の中にある、自前の」という意味です。送信所の電波と区別するための言葉で、放送局の「局」ではありません。局部発振器が出す周波数と、聞きたい局の周波数の差を、中間周波数と呼びます。この差は受信機の中であらかじめ決めてある値で、中波の AM ラジオでは 455 kHz が長く標準でした。

差が 455 kHz になる置き方は、実は 2 通りあります。受信周波数より高い側に置く「上側局発」と、低い側に置く「下側局発」です。999 kHz の局なら、下側は 544 kHz になります。この教材では上側を使います。理由は可変範囲です。中波の放送帯 526.5〜1,606.5 kHz を全部カバーするとき、上側局発は 981.5〜2,061.5 kHz で、最高と最低の比はおよそ 2.1 倍です。下側局発だと 71.5〜1,151.5 kHz で、比は約 16 倍になります。発振周波数は LC の積の平方根に反比例するので、周波数比 2.1 倍ならコンデンサの容量比は約 4.4 倍で済みますが、16 倍の周波数比には容量比 256 倍が必要です。1 つのバリコンでは作れません。

発振器が「勝手に」振動を続けられる条件も、名前をつけておきましょう。増幅器の利得を A、出力から入力へ戻す帰還回路の割合を β とすると、一周して戻ってきた信号が元と同じ大きさで同じ位相のとき、入力なしでも振動が続きます。

試験ではこう出る

今日の結果

次回は、この 2 本の波を周波数混合器に入れます。「混ぜる」は足し算ではなく掛け算でした。999 kHz の AM 波が、声の輪郭を保ったまま 455 kHz へ引っ越す瞬間を見ます。

この回で解けるようになる問題

本文の「例題No.」は公益財団法人日本無線協会が公表している CBT 方式の国家試験の例題、「過去問」は同協会の公表試験問題です（日本無線協会 試験問題。同協会の利用条件に基づき掲載）。「オリジナル」は当サイトの作問です。