つまみに触れていないのに、局が逃げる

前回の困りごと

第12回でアッテネータを入れ、強い局が作る架空の局（相互変調）を消せました。これで弱い局から強い局まで、ひとまず全部聞けるようになったはずです。ところが、999 kHz の局に合わせて 10 分ほど聞いていると、声が少しこもってきます。さらに放っておくと、ひずみが出て、最後は雑音だけになりました。つまみには触れていません。選局し直すとまた聞こえる。でも、しばらくするとまた逃げる。受信機の中で、何かがゆっくり動いているのですね。

疑うべきは第5回で作った局部発振器です。あの発振器はコイルとコンデンサで周波数を決めていました。コイルもコンデンサも、温度が上がると値がわずかに変わります。受信機の電源を入れて箱の中が温まると、発振周波数が少しずつ動きます。「少し」で済むのかどうか、今日はまず数字で確かめましょう。

予想してから、1つ足す

局発が 1,454 kHz から 1 kHz 下がって 1,453 kHz になったとしましょう。ミキサの出力は差の周波数ですから、IF は 1,453 − 999 = 454 kHz になります。IF フィルタは 455 kHz を中心に、第7回で決めた幅 6 kHz（452〜458 kHz）を通します。搬送波は 454 kHz ですから、まだ中にいますね。でも側波帯はどうでしょう。音声上限 3 kHz なので、下側波帯は 451〜454 kHz。452 kHz より下の部分、つまり音声の 2〜3 kHz に当たる成分が、片側だけ削られます。声が「こもる」のは、こういう状態です。

ずれが 3 kHz になると搬送波そのものがフィルタの肩にかかります。包絡線検波は搬送波と側波帯の比で音を作りますから、搬送波が削られると、ひずみが急に増えます。さらにずれれば、信号ごとフィルタの外に出て、残るのは雑音だけ。前回までの受信機は、ここまで来ていたわけです。では、どう直すか。予想してみてください。「IF フィルタを広げる」「局発をこまめに合わせ直す」「局発を温度で動かないものに替える」。今日足すのは三つ目です。ただし、動かない発振器をそのまま局発にはできません。局発は選局のたびに周波数を変える必要があるからです。そこで、動かない発振器を「基準」として置き、可変の局発を基準に照らして戻し続ける仕組みを作ります。

動かしてみる

シミュレータの局部発振器に「温度」のスライダーが現れます。まず基準も PLL も切った状態で、温度を 20 ℃から 40 ℃までゆっくり上げてみましょう。局発の周波数表示が 1,454.00 kHz から下がりはじめ、40 ℃で 1,451.1 kHz になりました。差は 2.9 kHz。相対誤差で言えば約 2,000 ppm（0.2 %）です。コイルとコンデンサで作った発振器としては、むしろ普通の値です。IF フィルタの入力を見ると、455 kHz の中心にいたスペクトルの山が、温度と一緒に左へ滑っていきます。456 kHz 側の側波帯は残り、452 kHz 側の側波帯が先に削れ、最後は搬送波が肩に乗る。耳で聞くと「こもる → ひずむ → 消える」の順で、予想どおりでした。

次に「基準発振器」を入れます。これは水晶振動子で周波数を決めた発振器で、ここでは 10 MHz です。同じ温度スライダーを動かしても、表示は 10,000.00 kHz から 10,000.05 kHz くらいしか動きません。相対誤差で 5 ppm。先ほどの 2,000 ppm とは 400 倍の差です。ただし 10 MHz 固定ですから、これを局発に直接は使えません。そこで PLL を「入」にします。局発の出力を 1,454 分の 1 に分周し、基準の 10 MHz を 10,000 分の 1 に分周した 1 kHz と、位相比較器で比べます。差があれば局発の制御電圧を動かし、差がなくなる所で止まる。この状態を「ロック」と言います。

PLL を入れたまま、もう一度温度を 20 ℃から 40 ℃へ上げてみましょう。局発の表示は 1,454.00 kHz のまま、最後の桁が 1,454.01 kHz に揺れる程度です。制御電圧の観測点を見ると、こちらは温度と一緒にじわじわ下がっていきます。つまり、コイルとコンデンサは今もずれようとしているのに、PLL が制御電圧でそれを打ち消し続けているのですね。IF のスペクトルは 455 kHz の中心を動かず、30 分たっても声はそのままでした。

名前をつける

周波数が時間とともにどれだけ動くかを「周波数安定度」と呼びます。試験では受信機の性能の一つとして、「周波数と強さが一定の電波を、再調整せずに長時間受信し続けられる能力」という言い方で出てきます。今日の体験そのままですね。ずれの大きさは Hz でも言えますが、1,454 kHz の 1 kHz と 10 MHz の 1 kHz では重みが違うので、元の周波数で割った相対値で表すのが普通です。単位は ppm（100 万分の 1）。

ここで一つ、はっきりさせておきたいことがあります。PLL は「周波数を安定にする魔法」ではありません。PLL がしているのは、可変の発振器を基準発振器の安定度に「そろえる」ことです。ロックしている間、局発の周波数は基準の周波数の整数倍に固定されます。

最後に、安定度と選択度の関係を見ておきましょう。第7回で IF フィルタを狭くすると隣の局に強くなる、と学びました。でも今日の実験では、狭いフィルタほど局発のずれに弱いことも分かりました。幅 6 kHz なら 1 kHz のずれで「こもる」程度ですが、もし幅 3 kHz のフィルタだったら、同じ 1 kHz で搬送波が肩に乗ってしまいます。鋭い選択度は、安定な局発と組になって初めて使えるのです。実際の受信機で IF フィルタを狭くできるようになったのは、局発が水晶と PLL で安定になったからでもあります。

試験ではこう出る

今日の結果

次回は、第2回から使い続けてきた包絡線検波器に、もう一つの検波器を並べます。搬送波を自分で作り直して掛け算する「同期検波」。周波数が合っているのにひずむ声の正体と一緒に、検波器の得意・不得意を聞き比べます。

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。