FIRフィルタ

前回AF PSNを複素係数のFIRフィルタで作成したが,その係数を変えれば任意の周波数特性を持ったフィルタが作れることはいうまでもなく,AF PSN はその一例にすぎない.

FIRフィルタの係数は,周波数特性を逆フーリエ変換すれば得られるので手間はかからない.とはいえ手計算できるものでもないので,AF PSN 作成の際に,係数を求めるために作ったツールをここにUPしておいた(Calc_Coeff_of_CPLXBPF.m).

これは,拡張子mが示すようにMATLAB,GNU Octave 上で動くスクリプトである.
GNU Octave はフリーウェアでこちらから入手でき,Windows の場合,octave-4.4.0-w64_1-installer.exe ならインストールは容易かと思う.

スクリプト内でパスバンドの周波数を書き換えて実行すれば,その特性を実現する係数を定義するヘッダファイルが自動生成される.
これをincludeしてコンパイルすれば,設定どおりのパスバンドを持ったBPFが実現できる.
複素係数フィルタであるが,実数部のみ使用すれば普通のフィルタと同じである.

 

さて,前回製作したAF PSNであるが,パスバンド内のリップルとパスバンド外の減衰特性が気になった.周波数特性を求めたところ下図のようになった.

Rect

理由は,窓関数を使用していなかった(=矩形窓)ためである.
そこで,フィルタ係数に窓関数を掛けてみた.
(窓関数はスクリプト内で指定できるようにしてある)

 

Hann 窓
han

Hamming 窓
hamming

Blackman 窓
blackman

Bartlett 窓
bartlett

使用する窓関数としては Hamming か Blackman になるだろう.
Blackman のほうが減衰特性がなだらかであるが,それでも十分急峻な減衰特性なのでこれがよいと思う.
(ヘッダファイルとCソースファイルを更新しているので,日付を確認の上ご利用願います)

AF PSN

PSN方式でSSBを発生させるためのAF PSNを試作した.01
PSN方式のSSBジェネレータは上図のような構成であるが,大概AF PSNの実現がネックとなる.

アナログ回路でAF PSNを実現する方法としては,ナガード型PSN,多段のオールパスフィルタ,PPSNなどが知られている.
これらは,性能が十分でなかったり,回路規模が大きい,部品定数の精度が要求される,など少々難しいところがあり,さらにアナログであるが故,環境(周囲温度など)の変化による特性の変化にも気を付ける必要がある.

そこで今回はAF PSN をディジタル信号処理で実現することにした.これは近年よく見かけるSDRと同様なものである.

まず,SSBの発生方法から確認していく.SSBの生成方法はシンプルに考えれば下図のとおりである.
02
周波数シフトは,AF PSNの後の直交変調器で行われるので,
結局AF PSNとは,AF信号の負(あるいは正)の周波数成分を除去するものである.

ならばバンドパスフィルタ(BPF)で実現できそうだが,通常フィルタの周波数特性は,下図の上段に示すように,正の周波数領域と負の領域で対称なものしか実現できない(実係数フィルタの場合).

03

しかしながら,フィルタの係数を複素数にすれば(複素係数フィルタ),上図下段に示すような非対称な周波数特性をもったフィルタが実現できる.

複素係数フィルタを用い,信号を複素数表現すれば,SSB生成の流れは下図のようになる.
04

今回はこの複素係数フィルタを,dsPIC33FJ64GP802 を用いディジタル信号処理で実現してみた.下図のように,複素係数フィルタの出力の実部がAF PSNの0°出力,虚部が90° 出力に相当する.
05

 

複素係数フィルタの構成は,512Tap FIR フィルタとした.
06

 

フィルタの周波数特性(設計目標)は下図のとおり.
+300Hz~+3kHzのバンドパスで,負の領域はすべて阻止する.
Fres_cmplx

 

これを逆フーリエ変換し,FIRフィルタの係数を求めた.
サンプリング周波数は,使用するdsPICの性能により 約10kHz に設定した.

フィルタ係数(実部:R0 – R511)
FirCoeff_re

フィルタ係数(虚部:Q0 – Q511)FirCoeff_im

複素係数フィルタのプログラムのソースコードを,こちらに置いておく.
dsPIC周辺の接続は下図のとおり.07

 

動作確認の結果を以下にまとめておく.

20180706_071500 dsPIC

入力200Hz
f0200

入力300Hz
f0300

入力1000Hz
f1000

入力2000Hz
f2000

入力2900Hz
f2900.jpg

入力3000Hz
f3000

これらの結果を見る限りは使い物になりそうな感じがする.
部品選別や調整などなしに,プログラムを書き込みさえすればこれと全く同じ結果が得られる.
あとは実際にSSBジェネレータにしたときにどのような品質の信号になるか,確認が必要だろう.