From Steve's Workbench ／小さな不思議、uSDXと他のQRPトランシーバの進化｜2022年9月号

From Steve's Workbench

小さな不思議、uSDXと他のQRPトランシーバの進化

JS6TMW Steve Fabricant (翻訳 JI1GYO 王新華)

ここ数十年、アマチュアHFトランシーバの導入に際してメーカー間の競争が激しく、ほぼ毎月のように新機種が登場していました。現在では新機種はほとんどありませんが、技術とデザインの傑作であり、おそらく古いリグよりもコストパフォーマンスに優れていると思います。

移動運用は、多くのハムが環境ノイズと自宅でのアンテナの制限に直面し、または単に屋外での運用の楽しさを発見して人気を得ています。この成長する小規模な分野は、アイコム、八重洲、およびElecraftから汎用性があるが、かなり高価な低出力リグ、およびヨーロッパや中国の小さな会社から安価なものが提供されています。新しいポータブル・トランシーバーが600米ドル以下の価格で、良い評判を得れば、多くの関心を集めるでしょう。

このような背景から、uSDX(micro Software Defined Xcvr)と呼ばれるトランシーバの情報が流れた時は、QRPファンの間で興奮が走ったものです。ポケットサイズでSSB/デジタルとCWで5Wの出力があり、ほとんどのHF帯をカバーし、しかも非常に安いということでした。私はすでに2台のQRP無線機を持っていましたが、uSDXを買わずにはいられなかったため、さらにもう1台買いました。これらは控えめに言っても面白い無線機で、今回はその話です。

図1. 私がSOTAの際に使用しているQRP無線機
(手前)角が赤いのが新しく買ったuSDX、(左)QCX40、(奥)KD1JV Tribander

uSDXは、生き物のように古い技術から進化し、ソフトウェア由来の信号処理という大きな変異を経て進化しました。先祖代々の「遺伝子」の中には、この技術の途絶によって陳腐化したものもあります。高等哺乳類と同様、見た目が異なるものは、皮膚の下に多くの共通点があり、最も高度に進化したQRPトランシーバではありませんが、高機能なうえ頑丈で、しかも山で落としても交換可能なほど安価です(図1)。

強大なQCX
その元となったのが、QRP Labsから2017年にキット形式で発売されたシングルバンドCW専用トランシーバ「QCX」です。多くのユニークな機能、印象的な性能、優れたマニュアルとサポート、そしてわずか49ドルという価格により、これまでに18,000台以上のQCXキットが販売されました。これは個人企業としてはかなりの成果ですが、新しいQDXという小さなマルチバンドFT8専用トランシーバにもう追い越されているかもしれません。

QCXの受信部は、一部の高性能ラジオに搭載されているテイラー検波器フロントエンドを利用したダイレクトコンバージョンです。(古い再生回路や他のいくつかの受信回路も、RF信号の「ベースバンド」音声変調を直接再生していました)。テイラー検波器を使用した最新のCW受信機では、位相のずれた2つのベースバンド信号が生成され、位相シフト回路によって不要なサイドバンドがキャンセルされます。

QCXでは、次のオーディオステージが高い利得と選択性を供給します(図2）。マイクロプロセッサは受信と送信の機能を制御し、その他にも設計者のHans Summers G0UPLがその小さなメモリに詰め込んだ多くの機能を制御します。

終段増幅器には、QRPの実験的設計では見られますが、市販無線機では見られない、安価なMOSFETトランジスタを用いた非常に効率の良いE級増幅器を使用しています。オリジナル版は、すべての部品が1枚の小さな基板に収められています(図3）。ソフトウェアは何度か更新されていますが、独自性を保っています。

図2. QCXトランシーバのブロック図

図3. QCXの基板すべての制御回路と外部コネクタは、電鍵用のマイクロスイッチも含めて、オリジナルのQCX回路基板上にあります。マイクロプロセッサはLCDディスプレイ・モジュールの下にあります。

スーパーヘテロダインよ、安らかに(1920-2020)
QCXが画期的だったのは、価格と性能の高さだけではありませんでした。従来のスーパーヘテロダイン方式のHF帯無線機は主要メーカーから数年間発売されておらず、QCXもまた神聖な設計が時代遅れであることを示すものでした。(八重洲のFTDX101はダウンコンバート後にデジタル信号処理を行うハイブリッド型だが、ICOMの絶大な人気を誇るIC-7300やハイエンドのIC-7610は図4のようにRF信号をデジタル化しFPGAで処理するダイレクトサンプリング方式である)。

このような無線機設計の流れは、製造コストの低減を動機とし、高性能で大量生産可能なICによって実現されています。デジタル制御とファームウェアによる使いやすいインターフェースにより、大型の回路基板や高価なディスクリート部品は必要ありません。1990年代のトランシーバとIC-7300のメインボードを比較すると(図5a/b）、このことは一目瞭然です。

図4. ダイレクトサンプリング型SDR(Software-Defined Radio） IC-7300

図5a. 1990年代のスーパーヘテロダインメイン基板(ATUなし)

図5b. ATUを内蔵したIC-7300メイン基板

移動運用の愛好家は、しばしば複数のバンドとモードを使用するので、QCXはその小規模の分野の中でも競争相手を持っています。八重洲FT-818のようなスーパーヘテロダインのQRP無線機もまだ人気がありますし、LDG Mountain-Topper、KD1JV Tribanderや他のいくつかのCW専用SOTA無線機に使われているようなスケールダウンしたスーパーヘテロダインもあります。これらの無線機は、ミキサーと復調器としてSA612または同様の「ラジオ・オン・ア・チップ」IC、局部発振器として直接デジタル合成(DDS)IC、水晶IFフィルタ、いくつかのオーディオ・アンプ・チップを使用しています(図6）。送信時にはDDSを出力周波数に切り替えてMOSFET PAに供給し、マイクロプロセッサで全機能を管理しています。軽量で電池寿命が長く、マルチバンドをカバーできることから愛用者が多いが、比較的高価であることに変わりはありません。

図6. 基本的なSSBとCWのスーパーヘテロダインのブロック図

uSDXの系統に連なるもう一つの無線機は、安価なキットとして販売されたインド製のスーパーヘテロダイン設計のuBITxがあります。改造にはそれなりのユーザー知識が必要で、元々マルチバンドやCW機能すらないためにQCXほどの人気はありませんでした。ただQCXとは異なり、ソフトウェアがオープンソースであったため、uSDXの重要な前身となりました。ソフトウェアがオープンソースであるため、実験者が回路や制御用ソフトウェアの基本設計に加えた変更を公開することができるのです。開発者のコミュニティが実験結果を共有し、キットのバージョンアップが何度も行われました。

uSDXの登場
ヨーロッパの2人のアマチュア(DL2MANとPE1NNZ)はQCXをSSBラジオにできると考え、新しい名前を付けて趣味で挑戦しました。彼らはATMEGA328Pマイクロプロセッサのために新しいソフトウェアを開発し、QCXの「重い」機能の一部を削除することで余裕を持たせました。このオープンソースの実験には、興味を持った他のハムもオンライン・フォーラムを通じて参加しました。新しいソフトウェアで、マイクロプロセッサは高品質のSSBを作るのに、やっとのことでしたが、ブレッドボードを使って、実現可能であることを証明し、改良を文書化し、迅速にテストすることができました。

目標はQCXの外観を維持することでしたが、SSBの生成と復調に使われたアプローチは、アマチュア・トランシーバとしては新しいものでした。サイズ、出力、メニューの一部を除き、QCXとの共通点はほとんどありません。マルチバンドとSSBの機能を持ちながら、同じような仕様のトランシーバよりずっと低価格で、誕生以来、愛されたり嫌われたり、あるいはただただ物議を呼んでいます。
https://www.mathworks.com/help/signal/ug/single-sideband-modulation-via-the-hilbert-transform.html

uSDXの送信機は、ほぼ完全にソフトウェアで実装されています(図7）。ATMEGA328Pは、入力オーディオをサンプリングし、SI5351Aの位相ロックループを微小な周波数変化で制御してSSB信号を再構成し、キーイング回路のパルス幅変調でPAパワーを制御します。パルス幅変調のE級の設計は、通常のC級やリニアモードよりもはるかにトリッキーですが、SSBトランシーバを小型、低温、高効率、低コストに保つことができます。

図7. uSDXトランシーバのブロック図。ほとんどの機能は、安価なマイクロプロセッサ1つで実現されています。

受信機では、マイクロプロセッサにテイラー検出器、90度位相シフト回路、CW/SSBフィルタ回路、オーディオアンプ回路を実装しています。このため、QCXのようなI/Qアライメント手順が不要で、調整可能なIFデジタル信号処理（DSP）、フィルタ、AGC、ノイズ低減DSP信号調整、アナログフロントエンドでの2つの独立アッテネータなど、アナログアプローチと比較して有利です。狭いローパスウィンドウを持つデジタルミキサとADC（アナログ・デジタル・コンバータ）の組み合わせにより、弱い信号と強い信号を扱うためのゲイン、ダイナミックレンジ、エイリアス除去を実現しています。また、このアプローチにより、部品点数が少なく、シンプルな基板レイアウトとなり、複数のバンドパスフィルタを搭載する余地が残されています(図8、図9）。

図8. uSDXの回路図。一部のクローン版では、3 x BS170の代わりにIR510 MOSFETを1個使用しています。

図9. 部品点数が少ないので、作りやすくて複製しやすい
PAトランジスタとバンドパスフィルタは、基板の上端付近に配置されています。

クローン、クローン、そしてクローン
ハードウェアとソフトウェアがまだ開発中であるにもかかわらず、情報が徐々に流出した結果、新しい現象が起きました。中国の小さなメーカーが、uSDXへの関心の高まりに気づき、「クローン」の製造・販売を開始したのです。基板やケースをアレンジし、ソフトウェアのアップデートも自由に行えました。また安価な部品とシンプルなレイアウトにより、100ドルから150ドルの価格帯で半分くらいのサイズのバージョンが作られました。これらは、ドキュメントを除けば完全なものであり、すぐにでも送信ができます。図10a～dにいくつかのクローンの画像、図1には私の「角が赤い」タイプの画像をご覧ください。

図10a-d. 現在市販されているクローンの一部。CAT制御が可能なことに注目

uSDXクローンの苦情は、SSBの音質が悪く、受信音声が歪むということがよくありました。これは処理速度が遅いことと、付属の低品質なマイクが原因です。説明書の不備により、ユーザーはPA PWMパラメータを含むメニュー調整が通常必要であることを知らないままでした。それにもかかわらず、クローンが遠距離でもクリアなSSB QSOを行っているビデオがたくさんあります。これはYMMV（“your mileage may vary”）のケースで、間違いなく不良品のクローンが販売されたからです。

小さな学習曲線の後、私は移動運用の時だけCWを操作するので、私のクローンには満足しています。CWのキーイングやブレークインもスムーズで、受信機もIC-7300とほぼ同等の感度と選択度があり、CWデコーダーまでしっかり動作しています。図1の「角が赤い」バージョンは、出力とSWRを表示できるので、マグループアンテナやATUのチューニングにとても便利です。内蔵電池で数時間、外付けの15V電池で5～12Wの出力が得られます。私はQRPを楽しむために自宅のアンテナでよく使っていますが、高いSWRで酷使しても100％信頼できます。

しかし、使っていて楽しいラジオではありません。これは、優れた仕様と優れたヒューマン・インターフェースの間のギャップを示しています。音量調整、AGC、フィルタ、アッテネータ、キーヤースピードなどの重要な基本機能は、メニューボタンとエンコーダーの両方の操作を必要とします。私の2台目のクローンでは、チューニング・エンコーダーが1台目とは逆に動作してしまいました。メニューはQCXをベースにしていますが、使い勝手はあまりよくありません(図11）。それに比べ、私のKD1JV Tribanderは、すべてのコントロールがフロントパネルにあり、あるいはボタン1つで可能で操作が簡単なのです。uSDXのソフトウェアの改良がいくつかあり、競争が激化する中で、クローンメーカーがこれをすることを期待しています。

図11. uSDXのメニュー uSDXのメニュー。QCXのメニューの番号付けはそのままに、多くの機能が削除された。

図12. 正規品のuSDXとそのケース

(tr)uSDXについて
uSDXのソフトウェア、回路、ボードグラフィックは最初からオープンソースで、開発者には法的な権利はなかったのですが、自分たちのデザインをコピーされて他の人が利益を得ることは好ましくなかったようです。さらに、DL2MANが中国製クローンの高調波抑制などの不具合を動画で公開したことで、この話に苦言が加えられました。そして、「(tr)uSDX」と名付けた「正規品」を発売しました(図12)。この考え方にすべてのクローンユーザーが賛同したわけではなく、ネット上では厳しい意見交換が行われました。その頃、Hans Summers社は、一部のQRP Labs社の顧客から要求されたQCXソフトウェアのオープンソース化を行わなかったことを非常に喜んでいました。

この騒ぎは収まり、アンチクローンコミュニティが組織され、良質の(tr)uSDXキット、説明書、プリントケース、最新のソフトウェアが提供されるようになりました。COVIDの物流上の理由でこれは短命に終わりましたが、現在はヨーロッパと中国の代理店が指定され、キットと完成版の(tr)uSDXを供給しています。ケース付きの場合、正規のマルチバンド版は他のクローンより少し高くなりますが、小型で性能も良いので人気があります。

最後に、uSDXは高性能ですが、まだ実験的なトランシーバです。私見では、他のポータブル機の10分の1から3分の1の価格で良い値打ちがあると思います。もし、あなたのニーズ*に合うなら、試してみる価値があるかもしれません。
*日本の免許制度では、uSDXとキット無線機の法的位置づけが明確ではありません。

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