SDR presentation @MLA48, Yokohama Midori ham club meeting

1. ソフトウェア無線入門
～SDRでハムの世界はどう変わる？～
Sept 24th, 2016
JP1HUJ 大山 浩司
email: jp1huj@jarl.com, infblue1218@me.com twitter: @Koji_Oyama
Facebook: https://www.facebook.com/koji.oyama.77/
QRZ.com: http://www.qrz.com/db/JP1HUJ
FlexRadio製品・SDR技術友の会
https://www.facebook.com/groups/flexradio.ja/
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2. 自己紹介
 名前: 大山 浩司 (おおやま こうじ)
 JP1HUJ, AI7HU
 略歴
 1969 茨城県結城郡(現常総市)に生まれる
 1980 無線・電子回路に興味を持つ @小学校5年生
 1982 電話級アマ免許取得 @中学1年生
 1983 JP1HUJ開局 (6m SSBメイン)
 1988 上京 (狭いアパート暮しのためQRT) 八王子小金井川崎
 1994 経営工学・コンピュータ工学を学び電気メーカ就職
 2003 ネットワーク系ベンチャー会社 ⇒ 半導体商社に転職
 2009 ハムにカムバック (CW, HF, DX)  3アマ・2アマ・1アマ取得
 2012 FCCライセンス取得 KF7QCZ (General)  AI7HU (Extra)
 2014 SDRに興味を持ちFLEX-6300購入
 2016 FlexRadio製品・SDR技術友の会設立・ハムフェア出展
第2次ショック
第1次ショック
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3. 無線・電子回路興味のきっかけ
 ラジオ
 中波・短波放送 BCL
 AMラジオキットの制作
 おもちゃトランシーバー
 学研ラジホーン
 ミニFMラジオ局(ごっこ)
 第1次ショック期
 ラジオの電波と光って同じ仲間!?
松下電器 World Boy GXO RF-848
※ラジオ工房から画像引用
学研トランシーバー ラジホーンGX-3D
※ヤフオク! 掲載記事から画像引用
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電波と光
※シーシーエス(株) Web連載から画像引用
第1次ショック
プリズムと分光
※LASER QUEST Blog記事から画像引用

4. SDRへの興味のきっかけ
 FlexRadio Systems社FaceBook groupページ
 Advocate Marketingへの興味が始まり
 YouTube Videoを見ていたら”欲しい”欲求がMAX
 “今までのリグとは何か違うぞ!” “触らなけりゃ分からん!”
 つい真夜中にOnline Shopでポチっと・・・
 Great Scott Gadgets社 HackRF One Lessonビデオと
GNU Radioの出会い
 SDRの中身をより知りたいと思ったきっかけ
 昔作ったラジオが”ソフトウェアGUI上で作れる!”という驚き
 無線機アーキテクチャが大きく変わる変革期!?
第2次ショック
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5. 本日の概要
 背景
 世界のトップコンテスターやDXペディションに、米
FlexRadio社のSDRトランシーバがよく使われるよう
になった
 ICOM社もIC-7300をはじめ、今後のトランシーバに
ダイレクトサンプリング型のSDR技術を積極的に導
入するよう
 目的
 ソフトウェア無線(SDR)によって、これまでと何が変
わるのか、なぜ注目されているのかを、SDR技術概
要とデモも交えながら紹介
 後日SDRを勉強するきっかけ、題材を提供
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6. お題目
 SDRとは – introduction
 ダイレクトサンプリング
 ダイレクトサンプリングの特徴
 ダイレクトサンプリング受信機構成
 ダイレクトサンプリング送信機構成
 デモ： ダイレクトサンプリング・トランシーバ
 運用スタイル例: FLEX-6300 + CWSkimmer
 参考文献
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7. ソフトウェア無線？SDR？
 ソフトウェア無線
 = SDR (Software Defined Radio)
 Wikipedia https://ja.wikipedia.org/wiki/ソフトウェア無線
 電子回路（ハードウェア）を変更することなく、
 制御ソフトウェアを変更することによって、
 無線通信方式を切り替えることが可能な無線通信、
 またはその技術
 応用分野： 携帯電話・携帯基地局・WiFi・デジタルTV
 軍事
 アマチュア無線： 業務用技術のコモディティ化の恩恵
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8. SDR普及の背景
 半導体技術の発展: CMOS IC技術
 ADC/DAC, FPGA, DSP, CPU
 廉価なデバイスをConsumer製品で利用できるようになった
 特に14bit-16bit 200～300MSPSのADCや
数Mgate規模のFPGA： 数万円から数千円のレベル
 HF/6mならばサンプリング可能: 54MHz*2 = 108MHz (<200MSPS)
 サンプリング定理: ２f よりも高い周波数でサンプリング
 2fよりも低い周波数では、fの波形を完全再構成ができない
 200～300MHzの内部クロックでFPGAが動作可能に
 多くの変調方式： ベース部分(PHY/MAC)のプラットフォーム化
 携帯電話・デジタルTV: 仕向け地によって異なる変調方式
 2.4GHz帯: WiFi, bluetoothなど様々な規格
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9. いろいろな意味のSDR
 SDRという言葉をよく聞くようになった： 整理が必要
 RTL-SDRドングル: RTL2832U+PC： 広帯域, エアバンド, GNURadio
 業務用： 携帯電話・携帯基地局・WiFi： 仕向け地変調対応
 アマチュア無線： HF/6m/(2m) トランシーバー
 何を・どこまでソフトウェアで実現しているかによって、
機能・性能が異なる
 アナログ・デジタル
 アナログ無線機： 真空管・トランジスタ
 DSP無線機、SDR無線機： ADC/DAC, FPGA, DSP/CPU, PC
 周波数変換方式
 ヘテロダイン
 ダイレクトコンバージョン
 ダイレクトサンプリング
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10. ヘテロダイン
 1918年: 米Edwin Howard Armstrong氏考案
 三極真空管の高周波特性を向上させる目的
 中間周波数(IF)で十分な増幅度を得る
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11. IC-7600: ヘテロダイン・DSP無線機
 IF: 中間周波数に変換して増幅
 DSP: サウンドカードの帯域まで下げてからデジタル処理
 安価なサウンド用IC・DSPを活用
© 2016 Koji Oyama ※参考資料3から引用

12. FLEX-5000: ダイレクトコンバージョン
© 2016 Koji Oyama ※参考資料3から引用

13. FLEX-6000: ダイレクトサンプリング
 HF/6mの帯域をまとめてサンプリングして入力
 一気に入力した信号をソフトで加工して使う
 ソフトウェア上に仮想の無線機を何台も置ける
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FPGA
※参考資料3から引用

14. FLEX-6000: 無線機アーキテクチャ
※参考資料3から引用
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15. アナログ混合器・周波数変換
 f1とf2を混合すると(f1+f2)と(f1-f2)の信号
 f1 x f2
5Hz
3Hz
Filter
8Hz, 2Hz
2Hz
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16. デジタル混合器（直交変換・回転演算）
 回転演算(ac+bd, ad-bc)で直接周波数変換
 周波数up: (ac-bd, ad+bc)
5Hz
3Hz I/Q
2Hz I/Q
5Hz I/Q
© 2016 Koji Oyama ※参考資料1から引用

17. デジタルになると何が良いの？
 数値演算による周波数変換（デジタル直交ミキサ）
 イメージ混信がない
 データをEthernet上で伝送しやすい
 リモート環境
 部品点数が減らせる
 無線機購入後のソフトupdateにより機能が持続的
に向上
 変調方式が後から入れ込みやすい
 デジタルフィルタで特性のよいフィルタが用意の作
成可能
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18. デジタルならばすべて良い？
 無線機の立上りが遅い
 処理のLatency (遅延)がかかる
 受信
 FLEX-6300(direct sampling): 69mS(本体), 378mS(LAN)
 TS-590(ヘテロダイン/DSP): 16.5mS
 FT-101ZSD(ヘテロダイン/アナログ): 3.15mS
 送信
 FLEX-6300(direct sampling): 12.7mS(本体), 29.0mS(LAN)
 TS-590(ヘテロダイン/DSP): 10.7mS
 新たな技術的課題
 I/Qミスマッチ, DCオフセット(信号ひずみ/増幅器の飽和)
 2次ひずみ, 1/fノイズ（フリッカーノイズ） など
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19. 突然ですが・・・タイトル変更
 ソフトウェア無線入門
 ～SDRでハムの世界はどう変わる？～
 ダイレクトサンプリング無線入門
 ～ダイレクトサンプリングトランシーバで
ハムの世界はどう変わる？～
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20. ハムの世界はどう変わる？
 HF/6m/(2m)の広帯域を一気にモニタ
 CWならSkimmer・Reverse Beacon Networkと組み合わせ
れば、だれがどこに出たかがW/Wでモニタ可能
 無線機のダイレクトサンプリング化は当面の流れ
 運用の仕方は各ハムオペレータの好み（取捨選択が可能）
 無線機が変わったからそれに従う必要はない
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この世界がよいかどうかは別な話
ハムの世界の選択肢が増えた
ただしWorldWideのコンテストで勝負したいのならば
敵をよく知らないと勝てません

21. SDR無線機はコンパクトになる？
 受信機は小さくできる
 送信機は小さくならない
 以下の部分の大きさは変わらない
 パワーアンプ(PA)
 アンテナチューナ(ATU)
 バンドパスフィルタ(BPF)
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22. ローカル運用
 FLEX-6300 + Windows PC
 PC: SmartSDR + SDR-Bridge + CW-Skimmer
SmartSDR
DAX Control
SmartSDR CAT
SDR-Bridge
CW-Skimmer
DAX IQ
SSCAT
GbE or WiFiGbE
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23. リモート運用(LAN)
 FLEX-6300 + Maestro + Windows PC
 PC: SmartSDR + SDR-Bridge + CW-Skimmer
 Possible for remote control
DAX Control
SDR-Bridge
CW-Skimmer
DAX IQ
GbE or WiFi
GbE
Maestro
(SmartSDR)
DAX Audio
SSCAT
Contest Logging Tools
Auto CW Key Control
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24. リモート運用(VPN)
DAX Control
SDR-Bridge
CW-Skimmer
DAX IQ
DAX RX Audio
GbE or WiFi / LAN
VPN
Maestro
(SmartSDR)
IQ streams
Audio streams
SSCAT
Contest Logging Tools
Auto CW Key Control
GbE / LAN
Internet
 FLEX-6300 + Maestro + Windows PC
 PC: SDR-Bridge + CW-Skimmer w/Logging tools
 decode CW sigs, control FLEX-6300, generate CW sig, log QSOs
 Remote control shack
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25. デモ： FLEX-6300 + CWSkimmerの世界
ローカル再生
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26. デモ： SdrStudy
 入力信号を聞いてみる
 SdrStudyでデジタル混合・選局
入力16bit-16KSPS信号
SdrStudy実行
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27. 今後の期待
 安価で高性能なダイレクトサンプリング・トラン
シーバの登場
 ダイレクトサンプリングに適したアンテナの登場
 受信：
 無指向性
 広帯域で感度よい
 送信：
 指向性
 マッチングが簡単に取れる
 飛びがいい
 シンプルで小型
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有識者のご意見を
伺いたく・・・
現状解：
・マルチバンド八木
・HEX beam ・・・など
⇒ 受信は無指向にしたい

28. 宣伝：
 SDRにご興味のある方はぜひ
 FlexRadio製品・SDR技術友の会にご参加ください
 FaceBook Group: 現在会員21名
https://www.facebook.com/groups/flexradio.ja/
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• 会費なし
• 来る者拒まず
• 去る者追わず
• 今後勉強会実施予定
(Online, Offline)

29. まとめ
 概要説明
 ソフトウェア無線/SDR
 ダイレクトサンプリング無線機
 ダイレクトサンプリング無線機の運用イメージ
 デモ： 広帯域受信 ・・・だれがどこにいるか自動判断
 SDRに興味を持ったらば
 独自に勉強： チュートリアルの題材
 FlexRadio製品・SDR技術友の会に入会・勉強会参加
 新たな技術開発：
 独自に無線機開発、周辺機器開発、アンテナ開発 etc.
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30. 参考文献
1. 中本: “特集:らくらく! SDR無線機入門”, RFワールド No.22, pp7-76, 2013年5月
http://www.rf-world.jp/bn/RFW22/RFW22A.shtml
2. 東原: “CMOS RF回路設計入門”, 日経テクノロジーオンライン, 全9回, 2010年8月
～10月 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/LECTURE/20100804/184797/
3. FlexRadio Systems: “FlexRadio Overview – Software Defined Radios”, 2014年
11月 http://www.nsarc.ca/hf/flex_overview.pdf
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【さいごに】： 注意書き
本資料のなかの記載には間違った認識のものも含まれている可能性があります。
私自身まだまだSDR・ソフトウェア無線については素人であり、勉強中でありますので、
お気づきになった点はどしどしご指摘いただきたいと思います。
表紙の連絡先までお気軽にお問合せください。 de JP1HUJ 大山

31. Technology is the only way
to make things simpler
ご清聴ありがとうございました
Thank you
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