周波数時間標準1-1.（含むRb-OSC＆BVA比較表）（デジタルオーディオ用及びアマチュア無線用）： JA2GXU

アマチュア無線/デジタルオーディオ

  • 周波数標準関連を整備しようと考えたのは、小学4年の時のスパイダーコイルを使用した鉱石ラジオ（ゲルマニュウム検波器が当時高価な為）から始まり、BCL、SWLを経てアマチュア無線の世界に入って、自作機器などの測定再現性、特に周波数の高確度化を追及し始めました。それは、1957年の旧ソ連の世界初の人工衛星が切掛けとなり、USAに於いて計測のトレーサビリティが唱えられ、その計測のトレーサビリティが日本にも波及された頃からです。当然、度量衡の基本となります周波数時間標準の認識もありました。
  • プライベート用周波数時間標準の周波数安定度の高安定化、高確度化及び低位相雑音を追及する状況の中で、1982年にCDが発売されデジタルオーディオの先駆となるサンプリング周波数44.1kHz、量子化ビット数16ビットに関して、これ等の技術が活用可能な事が1982年10月中に良く判りました。
  • プライベート用周波数時間標準の周波数安定度の高安定化、高確度化及び低位相雑音を追及する状況で整備しました周波数時間標準は、デジタルオーディオ用の低位相雑音のDisciplined OCXOとなる短期周波数安定度E-14台のBVA SC_Cut OCXO及びアマチュア無線用の低位相雑音のDisciplined OCXOとなる短期周波数安定度E-13台のOCXO 及び1E-12のSC_Cut OCXO、OCXO又はRubidume OSCを内蔵したTime Serverを兼ねるGPS or GPS&GSNN_DO(確度: 1E-12)及び高性能セシウムビーム管を内蔵したセシウムビーム周波数時間標準に依り構成しています。
  • この低位相雑音で高い周波数安定度の周波数時間標準は、アマチュア無線の送受信機、秒未満の時間管理が必要なFT8、FT4等のデジタルモード等に使える様に数次の改良設計がなされ、且つデジタルオーディオ用のハイエンドと謂われる分野に迄対応出来ています。

経緯

  • 私がBCL、SWL及びアマチュア無線に興味を持ち具体的に活動をし始めたのは、1900年代後半からです。その中で特に興味を持ち重要と考えたのは、周波数時間標準及びそれらの測定のトレーサビリティでした。無線の最も基本的で重要な事と考えられ、度量衡の基本でもある事からも最も興味を持ちました。
  • NISTによる測定のトレーサビリティ
  • 度量衡で重要な測定のトレーサビリティに関して、旧ソ連が人工衛星（スプートニク1号）を1957年10月4日に世界で初めて打ち上げた時に、米国が受けたスプートニク・ショックに始まります。その米国の対応する計画の中に「計測器と科学データの信頼性確保」が入っており、計測器の信頼性に関しては「全ての計測器をNBS(現在のNIST) トレーサブルとする」であり、データの信頼性に関しては分野毎にデータ評価、データ頒布を行うデータセンターを設立する事でした。当初の目的、目標、分野は変化して今日に至っていますが、この米国の信念は今も変わっておりません。
  • このNISTによる測定のトレーサビリティは、計測器として大変重要な事ですので、深い興味を持ちこの事に沿う様に情報収集を重ねて来ました。その中で度量衡の基本となります周波数時間標準に関して、主にNIST（旧NBS）次にNICT（旧CRL）等を利用しております。中学、高校及び大学時代では、費用的に情報収集が主となり機器の導入及び稼働（高い周波数安定度のOCXO Sulzer 2.5B 、Rubidume OSC、セシウムビーム周波数時間標準及びVLF/LF帯位相追尾受信機等）は、社会人になってからと計画していました。
  • BCL及びSWLからアマチュア無線を始めた当初は周波数の基準として、短波帯のJJYの2.5MHz、5MHz、8MHz、10MHz及び15MHz、WWVの2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz及び25MHzでした。又、短波帯の電波の伝搬状況を確認する為にも重宝していました。処が、所有する周波数標準の周波数安定度がE-7以上に向上しますと、短波帯では較正出来なくなりました。
  • JG2AS(JJF-2)が、VLF/LF帯の40kHzで実験局として周波数標準放送(1966年1月～1990年6月4日迄）をしていました当時、海外では、WWVL 20kHz(1963~1972)を始めとして、VLF/LF帯の周波数標準放送及びオメガ等の放送及び対潜水艦通信等が多数ありました。この中の周波数標準放送を利用して、周波数標準の較正をE-9～E-12程度迄行う為に、試行錯誤していました。
  • 高確度周波数較正（VLF/LF帯）、高い周波数安定度及び低位相雑音のOCXO、アナログ系オーディオの概要
  • 1975年には、高い周波数安定度(E-11台)のOCXO Victron FS323 5MHz + VLF/LF Phase Tracking Receiver (VLF/LF帯用位相追尾式受信機) RMS 1320（TRハイブリッド、RTL IC使用）(Rustrak製 EIA 2Uの打点式チャートレコーダーの騒音が煩く、深夜の安眠妨害マシーンでした)によりJG2AS(JJF-2)の40kHzを24時間以上連続して位相追尾し位相比較受信して較正していました。その事が、国家標準との周波数比較及び較正(E-9~E-12)の発端です。1980年迄に、短時間で標準周波数を測定較正可能なTracor 537Aを準備し、E-7～E-10程度迄短時間で測定較正していました。このOCXO FS323は、連続稼働の劣化等に依り1992年にSulzer系OCXOのAustron 1250A 5MHz(短期周波数安定度5E-12未満、位相雑音：離隔1Hz -111dBc/Hz、離隔10Hz -122dBc/Hz)(表1、表2、表4及び表5参照)へ交換しました。尚、デジタルオーディオ用としては、低位相雑音であり、短期周波数安定度5E-12未満ですので使えるレベルのOCXOです。
  • 1975年に高い周波数安定度(E-11台)、低位相雑音のOCXOを入手しましたので、その高い周波数安定度と較正による高確度化及び低位相雑音等をアマチュア無線の周波数標準以外に何か応用出来ないかを検討していました。
  • アナログ系のオーディオには、1960年頃から興味を持ち始めて、自作アナログプレーヤー（裏面全面に鉛板厚20mm貼付無振動化、Sony ベルトドライブ式ターンテーブルTTS-3000、Stax トーンアームUA-7、Shure V-15カートリッジ）、自作SP(Fostex 2Way 10cmウーハー及び平面駆動ツイーター用アルミダイキャスト製箱、ネットワークは自作）ニアフィールド用及びFMチューナー Trio/Kenwood L-02T等で、クラッシックからジャズ迄の音楽を楽しんでいました。
  • ＣＤの発売及び関連のデジタルオーディオ
  • １９８２年１０月１日にＣＤが発売されました。発表されたデジタルオーディオの先駆となるそのＣＤの規格は、サンプリング周波数44.1kHz、量子化ビット数16ビットでした。更に、ＣＤの製品仕様には、サンプリング周波数44.1kHzは水晶精度（水晶発振器精度）で規定されていました。この規格及び規定から、直ちに高音質化にはその基準となるクロックの周波数又は周期の高安定化に依る定位の安定化等が必要と考えました。何故なら、１９８２年当時のＣＤのクロックに使われていた発振器は、ＣＤ製品仕様に規定されている基本的なXOと言う通常の水晶発振子を使った発振器で周波数安定度は、E-5台程度であり、位相雑音は、離隔1Hz: -63dBc/Hz程度、離隔10Hz: -85dBc/Hz程度です。これでは、定位が不安定で音の自然さに欠け、SNRが85dB程度で煩く（ノイズフロアを無音レベルへ、35dB不足：位相雑音は、離隔10Hz -120dBc/Hz未満が最低限必要）高音質には、成り得ません。（ノイズフロアが、-120dB未満必要な理由は、ノイズフロアが無音になるレベルです）初期から最近のCDは、この辺の勘所が完全に抜けていましたし、クロック云々は無認識でしたので、音が言い訳がありません。従いまして、これらの高い周波数安定度及び低位相雑音のOCXO及び当時の究極的なセシウムビーム周波数標準等をクロックへ使う必要があると考え、入手して確認する事を検討していました。録音再生の総合を検討し、録音時及びCDカッティング時にクロックとしてセシウムビーム周波数標準等が使えないかも検討していました。無論再生時にも高い周波数安定度及び低位相雑音のOCXO、セシウムビーム周波数標準等をクロックとして利用すれば、高い周波数安定度に依る定位の安定化及び低位相雑音化によるノイズフロアの改善等に使えると１９８２年１０月中には確信していました。
  • OCXOとセシウムビーム周波数標準等原子周波数標準との関連
  • OCXOは、セシウムビーム周波数標準のセシウムビーム管系等の原子周波数標準に使われている基準発振器として、基本的に位相雑音と短期周波数安定度に直接関与します。従いまして、デジタルオーディオ用途には、この基準発振器となるOCXOは、基本的に低位相雑音で、且つ短期周波数安定度が高安定の必要がありますので、高安定低位相雑音のOCXOの検討評価が必須条件となります。尚、一般的なOCXOの周波数安定度が良好な状態は、30秒迄で、優れた物でも最大100秒台迄です。

画像1. 周波数標準収納ラック (上段から、Rustrak Recorder, RMS 1320, Austron 1250A, Victorn FS323, Tracor 537A, 松下 ペンレコ, HP 5061A)

  • セシウムビーム周波数標準（HP系）の入手と整備及び性能、デジタルオーディオへの検討
  • 1993年に、国内のある有名メーカーから放出された比較的初期の不稼動のセシウムビーム周波数標準HP 5061A（画像1）を入手し、Csビームでロックする迄マニュアルに依りHPへ部品手配し、修理復元し、調整しました。7年程度連続稼動しCs寿命となりました。内蔵のOCXOは、HP 00105-6013(5MHz)（HP 105A系）ですが、OCXOがHP 10811-60109より一世代前の物です。位相雑音が、離隔10Hz: -115dBc/Hz＞-126dBc/Hzでは11dB不足しますので、デジタルオーディオ用としては、不適合です。周波数安定度は、TC:1sの条件で表1に示します。（表1及び表2参照）
  • HP 5061Aを修理復元している間に、DC24Vスタンバイ電源HP 5085Aの中古を入手し、内部の充電回路を補水式NiCd蓄電池用から密閉型鉛蓄電池用に改造してから、補水式NiCd蓄電池用のスペースへ密閉型鉛蓄電池(DC12V24Ah x2)を設置しました。DC24V24Ahに依る無停電電源化を実施しました。尚、これ以降のDC24Vスタンバイ電源に関しては、Austron 1290A及びHP 5089Aを順次追加し、合計DC24V72Ahの無停電電源化を促進しました。
  • 2台目の原子周波数標準は、放出されたルビジウム周波数標準HP 5065A（画像2）です。中古品で動作が不安定でしたので、HPのマニュアルに依り整備調整し正規稼働状態まで追い込みました。内蔵のOCXOは、HP 5061Aと同様のHP 00105-6013(5MHz)（HP 105A系)です。ルビジウム周波数標準（Rbクロック）の場合の一般的なTCは、0.1~0.5sですので、位相雑音はそのOCXOの値、短期及び長期周波数安定度は、Rbセルとなります。この機器の周波数安定度は、1s: 5E-12, 10s:1.6E-12, 100s: 5E-13, 1ks: 5E-13であり、表1に示す通りです。従いまして、デジタルオーディオ用としての周波数安定度に関しては、実用レベルです。但し、位相雑音は、離隔10Hz: -115dBc/Hz＞-126dBc/Hzであり、11dB不足ではデジタルオーディオ用としては、不適合となります。（表1及び表2参照）
  • 追記（2022年）（ルビジウム周波数標準HP 5065AのOCXOをFTS 1000又は1000Aへ入替改造（位相雑音：離隔1Hz -125dBc/Hz or -116dBc/Hz, 離隔10Hz -128dBc/Hz or -136dBc/Hz))して、デジタルオーディオ用へ流用し評価する事の計画を中止しました。（2022年～2023年計画））

画像２．周波数標準収納ラック（左ラック上段から、Rustrak Recorder, RMS 1320, Tracor 537A, Austron 1250A, HP 5065A, 6打点式レコーダー, HP 5061A, HP 5085A)

  • 3台目の原子周波数標準は、高性能セシウムビーム周波数標準HP 5061B004(HP-MGCFS)です。内蔵のOCXOは、HP 10800-60109(10MHz)（HP 10811B系）です。総合的な、TC：1sに於ける周波数安定度は、表1に示す通りで、位相雑音は、離隔1Hz: -96dBc/Hz、離隔10Hz: -120dBc/Hzです。TCが1秒固定でも、周波数安定度に関してOCXO(短期周波数安定度:E-11台)と高性能セシウムビーム管(HP-CBT)系(長期安定度:E-13台)の調和が取れません。
  • 位相雑音が、離隔1Hz: -96dBc/Hz>-126dBc/Hzであり30dB不足、離隔10Hz: -120dBc/Hz>-126dBc/Hzですので、6dB不足しデジタルオーディオ用としては、不適合です。（表1及び表2参照）
  • HP 5061A等を入手し稼働した事に依り1982年10月に考案しましたデジタルオーディオへセシウムビーム周波数標準を応用する具体的な検討を始めました。
  • HP 5061Aに内蔵のOCXOは、HP 00105-6013ですが、HP 10811-60109の一世代前となります。
  • HP 5065Aに内蔵のOCXOは、同様に、HP 00105-6013です。
  • HP 5061B004は、表１に示す周波数安定度であり、表2に示す位相雑音です。これ等のデータによりデジタルオーディオ用としては、何れも性能不足（この場合の周波数安定度は、短期及び長期周波数安定度E-13台、位相雑音は、離隔1Hz: -126dBc/Hz未満、離隔10Hz: -126dBc/Hz未満が最低限必要）ですので、FTS等の他のメーカーのセシウムビーム周波数標準を検討していました。

表1. HP系Cs-STD, Rb-STD & OCXO周波数安定度比較表

表2. 短期及び長期周波数安定度比較表（FTS系、HP系 & OSA）

表3. HP系Cs-STD, Rb-STD & OCXO位相雑音比較表

表4. 位相雑音比較表（FTS系、HP系 & OSA）

世界初のセシウムビーム周波数標準(高い短期及び長期周波数安定度(E-13台)及び低位相雑音(離隔1Hz：-125dBc/Hz及び、10Hz：-128dBc/Hz)を使ったＣＤダイレクトカッティング（２００２年２月２日及び３日）

  • デジタルオーディオ用に適合した低位相雑音のOCXO FTS 1000が内蔵されたFTS 4050(TC: 26s)を、日本ビクター（株）横浜工場で世界初のセシウムビーム周波数時間標準(MGCFS)を使ったCDダイレクトカッティングに2002年2月2、3日の両日に使用した際に、ノイズフロアが極めて小さく無音と同様のノイズフロアの低さ（ヘッドホンでモニターして雑音が認識出来ませんでした）及び定位を含む音の自然さにJVCのプロの技術者及び参加されていた方々が吃驚されていました。
  • その理由は、表2及び表4に示す標準仕様のセシウムビーム周波数標準(MGCFS)のFTS 4050は、TCが26秒設定であり、それに依りOCXO FTS 1000の短期周波数安定度(3E-13)とFTSのセシウムビーム管(MGCBT)の長期周波数安定度がE-13台でバランスが取れています。従って、短期周波数安定度(3E-13)と長期周波数安定度がE-13台のバランスの良さに依る定位の安定さが在り、音の自然さに関連する位相雑音が離隔1Hz: -125dBc/Hzに依り自然な音を再現出来ます。更にノイズフロアに直接関係する位相雑音が、離隔10Hz: -128dBc/Hzです。従って、ノイズフロアレベルが-120dB未満ですので、ノイズフロアが無雑音と同等の極めて低い事に依ります。
  • Rb-OSCを、当時の日本ビクター（株）横浜工場で御使いと聞いていましたが、当時の一般的なRb-OSCでは、離隔10Hzの位相雑音が-80dBc/Hz～-90dBc/Hz程度ですので、SNRが-90dB程度迄であり雑音が可成り五月蝿いと考えられました。従いまして、このMGCFSを使ったノイズフロアレベルが、無雑音では衝撃的であったと思いました。

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　グラフ 1. Frequency Stability（BVA vs HP 5071A001 & OSA 3300-HP)

　グラフ 2. 位相雑音（BVA vs HP 5071A001 & OSA 3300-HP)

何故オーディオ業界では、ルビジウム発振器（Rb-OSC）を1980年代当初から、デジタルオーディオ用として検討し、セシウムビーム周波数標準器（CFS）を何故検討しなかったか？　　　　　　

現在デジタルオーディオ用として使えるRb-OSCは、Quartzlock社製の4モデルのみです。（表5.を参照）

  • 原子発振器をデジタルオーディオ用として検討する場合の最も大きな問題は、一般的なRb-OSC（ルビジウム発振器）は、新品で数十万円台ですし、中古品では、数千円から高々数万円程度迄でした。それと比較し、CFS（セシウムビーム周波数標準器）では、新品では、数百万円台から一千万円迄で、中古品では数十万円から三百万円程度迄ですが、基本的に動作状態の良否が確認出来る技術力が必要な問題があります。従いまして、必要な投資金額の問題により、先ず原子発振器であるRb-OSCを選定した筈と考えられます。何せ「原子発振器」！ですから、虚仮威（こけおどし）のPR効果としても最低の投資金額で済み廉価で最適です。極論を言えば、何でも良いから所謂「原子発振器」を使い音が良くなったことにすれば良いと言った、所謂一般人を騙した詐欺同様の疑いも当然あります。
  • 但し、技術に最も大きな問題は、Rb-OSCは基本的にエージング効果を持ち周波数変動等が収まりません。従って、音像定位が時間経過と共に移動する問題があります。更に、即ちフロアの周波数安定度が定まらない事により一次周波数標準器としては、使用出来なく2次周波数標準器としか認定されていません。
  • 周囲温度一定の場合の24時間の位相変動に関して、CFSでは、最大5ns/24h以内ですが、Rb-OSCでは、最大200ns/24h以内であり、40倍の差があります。この意味は、Rb-OSCを使用した場合は、オーケストラがスケートリンク上で極めてゆっくりと滑走しながら演奏しているのと同等です。
  • 周囲温度一定の場合の24時間の位相変動に関して、BVA-OCXO 8607-8では、200㎱/24h前後です。但し、周波数変動を含む条件では、1000㎱/24h前後になります。
  • 更に、Rb-OSCでは、位相雑音問題があります。表3.に記載されていますHP5065Aを当時の唯一の代表例として、離隔10Hzでは、-115dBc/Hzであり、離隔100Hzでは、-120dBc/Hzしかありません。従いまして、ノイズフロアレベルが高く11dB（5dB+6dB=11dB）不足します。一方、一般的なRb-OSC製品の殆どの位相雑音は離隔10Hzでは、-80dBc/Hz～-90dBc/Hzでしたので、ノイズフロアレベルから30～40dB不足しSNRが悪く五月蠅くて論外で使えません。自然な音になります離隔1Hzの位相雑音は、最近の製品でも最大 -117dBc/Hz 迄であり、2000年前後では、概略-80dBc/Hz前後でしたので、自然な音に成り得ませんしSNRが悪く使えません。
  • 即ち、Rb-OSCに求められる位相雑音の要求値は、離隔1Hzでは、-115dBc/Hz未満（Rb-OSCに離隔1Hzで、-120dBc/Hz未満にするに為には、メーカーへの数量オーダーが必要であり相対的に困難なレベル）に依る自然な音、離隔10Hzでは、-130dBc/Hz未満に依るノイズフロアレベルが-120dB未満になる無雑音化が必須条件となります。
  • 1990年以降頃から「Rb-OSCをマスタークロックとしてワードクロックジェネレーターに使用したら音が良くなった」等々とアナログ的に仰るオーディオ専門家、マスタリングエンジニア及び、オーディオ評論家が存在していますが、上記の通りのRb-OSCの位相雑音値の必須条件の提示が一切なく、その方々の試聴される幻の詐欺レベルの音を疑わざるを得ません。（特に、S社のK氏、N社のO氏等）
  • 少なくともRb-OSCの代わりに、BVA-OCXO（8607-08又は、同等品）を推奨されていたら納得出来ました。（周囲温度一定の場合の24時間の位相変動に関して、同等）
  • 但し、BVA-OCXO（8607標準品）を5E-11レベルで50HzのFM変調で御使いでした特定のマスタリングエンジニア（N社のO氏）の方は、上記のBVA-OCXO（8607-08又は、同等品）の件から除外します。
  • 少なくともこれ等の具体的な仕様値又は、測定値に基づいた評価或いは評論をすべきです。思いだけでは、虚仮威（こけおどし）同様で且つ詐欺同様ですから、何ら納得出来兼ねます。
  • 従いまして、Rb-OSCは、調査した限りとなります極一部の例外となるQuartzlock社製の4モデルを除いて基本的にデジタルオーディオ用としては、使えません。推奨されている方の技術的センス並びに具体的なレベルが詐欺を疑います。
  • デジタルオーディオ用として、使えるQuartzlock社製の4モデルとは、A1000-Op-C、A1000A-Op3、E10LN-Op3、A10-M-Op-Dの4製品です。

表5. Rb-OSC、BVA-OCXO及びOCXO比較表

周波数時間標準1-2.へ続く

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