周波数時間標準1-2.(デジタルオーディオ用及びアマチュア無線用):　　　(含む失敗談)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1.貸出品の損壊事件(日本総合制作㈱):セシウムビーム周波数標準器　 　　：JA2GXU　　　　　　　　　　　　

SDR/アマチュア無線/デジタルオーディオ/特許

周波数時間標準1-1.からの続き

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）

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)

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➡-136dBc/Hz）及び、10Hz：-128dBc/Hz➡-140dBc/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(LTC: 26s)を、日本ビクター（株）横浜工場で世界初の磁気偏向式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、ノイズフロアレベルが極めて小さく無音➡（無雑音）と同様のノイズフロアの低さ（ヘッドホンでモニターし認識出来ませんでした）及び音像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に示す標準仕様のあ気偏向式セシウムビーム周波数標準(MGCFS)のFTS 4050は、LTC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 ➡ E-13台)とFTSの磁気偏向式セシウムビーム管(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 ➡ E-13台)と長期周波数安定度がE-13台のバランスの良さに依る音像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 ➡( -136dBc/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 ➡( -140dBc/Hz)です。従って、ノイズフロアレベルが-120dB未満ですので、ノイズフロアが無音➡（無雑音）になり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ですので、SNRが-90dB迄（-120dB迄に、30dB以上不足）であり雑音で可成り五月蝿いと考えられました。従いまして、ノイズフロアレベルがこのMGCFSを使った場合、無雑音では衝撃的であったと思います。
  • 更に、ヘッドフォンでモニターした音の純度には脅威であったと思います。

画像2. 磁気偏向式セシウムビーム周波数標準器FTS 4050を使った世界初のCDカッティング記事（月刊雑誌「無線と実験」２００２年４月号）（写真の機器は、FTS 4050）

  • この記念すべき事、世界初の磁気偏向式セシウムビーム周波数時間標準器(MGCFS)を使ったCDダイレクトカッティングを契機として、又皮肉な事に貸出していましたFTS4050が日本総合制作（株）の杜撰な取り扱いの問題としか考えられない事故により故障し損壊しましたので、FTS4060（MIL Spec.品五台及び、通常品壱台：計6台）及び、FTS4065B等を試験評価運用し、FTS4065BがLTC：26sに設定出来、且つ内臓されていますOCXOが、Oscilloquartz製でしたので、BVA OSCと互換出来、デジタルオーディオ用に使う事にしました。現在は、当方の手元にありますが、貸出していた日本総合制作（株）の杜撰な取り扱いの問題としか考えられません事故に依り漏電し損壊故障中です。（私の見識では、全く考えられ無い様な基本的な且つ初歩的な問題です）但し、現物は、現在実物証拠用として保全中です。この修理用ストックとしてFTS4060が数台になりましたので、これから高圧系の部品取りを行い交換修理する予定を組んでいます。
  • この中から、試験稼働し正常な状態の通常の磁気偏向式セシウムビーム管(MGCBT)を順次取出して、修理完了予定のFTS4065Bへ組込交換して長期稼働させる予定です。（予想として、20年以上30年程度迄の予備のストックと考えております）（現時点では、この方式が、CPの観点からもベストと考えております。長期周波数安定度のFloorレベルも5E-14未満になりますので、敢えてOPCFS(光ポンプ式セシウムビーム周波数時間標準器)を投資する必要性を考えられません）
  • 善意で日本総合制作㈱へ貸出していたセシウムビーム周波数時間標準器が明らかに杜撰な取り扱いに依る損壊問題発生では！「（精神的に）殺す心算か？君はプロなのにプロ意識はあるのですか？」更に、損壊に対する謝罪と賠償及び高性能磁気偏向式セシウムビーム管の損耗補償費等を、未だに全く御支払い等一切を頂ていない常識に欠ける会社ですので？（トリプル・パンチか？ダウンして当然の事かも！）
  • 結局、この様な状況に依る超多忙等には勝てずHP-MGCFSとしてアジレント社製の高性能磁気偏向式セシウムビーム周波数時間標準器のModel 5071A001（旧HP5071A001）を購入運用する事にしました。
  • アジレント社製の5071A001、スタンバイ電源（アジレント社への特注品）HP5089A、周波数カウンター 53121Aをハーディグ製のEIAラックマウントケースへ収納しHP-MGCFSシステムを移動用にしました。
  • 後日、周波数カウンター 53121Aの代わりに、新品の位相追尾発振器FTS1050A/015を改造して、当時のOscilloquartz製BVA-OSC 8607-08（短期安定度：E-14台）組込改造し調整稼働しました。この時のLTCは、1ksです。
  • 尚、公式なデジタルオーディオ用としての評価は、上記の事情があり実施しておりません。

画像３. アジレント社製の5071A001、スタンバイ電源（アジレント社への特注品）HP5089A、周波数カウンター 53121Aをハーディグ製のEIAラックマウントケースへ収納

  • 下記に掲載された雑誌「無線と実験」2002年8月号の記事は、柴崎氏により執筆された物です。
  • 記事内の主要な修正事項は、　
  • １）「運用を一任された日本総合制作(株) ーーー」と記載されていますが、前述のFTS4050及びFTS4065Bを貸出しました結果、日本総合制作(株)の杜撰な取り扱いの問題に伴うとしか考えられません事故が２件発生しましたので見過ごす事が出来なく、且つ全く考える事が出来ない様な基本的な且つ初歩的な損壊事件でありましたので、この項目は削除しました。
  • この問題発生以降は、デジタルオーディオ業界の発展の為に、日本総合制作(株)への一任された運用では、常識的に考えても納得不可能ですが、已む無く略問題無いが但し書き運用と無理矢理見做しました。但し、この様な過去にありました類似問題に依る事故発生を防ぐ為、特に、移動運用に関しては、タイムテクノロジー有限会社の認可若しくは立会が必須条件になりました。
  • 尚、日本総合制作(株)からのこれ等の損壊に対しての謝罪及び損害賠償並びにメーカー保証寿命が当時3年の高性能磁気偏向式セシウムビーム管の損耗費を御支払い頂く事等は未だに一切御座いません。
  • この日本総合制作(株)から2013年8月6日付で弁護士事務所並びに所属する弁護士名で特許維持費用等のこの時期の特許関連の全ての費用負担を拒絶頂きましたが、前記を含め法定利息（年間15%の複利）に基き請求し御支払い頂く権利が御座います。（仮定として15年経過では、元本の約8倍の金額になり多分億円程度になる筈ですが、お支払い頂けますか？）（お支払い頂けない場合の選択肢としまして、倒産または破産して頂く選択肢も御座いますが？）

画像4．HP-MGCFS（高性能磁気偏向式セシウムビーム周波数時間標準器）システムを移動用にした雑誌「無線と実験」2002年8月号の紹介記事

  • HP-MGCFSの5071A001単独では、デジタルオーディオ用として低位相雑音(離隔1Hz：-126dBc/Hz未満、離隔10Hz: -130dBc/Hz未満）及び短期周波数安定度がE-14台の要求仕様に未達の為に、取得しました日米特許のデジタルオーディオ用Disciplined OCXO（Oscilloquartz BVA SC_Cut OCXO 8607-08を内蔵した）が必要になりました。
  • デジタルオーディオ用Disciplined OCXO（DFS）の重要性：低位相雑音(離隔1Hz：-126dBc/Hz未満、離隔10Hz: -130dBc/Hz未満）と短期周波数安定度をE-14台にする為には？
  • 高性能磁気偏向式セシウムビーム管(HP-CBT)が内蔵された Agilent 5071A001(LTC: 2s)の短期周波数安定度を改善してE-14台へ改善し低位相雑音化するには、低位相雑音(離隔1Hz：-126dBc/Hz未満、離隔10Hz：-130dBc/Hz未満（但し、5MHz)）の短期周波数安定度がE-14台のDisciplined OCXO(内蔵のOCXOは、Oscilloquartz BVA SC_Cut OCXO 8607-08)（DFS）へ接続し制御します。（米国特許及び日本特許）この事に依り、グラフ1に示す様に短期周波数安定度がE-14台及び長期周波数安定度がE-15台になりデジタルオーディオ用として、ノイズフロアが-120dB未満の極めて低い無雑音のノイズフロア及び定位の絶対的な確立に依り究極的な自然な音になります。
  • Agilent 5071A001(LTC: 2s)をデジタルオーディオへ使用した場合、定位が確立し音像が検知出来ない程、高々2～3cmしか動かない事が判りました。また、オーディオに於いて人間の耳が、E-14台(LTC: 2s)とE-13台(LTC: 26s)の周波数安定度を識別認識出来る事に吃驚しました。（各機器の安定度比較は、表1及び表4の安定度比較表を参照）（位相変動は、最大5ns/24h（但し、一定の周囲温度）、Rb-OSCの場合では、最大200ns/24h（但し、一定の周囲温度））但し、短期周波数安定度（E-12台）と長期周波数安定度（E-14台）のバランスが悪く、且つ位相雑音が離隔1Hz: -120dBc/Hz未満の基本的な最低の条件を満たしておりません（位相雑音が、離隔1Hz: -100dBc/Hz > -120dBc/Hzでは、20dB不足）ので、デジタルオーディオ用としては厳密には適合しません。
    デジタルオーディオ用として厳密に適合する為及び抜本的に改善する為には、低位相雑音(離隔1Hz: -120dBc/Hz未満、離隔10Hz: -126dBc/Hz未満（但し、10MHz)と短期周波数安定度E-14台及び長期周波数安定度E-15台等が必須です。(表2及び表4参照）

2019年以降、稼働中の周波数時間標準器等と検討中のセシウムビーム周波数時間標準器（OPCFS）等の概要

  • 2019年以降、検討中の光ポンプ式セシウムビーム周波数時間標準器（OPCFS）は、保証寿命3年から5年の短寿命の高性能磁気偏向式セシウムビーム管(HP-MGCBT)の交換調整の必要性が無い、稼働寿命10年以上の光ポンプ式セシウムビーム周波数時間標準器（OPCFS）になります。光ポンプ式セシウムビーム周波数時間標準器の長期周波数安定度は、5E-15ですが、短期周波数安定度に付いては、磁気偏向式セシウムビーム管を使用する基本的な原理と同様により、使用している基準発振器5MHz又は10MHzのOCXOの短期周波数安定度も関係します。従って、短期周波数安定度がE-14台の低位相雑音のDisciplined OCXO（DFS）へ接続して1ks未満の短期周波数安定度及び位相雑音を改善する必要があります。特に、デジタルオーディオに使う場合は、グラフ1に示す様に短期周波数安定度がE-14台で且つ低位相雑音のDisciplined OCXO(内蔵のOCXOは、BVA SC_Cut OCXO 8607-08等)（DFS）へ接続する事は必須となります。（米国特許及び日本特許）
  • デジタルオーディオ用として、肝心となります位相雑音の問題については、離隔1Hzでは-126dBc/Hz未満(自然な音)、離隔10Hzでは-130dBc/Hz未満(ノイズフロアが-120dB未満であり無雑音)（尚、5MHzの場合の、-6dB見込済）を満たす必要があります。
  • それには、上記の短期周波数安定度がE-14台で且つ低位相雑音のDisciplined OCXO（BVA SC_Cut OCXO 8607-08、Sulzer系 OCXO FTS 1000、SC-Cut OCXO FTS 1000等々が内臓された）（DFS）をMGCFSと同時に接続して使う事が必須条件になります。
  • 私の自宅用周波数時間標準として、2023年迄は、Rubidume OSC又はOCXOを内蔵したGPS_DOでしたが、2024年以降はGPS&GNSS_DOに変更し、時間標準としてOCXO内臓のGPS&GSNN_DO仕様機器 (周波数確度1E-12/day ）をON LINEのイーサネット接続で使い、周波数標準としては低位相雑音のDisciplined OCXO（DFS）となる短期周波数安定度E-14台のデジタルオーディオ用Osilloquartz BVA SC_Cut OCXO 8607-08及び短期周波数安定度E-13台のアマチュア無線用短期周波数安定度E-13台のSulzer系 OCXO FTS 1000又は、短期周波数安定度E-12台のSC-Cut OCXO FTS 1000BへFTS4065B（長期周波数安定度5E-15) から接続し制御（周波数分解能：5.8E-15）して使う様に準備中です。従いまして、全面更新が必要な時期迄現状維持と考えております。
  • FTS4050及びFTS4065Bへ設定していますLTC：26sに関して再考して検討しました。尚、LTC：2～6sは、周波数時間標準器としてのMGCFS又はOPCFSの物理的及び理論的に設定した合理的な値です。
  • 100秒未満の周波数安定度は、MGCFSが今回使うOCXOより一桁悪いので、短期周波数安定度は、OCXO依存になります。100秒以上の長期周波数安定度は、MGCFSが負担します。
  • Sulzer系のOCXO FTS1000 (短期周波数安定度E-13台) 又は、SC-Cut OCXO FTS1000B (短期周波数安定度E-12台)を使用する場合のMGCFSのLTC値は、10秒から100秒迄になります。
  • その中で若干試行錯誤してみましたが、FTS4050特有の偶然の設定値LTC：26sには全く敵いませんでした。
  • 尚、LTC：26sに関しては、偶然の設定値ですが「神様の贈り物」と思っております。（無神論者ですが？）
  • 短期周波数安定度E-14台のBVA-OCXO 8607-08を使う場合のMGCFSのLTC値は、数十秒から1000秒以内が設定適正値になると考えられます、設定レンジが最大100秒迄ですので、それ以上必要な場合は、外付けのDisciplined OCXOを使う事になります。
  • 尚、暫定的には、MGCFSのLTC：26s及びDisciplined OCXOのLTC：1ksにしてあります。
  • 但し、8607-08の短期周波数安定度の特性を再確認した事に依り、適正なLTCの値は、100秒であると確定し変更しました。
  • FTS4065Bが、復旧した場合には、このLTCを100秒に設定し外付けした8607-08と共に確認予定です。

表5．BVA-OCXO(OSA 8607-08)及びSulzer系FTS1000 OCXOをMGCFS（磁気偏向式セシウムビーム周波数時間標準器）FTS4065Bへ位相追尾し、位相雑音を離隔1Hz：-126dBc/Hz(10MHzは、逓倍器使用の為に位相雑音+6dB増加の為)未満及び短期周波数安定度をE-14台及び長期周波数安定度をE-15台にする為の表

周波数時間標準器（アマチュア無線用及びデジタルオーディオ用）

  • 現時点で使用しています周波数時間標準器及びシステム概要は、図１及び図２に示す通りです。尚、Agilent 5071A001は、休止中です。但し、FTS4065Bの修理が完了し完全動作状態になりましたら、周波数標準器はCPの観点からこのMGCFSを主に稼働運用する予定です。何故なら、図2.の様なGPS＆GNSSの避雷対策ですが、更に厳しくする必要があり思ったよりも厄介です。
  • 従いまして、MGCFSは、周波数標準に使い、GPS＆GSNNは、時間標準に使う方式に変更します。
  • Rubidume OSC又はOCXOを内蔵したTime Server(時間確度2ms以内)を兼ねるGPS_DO 又は GNSS_DO仕様機器(周波数確度：<1E-12/day(5E-14/day),時間確度：<25ns）（周波数分解能E-16未満）からの10MHz信号は、システムメンテナンス用として常時は使用しません。
  • その理由は、極めて厄介になりました最近の天候状態から、多重直撃雷を受けた場合は、避雷器の多重設置及び火山灰地にかかわらず接地抵抗を大幅削減出来たループ状接地（火山灰地で連接接地棒百本以上使用し接地抵抗は、1.5Ω未満です）ですが、10MHz周波数標準信号をIsolation（避雷器を兼ねるIsolationは、無理）してあっても、問題が発生する可能性があるからです。
  • 時間標準は、このNTP Server (時間確度2ms以内)を使用し、時刻信号をイーサネット配線経由で分配します。この方法ですと、アンテナ系の三重避雷器とイーサネット機器接続機器の二重Isolationの計五重化で、多重直撃雷に耐えられる可能性があります。
  • イーサネット機器から分配しますこの時間標準は、主に、自作のWorkStationベースのPCの時間管理に使用します。
  • 検討中の光ポンプ式セシウムビーム周波数時間標準器（OPCFS）は、検討中止にしました。
  • 何故なら、FTS部品取り用在庫（MGCFS用及びOCXO）に依るCPの観点（無駄）に依り、磁気偏向式セシウムビーム周波数標準器（MGCFS）FTS4065Bをメインの周波数標準器とします。
  • MGCFSのFTS4065Bがメンテナンスが必要な状態になっても、下記のDFSの自走モードにより必要な10MHz周波数標準信号の分配が維持出来ます。
  • デジタルオーディオ用Disciplined OCXO （周波数分解能：5.8E-15）の低位相雑音(離隔1Hz: -130dBc/Hz未満、離隔10Hz: -150dBc/Hz未満（ノイズフロアが、-120dB未満（無雑音））、短期周波数安定度E-14台のOscilloquartz BVA SC_Cut OCXO 8607-8(画像7)へFTS4065B(MGCFS)から接続制御し、その出力を分配増幅器により10MHz周波数標準信号を必要な全ての機器に供給します。（日本特許及び米国特許）

図１．周波数標準フローチャート：MGCFS FTS4065B及びDFSを使ったフロアレベル5E-15の周波数安定度のフローチャート

  • GNSS-OCXOネットワークサーバーを使った時間標準及びイーサネット接続に依るオンライン化

図2．時間標準フローチャート：GPS&GNSS-OCXOネットワークサーバー

  • 下記に掲載のGPS-Rb_OSC機器（掲載外のGPS-TCXO及びGPS-OCXOを含む）とは別に、GNSS-OCXO機器が用意されており、その機器を時間標準器として主にTime Serverとして使用中です。

画像 6. Symmetricom XLi (GPS Timing engine, Rb_OSC & Time Server)

  • GPS＆GSNNへ同期した10MHzの分配出力は、避雷対策により不使用になりました。（但し、確度などの確認用として不定期使用）従いまして、時間標準のシステム管理用のみに使用します。
    図1に示す標準フローチャートの中で、GPS&GNSS_RX (GPS&GNSS_DO仕様機器)（周波数分解能E-16未満）は、OCXOを内蔵したNTPタイムサーバー(時間確度2ms）を兼ねる仕様の機器であり、GPS&Mluti GSNN Receiverを採用し 1E-12未満の周波数確度及び周波数安定度であり、時間確度は、25ns未満です。

表 6. NTPサーバー性能 (NTP stratum 1)

  • BVA-OCXOは、Oscilloquartz社製8607-08 5MHz出力です。同様なBVA-OCXOは、Rakon社製RO-14-08 5MHzであり、同様な短期安定度E-14台ですが、位相雑音が表5.に示す様に、最大5dB程度改善しています。

画像 7. BVA SC_Cut OCXO OSA(Oscilloquartz）8607-08

  • 周波数確度及び安定度の確認は、周波数分解能E-16未満及び周波数確度5E-14/72h（≒260ks）未満の実力があります画像8のRb_OSC内臓のGPS_RX（GPS_DO仕様機器）（TC.Max:1Ms）に依り複数回確認しております。

画像 8. Symmetricom XLi (GPS Timing engine, Rb OSC & Time Server 1_5_10MHz Input)

  • 参考用の最新のSrOLC（ストロンチウム光格子周波数標準器）、 AHM （アクティブ水素メーザー周波数標準器）、OPCFS（光ポンプ式セシウムビーム周波数標準器）及びMGCFS（磁気偏向式セシウムビーム周波数標準器）比較一覧表は、下記に示します。

表7. SrOLC (ストロンチウム光格子周波数標準器）、 AHM (アクティブ水素メーザー周波数標準器）、OPCFS (光ポンプ式セシウムビーム周波数標準器) 及びMGCFS (磁気偏向式セシウムビーム周波数標準器) 比較一覧表

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