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2015年11月23日 (月)

JJY受信機で作る高精度発振器と時刻標準 - はじめに

JJYの受信機を作りたいと書いてからもう2年以上も経ちました。2年の間に知識や経験を積んだのでそろそろ製作に入ろうと思います。

JJY受信機の製作記事はたくさんあります。

  JJY受信機/電波時計の製作記事を集めてみた

私は少しはユニークなものを目指したいと思います。

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目的は次の二つです。

JJYの40kHzとPLLでVCTCXOをロックして10e-10程度の高精度の発振器を作る。
要するに「VCTCXO/VM39S5G+GPS/TIMEPULSE+PLLで0.01Hzの周波数偏差をめざす」の一桁上を目指します。電波が安定していればいけそうな気がするのですが....

正確な時刻を知る。これは±数μ秒を目指します。かなり弱気ですがこれでも実現は難しいかもしれません。

  <== じつはこれは強気すぎました。現実は±1m秒あたりが限界だと思います。
     
数μ秒というのは誤解に基づくものです。詳しい事情は
       
JJYの秒信号の送出方法についてNICTに聞いてみた
     にあります。

これは「電波時計モジュールが「使えない」理由」に書いたように電波時計モジュールが期待外れだったので自分で作ったらどこまで精度があげられるか確認しようという点とGPS受信モジュールがほんとうに正確なのか確かめられるだけ確かめてみようということです。

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こういう方式を考えています。
Bd01_2
現時点(2015.12.21)ではプロダクト検波の入力はVCTCXOの出力を分周したものではなくBPF(クリスタルフィルター+コンパレータ)の出力を使っています。PLLが完全にロックできておらずVCTCXOの位相ノイズが大きい一方BPFの出力が比較的安定しているためです。

なおBPFの出力ではなくVCTCXOの出力を分周したものを使うことにしていた理由はBPF(+コンパレータ)の出力のデューティー比を完全に一定にできないのではないかと思ったからです。

------

JJYはいわゆるCWですがスペースのところでも(出力は1/10 1/100になるものの)電波は出ているので連続波です。これを十分増幅した上でBPFを通し振幅の安定した40kHzにします。あとはGPSのときと同じようにPLLでVCTCXO・VM39S5Gをロックします。
GPSのときは1kHzでしたが今回は40kHzなので位相の変化が検出しやすくなるはずです。だから一桁精度を上げられるのではないかとの皮算用です。

電波時計用受信モジュールの時刻信号があんまり正しくないのはおそらく狭帯域のフィルターやAGCに原因があるのではないかと思っています。
だから受信した信号を増幅するだけにしてプロダクト検波で信号強度を直接取り出します。こうすれば正秒を示す出力が55%になったところを正確にとらえられるのではないかという目算です。ただ正確とは言っても40kHzですから時間分解能はたいしたことはないと思います。弱気の目標なのはそれが理由です。

なおプロダクト検波はせっかくなので 「回路と動作確認 - 四象限アナログ乗算器(マルチプライヤー)EL4083の使い方 - 2」で作ったアナログ乗算器を使う予定です。

上のブロックダイヤグラムの中で作っていないものは100dBあるいはそれ以上の増幅率のAC増幅器とBPFです。BPFはクリスタルフィルタということになるのだと思いますが、まず状態変数型フィルタでどの程度やれるか試してみたいと思っています。

次の記事 「JJY受信機を作る - バーアンテナとその特性

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関連


  「JJY受信機/電波時計の製作記事を集めてみた
    (ググッて集めたJJY受信機電波時計の製作記事集)


  「
JJY受信機で作る高精度発振器と時刻標準 - はじめに

  時刻
  「
時刻標準について
  「GPS受信モジュールあれこれ

  標準電波JJYの仕様
  「
JJYの報時信号の送出方法
  「JJYの秒信号の送出方法についてNICTに聞いてみた
  標準電波JJY - 変調波振幅の「最大100%、最小10%」の意味
  (非公式)JJY(標準電波/電波時計)の呼び出し符号(コールサイン)送出方法
  参考
    通信総合研究所季報Vol.49 Nos.1/2 2003 - 栗原則幸 - 5-3 長波標準電波

    旧記事
    「
JJYの受信法
    「
JJYを受信したい(要旨)
    参考
      「
NICT 情報通信研究機構 - 電磁波計測研究所 - 時空標準研究室
            -
日本標準時グループ

  JJYの運用

  「標準電波・長波JJYが停波するとき
  毎日送信してほしいJJY(標準電波/電波時計)の試験電波
    参考
    「
NICT 情報通信研究機構 - 日本標準時グループ 標準電波運用状況

  長波JJYの性質(電界強度等)
  「JJYの電界強度と受信機の必要利得(増幅率)
  難航するJJY電界強度時間変化の測定
  「JJYの電界強度の時間変化に見る電離層の秘密
  「
標準電波JJYの電界強度の時間変化を測ってみた(1)
  「
標準電波JJYの電界強度の時間変化 - 電波時計をいつ合わせたらいいか

  「GPS受信モジュール1PPS出力タイミング変動の高精度測定の方法を考えてみた
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“ガセ”だったGPS受信モジュールの1PPS出力タイミングの違い

  「JJY搬送波の周波数をGPS/1PPSで測ってみた
  JJYの40kHzの電波をボイスレコーダーに録音してみた

  「
JJY受信機を作る - すでに40kHzのキャリア(連続波)を検出できてるっぽい
  「JJY受信機を作る - JJYの電波がつかめた!

  参考
     
NICT 情報通信研究機構 - 日本標準時グループ  -  標準電波に関するQ&A
     「
NICT - 日本標準時グループ - 長波標準電波の電界強度予測値
     
NICT - 日本標準時グループ - 長波標準周波数(JJY)小金井本部 受信データ
     「
NICT - 日本標準時グループ  - ライブラリー他 - Field Strength Pro Ver1.0

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  「
JJY受信機を作る - バーアンテナとその特性
  「
JJY受信機を作る - アンテナとプリアンプ
    参考
    「
RFワールド - ラジオで学ぶ電子回路
         - 第1部 ラジオのための基礎 第1章 ラジオの電波

  クリスタルフィルター

  「クリスタルフィルターの効果を目と耳で確かめる - JJY受信機を作る
  JJY受信用40kHzクリスタルフィルタのその後
  「JJY受信機を作る - 40kHz/60kHzクリスタルフィルターの功罪
  「JJY受信機/電波時計用クリスタルフィルターの設計
    参考
    JA9CDE自作を楽しむホームページ  - クリスタルフィルタ設計製作1

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JJY受信機を作る - 状態変数型フィルタの周波数特性
    参考
    「
群馬大学 KobaLab@JP - 発振を利用したアナログフィルタの テスト・調整

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JJY(標準電波/電波時計)に同期したTCXO(VM39S5G)の周波数安定度」 

  
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  「四象限アナログ乗算器(マルチプライヤー)EL4083の使い方 - 1
  「平衡変調器で直流をボイスレコーダーに記録する - JJY・GPSの秒信号
  「GoldWaveとawk(gawk)でボイスレコーダーの記録・音声をExcelのグラフにする
    参考
    「
JR7CWK - 長波JJY受信機の制作

  電波時計モジュール
  「JJYを受信する(訂正あり)
  「
電波時計モジュールを使ってみた(1)
  「
電波時計モジュールを使ってみた(2)
  「
電波時計モジュールが「使えない」理由
    参考
    「Quiita - FreeBSDの時間(VDSOのこと、時間の仕組み、ppsの仕組み、JJY)
    具体的、実用的な内容です。JJYの受信(電波時計モジュールの利用法)についても詳細な説明や充実した参考リンクがあります。

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コメント

アンテナも自作されるのですね(≧∇≦)
ループアンテナかスパイダーでしょうか?

ループアンテナを作る計画はあるのですが、最初はバーアンテナを使うつもりです。
軟弱ですみません (^^;;

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