雪崩ビーコン波形モニタ (Ver.3)

雪崩講習会でS木講師が行う波形モニタのデモが好評で、他の地方ブロックからも雪崩ビーコン波形モニタ(以下、波形モニタと略)の問い合わせがありました。 Ver.3はVer.2と同じくNJM2552というAM/FMラジオ用のIF LSIを使用していますが、単体でPCのソフトで波形が見れるようにしました。

1. 試作機の構成

少し前にNJM2552というAM/FMラジオ用のIF LSIを調査していて、このLSIを使ってAM/SWラジオを製作しました。 457kHzビーコン・モニタはこのAM/SWラジオの回路を簡略化してビーコン・チェッカー用に仕入れたバーアンテナを載せました。 Ver.2はUSBオシロを使うことを想定してのですが、地方講習会で使うときはオシロスコープに馴染みがない人でも使えるように、秋月通商で売っているUSB mini-Oscilloscope(以下、USBミニオシロと略)というモジュールを内蔵しました。上の写真の左側の基板が雪崩ビーコン波形モニタで、右側の黒いモジュール(基板)がUSBミニオシロです。ケースは特に考えておらず、100均の適当な容器(タッパーなど)に入れることを想定しています。

【図-1】波形モニタの構成

NJM2552は455kHz IF用LSIで、MIXerに差分の912kHzの局発(LO)が必要です。適当な水晶発振器がないので、安価なPSoC-4200DSとDDSモジュールで生成しています。また、455kHzのIFアンプの他にFM用のリミッターアンプがあり、受信信号強度表示(RSSI)用のLogアンプが接続されています。 RSSI出力を使うとオシロで直接見れる受信範囲が2～3mに広がります。

※回路図に興味がある方はご覧ください。

2. ソフトのインストールと雪崩ビーコンの配置

USBミニオシロは"PCB Scope"というWindows用ソフトで制御します。USBミニオシロを販売している秋月通商のサイトからダウンロードできます。波形モニタはUSBミニオシロのmicro USB端子をUSB Type-Bに変換していますので、PCとの接続にはこのケーブルを用意して下さい。

OSC001 PCB SCOPE (USBミニオシロ／データロガー)

波形モニタは基準となるビーコンでトリガ(triger)をかけて一定位置に表示するようにします。基準のビーコンの他に複数埋没用のビーコンが1台または2台必要です。【図-2】のように基準ビーコンを手前1メートルに置き、それ以外は2メートル以上離しておきます。

【図-2】雪崩ビーコンの配置

3. 波形表示の手順

※画面をクリックすると拡大します。

波形モニタとPCを接続して、"PCB Scope"を起動します。基準ビーコンAを送信状態にし、その他のビーコンB, Cは電源オフの状態にします。

【図-3】 "PCB Scope"起動画面

Horizontal(時間スケール)とVertical(振幅スケール)を下図のように設定します。 PositionにあるCH1(赤)とCH2(青)のスライドバーを一番下に下げて、AquisitionのRUNボタンを押します。パルス波形の表示が始まりますので、CH1(赤)のスライドバーでベースラインをCH2(青)に合わせます。この状態では同期がとれていないので、パルスの位置は流れて行きます。

【図-4】 "PCB Scope"の基本設定

CH1(赤)のパルスが0.8V(4目盛り)以上振れていることを確認して下さい。振れ幅は基準ビーコンAの距離や角度で調整します。

TriggerのSourceボタンをAutoからExt.に切り替えます。CH1を600ms遅らせたタイミングで基準ビーコンのパルスが停止するはずです。この時間スケールではトリガーは2パルスに1回かかるので、約2秒毎にTrig'dが緑色に変化し、画面が更新されます。

【図-5】外部トリガに切り替えた状態

近接ビーコンBを送信状態にします。このとき、近接ビーコンのCH1(赤)のパルスが0.2V(1目盛り)以下になるように距離を調整します。基準ビーコンAは停止し、同期していない近接ビーコンは徐々に流れて行くのが判るはずです。

【図-6】複数埋没(2台)

近接ビーコンCを送信状態にします。波形モニタで表示するうえで近接ビーコンの数に制限はありませんが、あまり現実的ではありません。

【図-7】複数埋没(3台)

基準ビーコンと近接ビーコンのパルスが一致したタイミングが波形が乱れます。これは混変調と呼ばれる妨害で、二つのビーコンの周波数の差分(数十Hz)が現れます。このような妨害は実際の複数埋没でも発生しますので、捜索側のビーコンは一瞬正確な距離を表示することが出来ないと考えられます。

【図-8】複数埋没で混変調起こした場合

4. 妨害電波の表示

波形モニタで電子機器が発生する妨害電波を見ることができます。波形モニタに携帯電話などを近づけると、バーアンテナに誘導されるノイズが観測できます。電子機器がない場合に較べてビーコンのパルス振幅に変化がなく、ベースラインが上昇している点に注目します。遠く離れたビーコンのパルスがノイズに埋もれてしまうのが直感的にわかると思います。実際にはビーコンの検出距離が短くなります。

【図-9】妨害電波の観測

5. (参考-1)USBオシロの表示例

手元のUSBオシロで表示した例を【図-10】に示します。このオシロは100ms/div以上でトリガがかからない仕様なので、波形は流れています。リアルタイムで波形が更新されるのはいいのですが、あまり早いと目で追いきれないので200ms/divに落としています。

【図-10】複数埋没(USBオシロ)

【図-11】は電子機器のノイズを表示した例です。 USBミニオシロに較べて解像度が高いですから、リアルタイムで波形が更新されるので見やすいです。 AM AGC(赤)は妨害の影響を受けにくいので比較のため重ねて表示しています。

【図-11】妨害電波の観測(USBオシロ)

2. (参考-2)外部トリガの説明

通常、安価なUSBオシロで100ms/divのような遅い時間ではトリガがうまく掛かりません。その点USBミニオシロの外部トリガはうまく効きます。この点を利用してAM AGC信号で検出したパルスをPSoC内部のPWMモジュールで600ms遅らせた信号を生成しています。 AM AGC信号は「距離の3乗に反比例」するので、2m離れると殆ど見えなくなります。 VRSSIの信号は弱い信号を増幅してくれるLogアンプなので、2mではややレベルが落ちるくらいです。このことが、1mくらい離した基準ビーコンのパルスを止めて、他のビーコンを観測するミソになります。

【図-12】 AM AGCと外部トリガ

2. (参考-3)ケースに収納した例

手元の波形モニタはタカチ電機工業のプラケース【PF15-3-15W】に組み込んでいます。 USB端子の他にCH1とCH2の信号をターミナルにも接続しています。

【図-13】ケース組込み例