第18回【Nゲージ】ラジオICを使ったビデオ送信回路【懐かしの電子工作】｜2019年3月号

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第18回【Nゲージ】ラジオICを使ったビデオ送信回路【懐かしの電子工作】

JP3DOI　正木潤一

2011年7月24日(*1)、地上波アナログTV放送が終了してデジタル放送に移行しました。TV放送が開始されてからおよそ60年、1つの区切りを迎えたことになります。実は、このことは我々の電子工作にとっても区切りとなりました。

というのも、それまでのアナログTVは映像がAM波なので、TVの空きチャンネル周波数を発振させて映像信号でAM変調を掛ければ、それをTVで受信することが可能だったのです。そういった回路をビデオトランスミッターと呼んでいました。TV受信機がデジタル方式に変わると、ビデオトランスミッターは使えなくなりました。

アナログTV放送の終了から遡ること9年、つまり今から17年前、学生だった私はある記事を見つけたことがきっかけでVHF帯のビデオトランスミッターの製作に夢中になっていました。今回は、このビデオトランスミッターの製作を、当時のエピソードを交えてご紹介します。もうアナログ波を受信できるTVは販売されていません。すでに時代遅れの回路ですが、アナログ受信が可能な液晶テレビ(*2)やポータブルテレビをお持ちであれば使えます。なお、記事中のいくつかの写真とイラスト、回路図は当時のものです。

*1 東日本大震災で被災した3県を除く。
*2 ブラウン管TVが主流だった頃は、LCDが使われた小型のTVのことを指していました。

＜参考：2003年の電気街＞
日本の電気街と言えば東京の秋葉原と大阪の日本橋ですが、私が日本橋に通い始めた2000年代の初頭から、パソコンのパーツやジャンク、そしてアニメやコミックといったサブカルチャーの街として姿が変わりつつありました。同時に、電子部品やアマチュア無線機を求める人ばかりでなく、幅広い層の人間で賑わう街となりました。

当時の大阪・日本橋(左)と東京・秋葉原(右)。今では存在しない電気店も…

そんな潮流の中でも、当時のパーツショップのほとんどが現在も残っているのは嬉しいことです。さらに、比率としてはインターネット通信販売が多いにもかかわらず実店舗も盛況なのは、時代を超えた電子工作の根強い人気の表れでしょう。

当時のパーツショップの様子。日本橋(左)と秋葉原(右)

ラジオ用ICの意外な使い道
大学生の時、私はよく図書館で電子工作の本を借りては、電気街で必要な部品を調達して掲載されている回路を作っていました。当時は図書館に電子工作やアマチュア無線の書籍が割と置いてあったものです。もっとも、ほとんどが既に古い物でしたが。そんな中、ある電子工作誌に面白そうな記事を見つけました。それは、『ビデオトランスミッター』の製作記事です。

うろ覚えですが、その内容は、
・映像変調を掛けるのに、FMラジオ用のフロントエンドIC『TA7358』を使う。
・FMをAMに変える秘密は、IC内の周波数変換回路にある。
・ダブルバランスドミキサーによってFM信号が歪み、僅かにAM成分が出る。
・この特性を上手く使って、綺麗に映像変調を掛ける。
といった感じのものでした。

どうやら、ICに内蔵されたミキサーで生じる歪みを逆手に利用して綺麗な映像変調を実現させるようです。“フロントエンド”とは、受信信号の増幅から第1中間周波数への変換までを指し、フロントエンドICにはRFアンプと局部発振回路、周波数変換回路が内蔵されています。周波数変換にはダブルバランスドミキサー(DBM)が使われています。記事によると、このDBMで局発と受信信号を混合させるところを、局発と映像信号を混合させるというのです。受信用のフロントエンドICを、変調を掛けるための用途、つまり送信用に使うというのですから、なんともユニークな発想です。

NTSCアナログ映像信号は4.2 MHzの帯域幅を持っていますが、この信号と局発(=搬送波)を混合させると綺麗な映像変調が掛かるというのです。なんともアマチュアらしい、デバイスの変わった使い方です。

記事の回路は、東芝製フロントエンドIC『TA7358』のミキサー出力、つまり変調出力信号を、NEC製高周波増幅IC『uPC1651G』で増幅し、TVのVHFチャンネル(1CH～3CH：91.25MHz～103.25MHz)で送信するというものでした。確かに、ディスクリートで振幅変調回路を組むよりも部品点数も調整箇所も少なそうです。

記事のイメージ。当時この記事を見てワクワクした

私は受信用ICを送信回路に使うというユニークな使い方に惹かれ、早速部品を集めて回路を組みました。そして、TVゲーム機(初代プレイステーション)からの映像を入力して送信してみると、本当にキレイな映像を受信できました。確かに振幅変調が良い具合に掛かっているようです。ただ、記事でも言及されていましたが、あくまで受信用ICのミキサー出力を増幅しているだけなので、信号はとても微弱でした。

TA7358”P” とTA7358”AP” 何が違う？
いくつか組んでみましたが、個体によって画質に差がありました。実は、私が買い集めたTA7358には末尾が”P”の物と”AP”の物があり、”P”のほうが高画質だったのです。

TA7358P(左)とTA7358AP(右)

今ではたいていの情報がインターネット上で手に入りますが、当時はさほど充実していませんでした。そこで、ICの製造元である東芝セミコンダクタ(現：東芝デバイス&ストレージ)に電話で問い合わせました。どうやって電話番号を調べたのかは忘れましたが、今思えば半導体メーカーがよくぞ青二才の大学生を相手にしてくれたと思います。担当のかたに電話を繋いでもらえました。TA7358PとTA7358APの違いを尋ねると、なんと、ミキサーで生じる歪みを低減させた改良品が”AP”とのことでした(*)。それが却って映像変調に不都合だったのです。さらに、”P”はすでに廃番であることも教えてくれました。これを受けて、大阪の日本橋でTA7358Pのほうを買い集めました。ちなみに、このICは今でも鉛フリー品“TA7358PG”という型番で流通しています。

*この記事を書くにあたって、TA7358PとTA7358AP両方のデータシートを確認しましたが、局発レベルが異なる以外、記載内容に違いはありませんでした。当時教えてもらった歪みについてはデータシート上では触れられていません。

「アンテナを短くしたい」 ～ハイチャンネル化への試行錯誤～
私はこの回路の記事を目にしたときから、Nゲージ(鉄道模型)の車両に小型カメラと一緒に載せて、ジオラマ目線の車載映像を楽しみたいと思っていました。しかし、波長相応の長さのアンテナ(80cm)は、1/150スケールの鉄道模型に対してあまりにも長すぎます。かといってエレメントをコイル状にして短縮すると、微弱な信号がさらに弱くなって映像が乱れました。

搬送波をもっと波長の短い周波数にするしかないと考え、局部発振周波数をVHFのハイチャンネル(4CH～12CH: 171.25MHz～217.25MHz)に変えて、アンテナ長を40cm程度にすることを目指しました。当初は、局発周波数を決める共振回路のコイルかコンデンサの値を小さくすればよいと単純に考えていました。コイルに並列に入ったコンデンサを1pに、共振回路のカップリングコンデンサを3pにまで小さくしました (これ以下の値では発振しなかった)。これにより、最高発振周波数が210MHzくらいにまで上がりました。
ところが、映像変調が綺麗に掛からなくなりました。さすがに発振周波数が2倍以上になると、局発レベルが変わって変調バランスが崩れたのでしょうか。記事に掲載されている回路から映像入力部の抵抗器の定数をいろいろ変えてみて、ようやく再び綺麗な変調がかかるようになりました。

「低電圧動作させたい」 ～高周波増幅回路を組む～
記事の中で使われていたuPC1651G(*)は、500MHzにおける利得が約19dBの高周波アンプで、電源電圧は5Vでした。当時入手可能な高周波アンプICは他にuPC1677C(*)がありましたが、やはり電源電圧が5Vでした。アンプのためだけに9V電池から3端子レギュレーターを介して5Vを供給することになります。でも、変調に使うTA7358Pがせっかく1.6Vから動作するので、高周波アンプをディスクリートで組んで回路自体を低電圧動作させようと考えました。

特に何も考えずに定数を設定して2段のエミッタ接地増幅回路を組んで変調出力信号を入力しました。マッチングは全く考慮していません。1段目に2SC3510、2段目には2SC1906を使いました。2SC3510はftが4.5GHzで、用途はUHF帯以上の増幅や発振ですが、エミッタ端子が中央にある端子配列(B・E・C)なので実装上の都合が良いことから選定しました。2SC1906はftが1GHzでVHF帯の信号増幅や発振用のRFトランジスタです。

*いずれも既に廃番です

増幅回路が発振回路に!?　～異常発振との闘い～
当時から、高周波回路の実装原則“太く・短く・(GNDを)広く”は知っていたので、高周波増幅回路を組むうえでそれらを意識していたつもりでした。回路はリード部品を使ってユニバーサル基板に実装しましたが、後述の実体配線図のように、ホールを広げて複数の足を同じホールに挿入することで部品同士の接続を極限まで短くしました。GNDパターンも出来るだけ短くしました。こうすると必然的に基板サイズも小さくなるので好都合でした。

しかし、200MHzくらいの信号を扱う上では、この程度の配慮では不十分だったようです。アンプ1段ならば問題無く増幅できたのですが、2段目を付けると異常発振しました。微弱信号とはいえ、アンプの入力と出力が同相の2段構成なので、正帰還が起こったのです。本当は片面をベタアースにしてチップ部品を使って組むべきだったのですが、インピーダンス整合もさることながら、当時はまだそんなことは頭にありませんでした。

アンプが発振すると、受信映像が色相反転を起こして何ともサイケデリックになりました。しかも、アンテナに触れると発振状態が変わって色合いが変わりました。まるで映像に特殊効果を加えたみたいになりました。ここからが厄介でした。図書館でいろんな文献を参照して解決策を探りました。ある程度の高周波ノウハウや知識が、このときに付いたと思います。最終的に電源ラインのデカップリングとハンダ面のシールドによって異常発振は治まりました。

＜参考：秋月電子のキット＞
この頃、電子パーツやキット販売の老舗『秋月電子通商』から、UHF帯のビデオトランスミッターのキットが販売されていました。RFモジュレーターとRFアンプICのセットです。RFモジュレーターとは、TVの空きチャンネル周波数を、入力した映像と音声で変調するモジュールで、ライン入力端子(赤・白・黄色のRCAプラグのケーブル)の無いTVに外部機器からの映像と音声を入力するためのコンバーターです。ファミコンや昔のビデオデッキには内蔵されていました。このキットは、映像と音声をUHF帯の25～35CHで変調してRFアンプIC ”uPC1677”で増幅して送信するというものでした。

未開封で手元に残っている秋月電子の『TVトランスミッタキット』。アンテナとして携帯電話の物が付いていた

キットの説明書には、「モジュレーターの出力とRFアンプ基板とをビニール線を使って最短で接続する」とありました。私は周り込みによるアンプの異常発振を心配して、モジュレーターの出力端子とアンプ基板の入力部を、下の写真のように直に接続しました。モジュレーターの出力ピンを、アンプ基板に開けた穴を通して接続しています。さらに、アンプ基板は片面基板でベタアースになっていなかったので、GNDパターンとモジュレーターのケースを同軸ケーブルの網線を使って複数個所でハンダ付けしてGND面を広げました。

当時私が組んだキット。ジャンク箱に残っていた。生基板上にアンプICと5Vレギュレーターが実装されている。黄色いビニール線は電源。アンテナは失われてしまっている

完成品のRFモジュレーターが使われていたこともあり、映像は綺麗で音声も載せられました。15mほど受信出来て実用的でしたが、サイズが大きくてNゲージの車両にはとても載せられませんでした。

最終的に完成した回路
さて、昔話はここまでにして、ここからは製作記事にしましょう。ただし、あくまで当時の設計情報なので、いろいろ詰めが甘いことをご承知ください。

ブロック図

入力する映像信号はNTSCのコンポジット信号、つまり黄色いプラグの信号です。変調レベルを調節する半固定抵抗器を介してICの4番ピン(本来は受信信号の入力端子)へ入力します。前述のように局部発振信号は内蔵の発振回路と外付けの共振回路とで生成しますが、自励式にも関わらず周波数は安定しています。映像信号は帯域が広いので、多少の周波数のふらつきは目立たなかったのかもしれませんが、200MHzというVHFとしては高い周波数の割に安定して受信できました。ちなみに、昔のTVやロッドアンテナが付いた小型テレビにはAFC回路が備わっているものもありました。

内部のミキサーにてAM変調のかかった高周波信号は、6番ピン(本来は中間周波数信号の出力端子)から出てきます。この信号は極めて微弱なため、高周波アンプで増幅して実用的な飛距離が得られるくらいまで大きくします。前述のように、高周波アンプは2段構成で、出力取り出し負荷にチョークコイルを用いた非同調式です。この2段のアンプにより、見通しで30mくらい離れてもカラー映像が届きました。ここでもインピーダンス整合については全く考慮していません。RFアンプの段間にある電源ラインの10Ωと0.1uFのLPFは、異常発振対策として入れた高周波デカップリング用です。

回路図

“VCC 1.5V”ラインは、RFモジュレーターとして使用したい場合に、乾電池１本で動作させるための電源端子です。なお、電源が1.5Vの場合、飛距離は5m未満になります。あくまでおまけ機能です。チョークコイル(RFC)は、ある程度のインダクタンス以上であれば問題ないと思います。具体的には、4.7～10uHのリードインダクタ、もしくは0.2mm径のUEW線を、10kΩのリード抵抗(1/4W)に20回ぐらい巻けば適当なインダクタンスになると思います。それぞれのRFアンプ入力の1000Pには1608サイズのチップコンデンサを使っています。10uFの電解コンデンサは、小型の6.3V品を使用します。今考えると、パスコンの0.1uFは値が大きすぎます。

実体配線図(部品挿入面から見た図)

部品同士の接続を極限まで短くするため、ホールを広げて複数の足を同じホールに挿入します。部品の足同士をハンダ面で折り曲げて接続します。

基板の中心付近にGNDラインを走らせて変調回路と増幅回路を分け隔てるレイアウトになっています。またアンプのRFCの向きをそれぞれ直角に配して高周波結合を防いでいます。ユニバーサル基板を使っている割には、我ながら高周波信号への配慮が感じられると思います。当時かなりレイアウトを試行錯誤しました。前述の異常発振対策の一つとして、回り込みを防ぐための銅箔テープを裏面に貼ります。銅箔テープの端はFCZコイルのケースに接続します。また、電源や映像機器とは最短距離で接続します。
※RF出力端子には電源電圧が載っていますが、直流カットのコンデンサが無いため、GNDとのショートには注意してください。

外観図

現存する実物。リード部品が所狭しと基板に埋め込まれている

RFアンプの裏面は銅箔テープでシールド。銅箔の端はFCZコイルのケースにハンダ付け

調整
アナログCHを受信できるテレビを使って送信周波数を合わせます。
1) +/－電源線、アンテナ、映像入力ケーブルを半田づけします。映像入力ケーブルのシールド側はGND端子に接続します。動作を安定させるため、電源線および映像ケーブルはできるだけ短くします。(15cm以内が目安)
2)TVを5～10チャンネルのうちの空いているチャンネルに合わせ、TVのアンテナ端子に室内用アンテナを接続します。音声はミュートにしておきます。
なお、映像信号は占有帯域が広いため、この回路を複数同時に使う場合は、設定チャンネルが隣り合わないようにします。(例:5と7チャンネル、6と8と10チャンネル)
3) 回路に電源(1.5～6V)と映像を入力し、周波数調節コイル(FCZコイル)のコアをゆっくりと回します。右に回すとコアは下にさがり、周波数が上がります。左に回すとコアは上がり、周波数は下がります。映像が最もきれいに映るようにコアを回して調節します。コアは非常にもろい材質でできています。コアをまわす時には下向きの力を加えないように、コアドライバの重みだけをかけるように回します。
4) 適度な明るさになるように、入力レベル調節VRを小さいドライバーで回して調整します。右に回すと暗くなり、左に回すと明るくなります。

使用感
微弱電波なので、全くノイズの混じらない画質で受信できる距離は、同一室内程度でした。画面の小さいポータブルTVで受信した方が弱電界でのノイズが目立たちません。

当時撮影した実際の受信映像。私が使っていたPCが映っている

当初、Nゲージの貨車に載せられるほど小さなタカチ製プラスチックケースに回路を収めました。

後に、CMOSカメラと一緒にプラスチックケースに収めました。

送信機内蔵CMOSカメラをNゲージの車両に搭載したところ

AM変調なので、ノイズに弱いという欠点がありました。車両を走らせると、画面上に幾つか横線が入ります。車両とは至近距離なので、TVのアンテナを縮めるとノイズは軽減されました。

＜ポータブルTVで受信した、当時の映像の写真。＞

Nゲージに載せて車載動画を楽しんでいた当時の様子

実際の映像(当時)
私が使っていたPCにはTV受信機能があったので、室内アンテナを接続して受信テストをする様子の映像が残っています。ビデオトランスミッターに低画素数のCMOSカメラで撮影した映像を入力していました。関西地域では偶数チャンネルが放送に割り当てられていたので、4ch、6ch、8ch、10ch、12ch は使えませんでした。このときは空きチャンネルの1つ(5ch)に合わせていました。お恥ずかしいですが、当時私が住んでいた部屋の様子が映っています。十代の学生の部屋ということを念頭にご覧ください。色調補正等の加工は加えていません。音声は送信できないのでノイズ音が入っています。

・室内の様子

受信アンテナから離れて、廊下、ユニットバスへと移動する様子です。微弱電波なので、受信側との距離が近くても時折ノイズが入っています。カメラの画質自体が悪いので、実はこれでも有線接続した状態とほぼ変わりません。

・部屋の外に出て道を歩く様子

部屋から出て離れるにつれてノイズが増え、ほどなくして映像が受信できなくなる様子が分かります。当時下宿していたアパートは鉄筋コンクリート構造だったので、室内では十分な電界強度があっても、外に持ち出したとたん信号が弱くなっています。逆に、部屋に近づくにつれて映像が鮮明になり、ドアの前ではクリアに受信できています。

最後に
この記事を執筆するにあたり、今回の主要デバイスであるTA7358について改めて調べてみました。汎用性を持たせた設計で応用が効く良いデバイスだからでしょう、その特長に目を付けた方々がSSBの送信ミキサーなど本来の用途であるフロントエンドとは違う使い道を研究されているようです。私は、これが“アマチュア精神”だと思います。IC本来の用途とは違う使い方をする・・・当時私が参考にさせてもらったあの記事を執筆された方の言葉を借りると”危ない回路工作”です。あの記事の発行当時から今まで、アマチュア精神は引き継がれているようです。

ところで、今回のトランスミッターに関して、当時の技術資料や写真、実際に撮影した動画データも残っていました。電子工作はモノを造るのが目的ですが、その過程も楽しめる趣味です。何かを作るときは、その工程を写真に収めるなど記録しておくと、あとで振り返って再び楽しめますね。

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