「誤差0.001Hz GPSを利用した10MHz発振器を使う」
ＪＡ０ＰＸ 斉藤義明
１．はじめに
無線局の周波数は正確な必要があります．最近のトランシーバは良く作られているので電波法の基準を充分に満足しています．4,630ＫＨｚに出られる皆さんはほとんどが正確ですが，たまに数十Ｈｚずれている局もいます．4,630ＫＨｚにはプロ局も出てきますので，笑われないように正確に合わせたいものです．
では，どこまで合わせればよいか．１Ｈｚのずれでは耳で聞く限り分りません．でもこの文章のテーマは，０．００１Ｈｚに挑戦しようとするものです．ＳＳＢでもこんな精度は必要ないでしょう．マイクロ波の待ち合わせＱＳＯの基準としてなら必要かも知れません．一般には必要ないかもしれませんが，アマチュアスピリットを発揮して，そんなに無理をしないで，どこまでやれるかの挑戦をして見ました．
２．Ｚ３８０１Ａについて
見出しにも書きましたが，Ｚ３８０１ＡはＧＰＳを利用した１０ＭＨｚ発振器（以下ＧＰＳ10ＭＨｚ発振器と略す）です．これは米国でＣＤＭＡ携帯電話の基地局の基準に使われていたものらしく，交換時期になり大量に放出された物のようです．精度は「１０の−９乗」と規格には表示されていますが，実際には「１０の−１０乗」は有るようで，短期安定度は，「１０の−１１乗」も有るようです．この装置を２台使った比較では，２４時間の間に＋−０．００１Ｈｚの差が出たそうです．
「１０の−１０乗」ですと，１０ＭＨｚの場合，０．００１Ｈｚになります．この数字はプロ局にとっても素晴らしいもので，南極の昭和基地でも「ＧＰＳを利用した１０ＭＨｚ発振器」が使われているそうです．
これを使う場合，本体のＺ３８０１Ａの他に，ＧＰＳ用アンテナ，４８Ｖ（２Ａ）の電源，パソコンとの接続ケーブルが必要です．更に，Ｚ３８０１Ａ本体をＲＳ−２３２Ｃで使える用に改造する必要があります．中古市場はこれらのオプションが幾つ付くかによって５〜７万円位に変化します．電子工作に自信のない人は改造済みのものを入手されたら良いと思います．
Ｚ３８０１Ａに関する詳しい解説が，以前ＪＡ９ＴＴＴ加藤氏のＨＰに掲載されていましたが，残念なことに最近閉鎖されてしまいました．他の解説は以下のＨＰにあり，参考になります．
http://homepage2.nifty.com/~kubota/GPS/gps.html
改造の仕方や，ＰＣでの制御のやり方も書かれていますので，詳しくはそちらを参考にして下さい．
現物を買うと沢山のマニュアルが付いてきますし，米国の文献は米国yahooで調べると読みきれないほど沢山出てきます。
３．昔の１０ＭＨｚＪＪＹの替わりに利用する方法
これが最も基本的な利用方法でしょう．１０ＭＨｚＪＪＹが廃止されてからは，外国の標準電波を利用していましたが，混信やＱＳＢのため正確な較正が出来ない時もありましたが，このＧＰＳ１０ＭＨｚ発振器があればもう心配ありません．何時も安定して較正できます．
基準水晶1個で全てを管理しているリグについては，簡単な較正方法が各メーカーのリグに付いてくるマニュアルに書いてあります．即ち，ＬＳＢにして１０，００１．０００ＫＨｚを聞いた音とＵＳＢで9，９９９．０００ＫＨｚを聞いた音が同じであれば基準周波数は正確です．（外国標準局の場合，変調が掛かっているので聞き難い場合がありますが，本発振器の場合は変調が掛かっていませんので聞き易くなります．）もし，違う場合はリグの調整個所を調整して下さい．季節によって室温が変りますので基準発振器の周波数は変動します．
なお，較正の仕方にも幾つかの確実な方法があります．下記のＵＲＬに詳しく書いておきましたので参考にして下さい．
http://www.i-chubu.ne.jp/~ja2ol/4630khz-sub53.html
４．周波数カウンタの内部基準を合わせるのに利用する．
折角高価な発振器を手に入れたのですから，いろいろな応用に使って見たくなります．まずは，インターフェース等を作ること無く利用することを考えて見ます．
周波数カウンタの基準発振器が温度制御型発振器（ＴＣＸＯ）の場合，精度は１０の−8乗から−9乗と言われていますが，経年変化で大分変化します．これを較正するために，本発振器の出力を周波数カウンタで測定し，表示が１０，０００，０００．０００Ｈｚになるように周波数カウンタの内部基準発振器を調整します．この時，数分経つと表示が変ってきますので，根気良くあわせる必要があります．ケースのふたをかぶせて10分もするとまた表示が変りますから，使用状態で正確な表示になるように，予め変化分を見込んで調整しておく必要があります．ＴＣＸＯの種類にもよりますが，良いものでしたら本当に0.001Hz（短期間）まで追い込むことが出来ます．
これで，安心して周波数カウンタを使うことが出来ます．リグの出力周波数を測定して見て下さい．リグの基準周波数が較正されていない場合，発射周波数が相当狂っていることが確認される場合があります．リグの表示が１Hzまであるからと言って，これを信用する訳には行きません．
逆に，リグからの電波を周波数カウンタで測定し，リグの表示周波数と周波数カウンタのそれが一致するようにリグの基準周波数発振器を調整しても良い訳です．
５．周波数カウンタの外部基準として利用する．
この場合，二通りの使い方があります．
１）周波数カウンタの外部基準端子に表示されているのと同じ周波数を注入する方法
２）周波数カウンタの外部基準端子に表示されている周波数の1／10や１／100或いは１／1000の周波数を注入して，測定分解能を改善する方法．
１）の場合は，簡単にただBNCケーブルを接続すれば動作するように考えられます．たしかに最近の高額の周波数カウンタはそれでOKのものが多いようです．しかし，アマチュア用の低価格のもの，または古い設計の周波数カウンタでは動作しない場合があります．原因は，GPS１０MHｚ発振器の出力はアナログ信号であり，古い設計の周波数カウンタの外部基準入力はTTLレベルのディジタル信号を要求しています．従って，この間を結ぶインターフェースを作る必要があります．
これは，図１のように簡単に作ることが出来ます．キーポイントは５Vを6０KΩと１０KΩで分割し，これをゲートICの入力に加え，そこにアナログ信号を入れます．2段従属接続の後１MΩでフィードバックをかけます．これでTTLレベルのディジタル信号を取り出せます．
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この１０MHｚのTTLレベルのディジタル信号は，どのタイプの周波数カウンタの外部端子に加えても動作します．
この簡単なインターフェースは思いのほか利用価値が有ります．
２）の場合は，ちょっと欲張って，周波数カウンタの外部基準端子に表示されている周波数の1／10や１／100或いは１／1000の周波数を注入して，測定分解能を改善し，最下位の桁の表示を0．01Hzや0．001Hz或いは0．0001Hzまでにしようと言うものです．即ち，1万円の周波数カウンタが1桁上の動作をしてくれるようにする方法です．「そんな夢のような事ができるのか．」と思われるでしょうが，何個かの簡単な1／10周波数分周回路を縦続接続すれば可能です．
回路は図２です．図1の回路の後に７４LS９０を用いた1／10周波数分周回路をつなぎます．この時，出力のduty
比が０．５になるように接続します．即ち，1／５分周を先に行い，1／２分周を後に行うのです．この回路の注意点はバイパスコンデンサを各段にしっかり入れることです．高い周波数10MHzでは０．０１μFだけでも良いのですが，１MHz，１００KHz，１０KHｚと周波数が低くなるとバイパスコンデンサの容量を大きくする必要があります．０．１μF（セラミック）や０．４７μF（タンタル），４．７μF（電解），１０μF（電解）等を並列にしてICの電源端子とアース端子に最短距離で接続します．図２では１／１００分周ですが，同じ回路をもう１段つなげば１／１０００分周になります．
分周後の周波数を周波数カウンタで測定して見て，希望周波数になっていない場合はバイパスコンデンサの不足です．
１／１０分周を何段用意するかは，利用する周波数カウンタの性能によりますが，基準周波数が１０MHｚの時，最低桁表示が0．1Hzであれば
１段 １MHz出力 最低桁表示が0．01Hz
測定時間100秒
２段 １００KHｚ出力 最低桁表示が0．001Ｈ 測定時間1000秒
３段 １０KHｚ出力 最低桁表示が0．0001Ｈ
測定時間10000秒 となります．
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分周器が用意できたら早速，周波数カウンタの外部端子に入力して見ます．１ＭＨの入力の場合はまず（多分）旨く動作するでしょう．基準周波数は正確になったし，測定時間は100秒かかるが0．01桁まで測定出来るのでかなりの能力向上です．
次に，１００ＫＨｚを入力して見ましょう．最近の高額の周波数カウンタなら問題なく動作するでしょうが，古い設計の周波数カウンタは動作しません．17分経っても変化無い時は動作していないと判断します．「やっぱり駄目か．」と諦めないで下さい．この原因はやはりバイパスコンデンサにあるのです．それも周波数カウンタの中のＩＣのところです．古い設計では外部基準として低い周波数が入ってくることを想定していないので，バイパスコンデンサは小さいものしか付いていません．
対策は，周波数カウンタのふたをあけ，外部入力端子からつながっているＩＣを見つけ，そのＩＣの電源端子とアース端子の間に０．１μF（セラミック）や１μF（タンタル），１０μF（電解）等を並列にして接続します．（この改造は腕に自身のある方のみ行って下さい．）
20年以上前のものと，10年以上前のものと2台の周波数カウンタを改造しましたが，2台とも１０ＫＨｚの入力に対しても旨く動作するようになりました．
１０ＫＨｚ入力の場合，1回の測定に2時間50分近くかかりますが，0．1ミリヘルツまで測定できます．私は，ルビジュウムの１０ＭＨｚ発振器がありますのでそれを測定してみました．購入してから1年間較正してなかったものです．やはり１．３ミリヘルツずれていました．ルビジュウムの１０ＭＨｚ発振器には調整個所が付いていますからそれを調整して，０．１ミリヘルツ（短時間）まで合わせる事が出来ました．
また，１０年以上前のＴＣＸＯがありましたので測定しましたら５Ｈｚもずれていました．これも調整して簡単に０．００１Ｈｚ（短時間）まで合わせる事が出来ました．
６．送信機や受信機で外部入力（１０ＭＨｚ）端子がある場合の基準入力として利用する．
１０ＭＨｚ外部基準周波数を入れられる送信機や受信機がたまには存在します．その入力がアナログ信号を受け付けてくれるようであれば，ＧＰＳ１０ＭＨｚを直接接続して動作します．しかし，ＴＴＬレベルの信号を要求するリグであれば，変換する必要があります．この場合も図１の回路が使えます．ただ，図１の回路が故障して高価なリグを壊さないような対策を取ります．１２Ｖないしは１３．８Ｖの電源から５Ｖを作る時，まず直列安定化ＩＣで６Ｖに落としてから，抵抗を入れ，並列安定化ツェナーダイオードで５Ｖに落す直列と並列の２重の安定化策を取ります．回路が出来上がったら，オシロを使い念入りに５Ｖ以上出ていないことおよびパルスの１０ＭＨｚが出ていることを確認します．
さて，ＪＲＣのＮＲＤ９３に図１の回路の出力を入れますと快適に動作します．感度は内部基準の時と変化ありません．電信の音色が気のせいか少し良くなったような気がします．ＧＰＳ１０ＭＨｚ発振器の純度が高いのでしょうか（水晶発振なのですが）．
ちなみに，電波伝播の状態の良い時に外国の１０ＭＨｚ基準局を受信して，ＬＳＢにして１０，００１．０００ＫＨｚを聞いた音とＵＳＢで9，９９９．０００ＫＨｚを聞いた音を瞬時に切り替えて比較しましたが，全く変化が分りませんでした．実に快適です．内蔵の発振器の場合１７Ｈｚもずれていました．
７．トランシーバ用の任意の基準周波数を発生させて利用する．
最近のトランシーバは水晶振動子１個で全てを制御するいわゆる「一発管理」が行われています。従って，この水晶振動子の精度がトランシーバ全ての周波数の精度を決めます．そこで，この水晶振動子の周波数をGPS１０MHｚ発振器で制御できれば良いのですが，困ったことに最近のトランシーバの基準発振器の周波数は１０MHｚではなく，それぞれメーカーや型番が異なると違った周波数を使っています．このため，GPS１０MHｚを直接利用することはできません．
そこで，正確で必要な周波数を発生させる方法を考えて見ます。実は，この技術は既に，本HPの下記のURLに発表してある方法を簡略化すれば作れます．
http://www.i-chubu.ne.jp/~ja2ol/4630khz-sub58.html
その記事の図1を見て頂きますと，TVのサブキャリアを使って１０MHｚを発生する部分がありますが，この部分をGPS１０MHｚ発振器で置き換えます．
（株）秋月から売り出されているDDS VFOキットを用いて正確な「２の２６乗」＝67,108,864Hzを作り出します．この場合，DDSコントローラは必要なくディップスイッチで１０MHｚをセットしますので簡単になります．秋月のキットには基準用の67,108,864Hzの基準発振回路が付いて来ますが，これが１７０Ｈｚもずれていました．何台も使いましたが皆同じような状況でした．一般的な利用状態では充分な精度を持っている訳ですが，今回のテーマの場合０．００１Ｈｚを問題にしているので，この基準発振周波数を正確にしなければなりません．普通，基準発振回路の周波数は調整できないと考えられていますが，実際には電源電圧を変えると少し変化します．この性質を利用して，ＰＬＬを構成して正確な「２の２６乗」を作り出しました．
正確な「２の２６乗」が出来たら，別のDDS VFOキットを使い，それに付いている基準発振器の代わりにこの正確な「２の２６乗」の信号を入れてやり，必要な周波数を発生させます．この場合も，DDSコントローラは要りませんで，ディップスイッチで必要な周波数をセットできます．詳しいことは上記URLの記事を参照して下さい．
必要な周波数が発生できれば，これを実際のトランシーバの基準発振器を外し，その出力の所に注入することになります．この部分は私は未だ実施していません．電圧レベルを合わせる必要があります．DDSキットには出力回路に約８MHｚのローパスフィルタが入っていますので，これより高い周波数を出す時にはカットオフ周波数を上げてやる必要があります．また，６７MHｚより高い周波数は発生できません．この場合は、２逓倍回路を用いる等の工夫が必要です．
トランシーバの数だけDDSキットを使って基準発振回路を作り，無線局全体の周波数の一発管理を行えば，周波数に関してはプロ局並みの設備になります．
８．おわりに
GPSを利用した精度の良い１０MHｚ発振器の利用方法をいろいろ述べてきました．
普通ゼロビート法で周波数を合わせようとすると１Ｈｚ位が限度です．「ウヲーン，ウヲーン」と聞えても０．３Ｈｚ位ずれています．この文章ではそのずれを０．００１Ｈｚまで減らそうというものです．ＧＰＳ１０ＭＨｚ発振器と安価な周波数カウンタと簡単なＩＣ回路があればそれが実現できることを述べました．
Ｚ３８０１Ａ本体および付属品一式の値段がかなりしますので，高度な利用をしないと元が取れないかも知れません．そのためには，ある程度の回路技術力が必要です．失敗するとＺ３８０１Ａはもとより，高価なトランシーバや周波数カウンタ、送受信機等を壊してしまう事も起こり得ます．各人の技術力の程度によって，更には自己責任のもとでトライして見て下さい．
--- 以 上 ---