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2018年9月15日 (土)

WWVB(60kHz)受信用の公認(?)ループアンテナ(200ターン)

 現在、JJY受信用のアンテナとして、自作の300φ10ターンのループアンテナや、40/60kH同調形のバーアンテナを使用していますが、受信状態があまり良くありません。
 アンテナは、鉄筋コンクリートの二棟の建物の間に挟まれた2Fのベランダに設置しているので、受信環境はかなり悪いです。
 アンテナを交換すれば少しは改善されるのではないかと思って、実績があって簡単に作れるものがないか探していたら、一寸面白そうなアンテナを見かけました。

    EclipseMob Antenna Instructions
    http://eng.umb.edu/~eclipsemob/index.php/homepage/build/117-eclipsemob-antenna-instructions

【EclipseMob用アンテナ】(上記URLから抜粋引用)
Eclipsemob_antenna_and_receiver

  アンテナの作り方が非常に詳しく説明されています。
  使用部品(抜粋)は以下のようになっています。

    Component Quantity
    28 AWG Magnet Wire ~ 800 - 1000 ft
    Antenna Winding Form ~ 10 - 12" square

  1000フィート(約300m)というと結構な長さです。
 "two 100 turn loops"と書いてあるので、コンテナボックスの周囲にコイルを200回巻く必要があるようです。
 単純作業ですが時間がかかりそうです。
 巻き数から想像するとかなり低い周波数に対応していると思われますが、この資料だけでは具体的な周波数がわかりません。

 資料の一番上に”EclipseMob”と書いてあったので、これを調べてみました。
  Eclipse=「食(蝕)」、Mob=「大衆、群衆etc.」

  EclipseMob
  http://eng.umb.edu/~eclipsemob/

 EclipseMobについては、以下のような説明がありました。
  "EclipseMob is a collaborative effort to conduct a crowdsourced measurement of low-frequency radio wave propagation during the August 2017 solar eclipse."
【Google翻訳】EclipseMobは、2017年8月の日食中の低周波電波伝搬のクラウドソース測定を行う共同作業です。

 去年(2017)に米国で日食(Solar Eclipse)が観測された際に、日食が電離層に与える影響を調査するために、WWVB(60kHz)の信号を市民レベルで複数個所で受信し、受信データをスマホ経由でアップロードするようなシステムを構築したようです。

 上記EclipseMobのサイトを見ると色々な情報が書いてありました。
 なお、今回のイベントは終了しているので、大部分の情報は過去のものとなります。

EclipseMob
http://eng.umb.edu/~eclipsemob/

・Build
・・Installing Switches
・・Antenna Alignment Instructions
・・Hacks, Tweaks, and Adjustments
・・EclipseMob Antenna Instructions (ループアンテナの作り方)
・・How to Order Parts for Receiver and Antenna Kit
・・Version 2 Receiver Instructions (受信機の作り方)
・Learn
・Share
・Experiment
・・If you're using another receiver (60kHz→18.2kHz変換の説明あり)
・・The EclipseMob Experiment: Instructions
・・Using the EclipseMob App to Test Your Receiver (アプリによる受信機のテスト方法)
・・EclipseMob Experiment Recordings and Privacy
・・What to do with your EclipseMob kit after the Solar Eclipse? (日食後の活用方法。2024年の日食の時に利用できる?)
・・About the Experiment
・・・History of EclipseMob
・・・The EclipseMob Project and why we care?
・・All About WWVB
・・NIST's WWVB Coverage Maps
・News & Events
・About Us
・Contact Us
・Resources
・EclipseMob App Updates

 全体の様子がぼんやりと判ってきましたが、信号の流れがよく判りません。

 受信機の回路ブロック図があったので、一寸眺めてみました。
 EclipseMob → Build → Version 2 Receiver Instructions
  http://eng.umb.edu/~eclipsemob/index.php/homepage/build/126-receiver-instructions-2

【EclipseMob受信機】(上記URLから抜粋引用)
Eclipsemob_reciver

【INA103】Low Noise, Low Distortion Instrumentation Amplifier
(http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina103.pdfから抜粋引用)
Eclipsemob_ina103

【AD633】Low Cost Analog Multiplier
(http://www.analog.com/en/products/ad633.html#product-overviewから抜粋引用)
Eclipsemob_ad633

  作り方については、写真付きで詳細な説明がありますが、動作の説明は少ないです。
 ブロック図からなんとなく信号の流れが判ってきましたが詳細な動作は判りません。

 下記の資料を見てやっと信号の流れが判りました。

   EclipseMob→Experiment→If you're using another receiver
   http://eng.umb.edu/~eclipsemob/index.php/homepage/experiment/143-if-you-re-using-another-receiver

 以下のような説明がありました。
  "In order to get a 60 kHz signal through the audio input passband of a phone (most phones have an antialiasing filter that cuts off at about 22 kHz), EclipseMob's receiver downconverts, using the phone to generate a 20.9 kHz local oscillator signal.  That signal is doubled in one multiplier and then fed into a second multiplier to convert down to 18.2 kHz, which we'll be able to detect with the phone.  Because of this setup, we'll be looking for WWVB on 18.2 kHz, and you won't be."

  文章では判り難いですが、ブロック図にすると信号の流れが見えやすいです。(入力アンプは省略)

       WWVB(60kHz)→Ant→mixer(mux2)→18.2kHz→Smartphone
                                           ↑41.8kHz
Smartphone(OSC 20.9kHz)→doubler(mux1)

 60kHzの信号を、スマホで発生させた20.9kHzの信号を2逓倍した41.8kHzの局発信号と混合して18.2kHzに低域変換し、音声帯域信号としてスマホに供給するようです。

 別の資料を探してみたら、以下の記事にも"official receiver"について書いてありました。

  ‘W’eird Signals: Listening in on the Eclipse
    August 15, 2017
    https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/weird-signals-listening-eclipse
(以下、上記URLから抜粋引用))
--------------------------------------
In the official receiver, the WWVB radio signal is picked up by the antenna and passed to the circuit, which shifts the signal down from 60 kHz to 18.2 kHz. Now in the audio band (roughly 20 Hz to 20 kHz), the frequency-shifted signal is fed to a smartphone via the headphone jack.
--------------------------------------
 

 EclipseMob用のアプリが提供されているようなので探してみたら、それらしいアプリがありました。
   
  EclipseMob - Google Play のアプリ
  2017/08/16
  https://play.google.com/store/apps/details?id=org.eclipsemob&hl=ja
(以下、上記URLから抜粋引用)
--------------------------------------
更新日:2017年8月16日
サイズ:4.2M
インストール:100+
現在のバージョン:1.1
Android 要件:4.0.3 以上
--------------------------------------

 どのようなアプリなのかと思って、インストールしようとしたのですが、「このアプリはお使いのどの端末にも対応していません。」というメッセージが出てきました。

【EclipseMobアプリ】
Eclipsemob_application

 メインで使用しているスマホSH-01FはAndroid 4.4.2なので、要件は満たしているように思えますが、理由はよく判りません。
 アプリの提供は終了?

 EclipseMobは、かなり大がかりなプロジェクトだったようですが、結果はどうなったのか気になって調べてみました。

 EclipseMob(http://eng.umb.edu/~eclipsemob/)には、以下のように書いてありました。
  "EclipseMob has collected nearly 500 recordings from locations across the United States."

 以下の記事を見ると"EclipseMob supplied 150 DIY kits"と書いてあります。アプリのインストール数も”100+”となっているので、大体計算が合います。

  SAO/NASA ADS Physics Abstract Service
  EclipseMob: Results from a nation-wide citizen science experiment on the effects of the 2017 Solar Eclipse on Low-frequency (LF) Radio Propagation
  http://adsabs.harvard.edu/abs/2017AGUFMED34B..08L

 全体で500件のデータが集められたようなので、キット以外の受信手段で受信した人もかなりいたということでしょうか?

 観測結果に関する記事をかなり探してみたのですが、それらしい記事を見つけることができませんでした。
 一寸不思議だと思っていたら、その理由と思われることが、下記の資料(顛末記?)に書いてありました。

    HamSCI
    Crowdsourced Lessons Learned from the 2017 Solar Eclipse LF Exercise
    http://hamsci.org/sites/default/files/publications/2018_HamSCI/20180223_140_HamSCI2018_Liles_NQ6Z_Eclipse.pdf

 以下の記載がありました。

  "・problem with the app - receiver interface, extracting the signal has proven to be a challenging signal processing problem."

 教訓として、「手に負えなかったら助けを呼ぶ!」、「テスト、テスト、またテスト!」等が挙げられていました。
 自分も一寸耳が痛いかも・・・

 今回の観測結果を踏まえて、2020年と2024年用の改良版のインターフェースが検討されているようです。

  EclipseMob 2020/2024 Bluetooth-Based Kit for Crowdsourced Ionospheric Measurements
  https://fallmeeting.agu.org/2018/abstract/eclipsemob-2020-2024-bluetooth-based-kit-for-crowdsourced-ionospheric-measurements/
(以下、上記URLから引用)
--------------------------------------
Abstract Body:
The first EclipseMob project was an effort to crowdsource a geographically widespread LF radio wave propagation measurement during the August 2017 solar eclipse. The path and visibility of the eclipse in relation to the United Sates provided an opportunity to study the time and location dependence of the ionospheric disturbance brought on by the total solar eclipse, an opportunity that will not arise again in the United States until the year 2024. 150 DIY receiver and antenna kits were distributed across the United States to hobbyist, students, educators and other citizen scientists. Unfortunately, a problem with the interface between the kit and the smartphone app prevented most kits from collecting usable data.

The smartphone-based receiver and center-tapped-loop antenna kits will be redesigned for the 2020 (South America, India) and 2024 (North America) solar eclipses; the kit will be designed to require minimal tool use and no soldering. Since smartphones are increasingly moving away from audio jacks, the receiver kit will contain a BLE Arduino board that provides A/D conversion and a local oscillator signal. The design will also include onboard test circuits for the participants to check if the kit has been assembled correctly. We will present details of the redesigned EclipseMob kit.
--------------------------------------

  どうも、受信キットとスマホとの間のインターフェースが不調であったため、利用可能なデータを殆どの受信キットから収集することができなかったようです。
  "prevented most kits from collecting usable data." ということは。全滅という訳ではなくて、利用可能なデータもあったということなので、アンテナと受信機自体はOKだったと考えていいように思われます。

 60kHzの信号を音声帯域の18.2kHzに変換してケーブルでスマホで伝送するインターフェースだったようですが、音声帯域を使ったインターフェースは、動作条件(レベル、波形等)が結構クリチカルです。昔の話ですが、Kansas City Standardでは結構苦労しました。

 新しい受信キットでは、Arduinoボードを使用してA/D変換、局発信号発生を行って、Bluetoothでスマホに伝送するようです。

  1年以上前のイベントで使用されたループアンテナを元ネタにして、好奇心に任せてあちこち脇道に逸れて、話が拡散してしまいましたが、上記の各資料を見た範囲では、アンテナ自体には問題はないようなので、次に60kHz用ループアンテナ製作時の参考になるかもしれません。

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