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

目と耳でクリスタルフィルターの効果（とデメリット）を確かめられるような動画を作ってみました。
JJY（おおたかどや山送信所 40kHz）のコールサインを含む23秒の受信結果です。

JJYの秒信号とコールサイン23秒間の聞き比べ

いずれもクリスタルフィルタのあとにプロダクト検波が入り約１ｋHzを出力しています。BPFというのは出力後GoldWaveのスペクトラムフィルターを適用したものです。
（「音で聴くJJY受信機 - プロダクト検波による復調」）

今回はスピーカー・マイクではなくボイスレコーダーへ直接録音しています。

A. クリスタルフィルターなし
B. クリスタルフィルターなし＋500Hz-2kHz BPF
C. クリスタルフィルター(1)
D. クリスタルフィルター(1)＋500Hz-2kHz BPF
E. クリスタルフィルター(2)




クリスタルフィルター(2)の効きはすごいです。23秒間ごく一部を除いてキャリアがあることがはっきりわかります。JJYのコールサインはそれとわかっていてやっと聞き取れるくらいです。

“23秒間....キャリアがあることがはっきりわかります”は書きすぎでした。結果的にキャリアが途切れない、というような意味です。

一方クリスタルフィルターなしはノイズが多いです。でもそのかわりいちばん歯切れがいいです。

受信機を作るとすれば目的によって次のような方針で行こうと思います。

1. 周波数標準用

　　パスバンドが狭いほど良好な結果になるはずです。
　　クリスタルフィルタ(2)よりさらに選択度を上げます。
　　(2)のあと増幅して(1)を使うというような方向で検討したいと思います。

2. 時刻標準用

　　クリスタルフィルタは使わずアクティブフィルターでがんばった方がよさそうです。
　　パスバンドが広いBPFが必要です。
　　クリスタルフィルタで実現するのは難しそうです。

3. 電波時計用

　　クリスタルフィルタ(1)くらいの感じでいいんじゃないでしょうか。
　　検波した後LPFも入れるわけですからこの動画よりもっといい状態になります。
　　実際市販の電波時計もそうだと思います。

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全体的な構成は前記事に書いたのですが、クリスタルフィルタの部分は次のような回路を使っています。

R5が500kになっていますが、これは両方とも一桁大きすぎると思います。クリスタルフィルター(1)の方（あるいはこれにコンデンサを加えた形）は周波数がクリスタルの直列共振周波数で決まります。必要とするクリスタルが入手できないと手の打ちようがないように思えます。
クリスタルフィルター(2)の方はコンデンサで周波数を多少上の方に変化させることができるので今回のようなケースでも使えます。ただいくらでも変化させられるわけでもないしコンデンサの容量に応じて特性も変化してしまうのでどんなクリスタルでもいいということにはなりません。回路定数によっては損失が大きくなり、今回の場合は後段の072Dでその分を補っています。

後から考えると上の回路定数はちょっとおかしいような気がするのですがただどちらもそれなりにフィルターとして動作していたので、下に書いた水晶振動子の特性自体間違っているのかもしれません。

　　　　「JJY受信機/電波時計用クリスタルフィルターの設計」

手元にあるクリスタルがどちらもfs=39.997kHzくらいだったのでいずれにしてもちゃんとしたフィルターを作るのは苦しいような気がします。

fsがほんのちょっと高い水晶発振子があれば楽そうに思うのですが発振周波数が40kHzということはfsはそれより低い周波数でなければならないわけでいっぱい買ってきて選別という手も使えそうにないような気がします。ATカットの水晶振動子だったら特注品を作ってくれるとこもあるようですが、音叉型はそういうのはないようです。

40kHzのクリスタルフィルターを作っているところも見つけたのですが、値段を聞くのがこわくて問い合わせもしていません。

そもそもクリスタルフィルターの設計がよくわかっていないので正直何がいいのか悪いのかの判断もできません (^^;;

クリスタルの特性は

　　Cp = 15pF
　　fs = 39.997kHz
　　fp = 40.010kHz
　　Rs = 35k

として考えていますが、この数値自体かなりあやしいです。そのうちちゃんと測りなおそうと思っています。

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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」

　　「JJY受信機で作る高精度発振器と時刻標準 - はじめに」
　　「JJY受信機を作る - JJYの電波がつかめた！」
　　「JJY受信機を作る - アンテナとプリアンプ」
　　「JJY受信機を作る - 続・アンテナとプリアンプ」
　　「JJYの電界強度と受信機/電波時計の必要利得（増幅率）」
　　「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」
　　「標準電波JJY - 変調波振幅の「最大100%、最小10%」の意味」
　　「JJY受信機を作る - 40kHz/60kHzクリスタルフィルターの功罪」
　　「音で聴くJJY受信機 - プロダクト検波による復調」
　　「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」
　　「標準電波・長波JJYが停波するとき」
　　「JJY搬送波の周波数をGPS/1PPSで測ってみた」
　　「標準電波にVCTCXO・VM39S5GをPLLで同期してみた - 長波JJY受信機の製作」
　　「高精度発振器の作成に向けて - VCTCXO・VM39S5GをPLLでJJYにロックする」
　　「JJY受信機/電波時計用クリスタルフィルターの設計」

　　時刻
　　「時刻標準について」

　　JJY
　　「JJYの報時信号の送出方法」
　　「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 」

　　PLL
　　「高精度発振器をGPS受信モジュールとPLLで作る - はじめに」

　　アナログ乗算器
　　「四象限アナログ乗算器(マルチプライヤー)EL4083の使い方 - 1」

　　アンテナ
　　「JJY受信機を作る - バーアンテナとその特性」

　　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
　　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 」

　　状態変数型フィルタ
　　「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 」

　　JJY受信機
　　参考 「JR7CWK - 長波JJY受信機の制作」

補足

　　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」

　　「GPS受信モジュールあれこれ」