ESP32 の GPIO から 疑似的に 日本標準電波 JJY を出してみる実験、第１弾

こんばんは。

私は３つくらい電波時計を持っていますが、部屋の中まで電波が届きません。
また、仕事上で正確な時刻を刻む腕時計が必要なこともあって、腕時計も電波時計にしたのですが、仕事場の中まで電波が届きません。

仕事場と家の中も壁掛け時計がありますが、電波が届かず結局のところ手動で時刻を合わせている次第です。

そこで、数年前 Arduino で電子工作を始めた頃、以下の記事を見つけました。

Arduino で電波時計を合わせよう

この記事には衝撃を受けて、夢中でプログラムを入力した覚えがあります。
そして、Ethernet Shield をつけて実際に動かして、電波時計が合わせられた時は感動しましたね。

でも、当時はそのプログラムの意味や、福島もおおたかどや山から送信されてくる 日本標準電波 ( JJY )の仕組みはサッパリわかりませんでした。

最近になって、趣味で電子工作や数々のプログラミングをこなしているうちに、マイコンの知識や電子部品の知識が少しずつでも身についてきて、やっとこのプログラムや 標準電波の意味を理解できるようになってきました。

私は工事担任者や陸上特殊無線の免許は持っていて、ある程度の電波の知識はあるつもりですが、随分昔に取ったので殆ど忘れていました。
アマチュア無線の免許は持っていません。
ですから、基本的に無線工学は素人です。

でも、実際に電子工作で電波を出すことにトライしてみると、最近はとてもよく理解できるようになってきました。

そこで、今回は ESP-WROOM-32 ( ESP32 )を使って、GPIO から 標準電波 JJY を出してみることに挑戦してみようと思います。
ただし、電波は30㎝ も飛びませんし、ノイズの多いパルス波（方形波）なので、あくまで疑似的な標準電波モドキです。

まずは、実験の第１弾として、ESP-WROOM-32 開発ボードを使って、GPIO から 40kHz のパルスを出すことをやってみます。

日本標準電波 JJY の出し方について

※以下は個人的見解です。誤っていたらコメント等でご連絡ください。
まずは、標準電波の出し方ですが、以下のサイトで公開されています。

標準電波の出し方について

そして、その電波のタイムコード例は以下のページにあります。

タイムコード（例）

これを見ても昔はサッパリ分かりませんでしたが、今は私なりにかなり解明できました。
もし、間違っていたらコメント欄等でお知らせください。

要するに、簡単に言うとこんな感じです。

福島のおおたかどや山標準電波送信所の場合、搬送波が 40kHz で、デジタル伝送のビットを送信する場合、振幅を 10:1 の比率にします。
そして、３種類のビットデータを１秒毎に送ってトータル１分のデータを送ればよい。

３種類のビットデータはこんな感じです。

●マーカー —- 200ms(High)　800ms(Low)
●2進数のゼロ  —-  800ms(High)  200ms(Low)
●2進数の１  —-  500ms(High)  500ms(Low)

よくよく読み込んでみると、ESP32 で意外とできそうな気がしてきました。

では、それぞれについて私なりに考えてみます。

搬送波について

搬送波というのは、基準となる周波数の電波ですね。
その電波の周波数を変えずに、その電波を大きくしたり小さくしたりして、データを送ることができます。
（AM変調）

電波は、電線の電圧を高速でHigh-Low切り替えるだけで飛び出してきます。
切り替える周波数が高いほど飛びやすくなります。
そして、電圧や電流が大きいほど電波が強くなります。
この電波の強さは電波法で厳しく規定されているので、むやみに強くすることができません。

電波時計の標準電波 JJY の搬送波は40kHz （福島おおたかどや山標準電波送信所の場合）です。
40kHz ということは、サイン波形の１波長が 25μs (マイクロセコンド)です。

基本的に、マイコンの GPIO ピンを HIGH – LOW を高速で繰り返して、電線を引き回せば電波が出てきます。
しかし、それは以下のような方形波（矩形波、パルス波）となり、これを電波に出してしまうと様々な障害が出てきます。
方形波とは、簡単に言うと基準サイン波の奇数倍周波数のサイン波を合成したものと同じなのです。

例えば、40kHz パルス波（方形波）の場合、40kHz, 120kHz, 200kHz, 280kHz,・・・という奇数倍のサイン波（高調波）の合成波です。
ですから、それぞれの周波数を受信する機器にとっては混信やノイズにさらされていることになります。
つまり、搬送波は純粋なサイン波でなければならないということです。

ただ、いくら純粋なサイン波でも、電波を強く出してしまうと電波法違反となって捕まってしまいます。
使える強い電波は既に免許を持っている無線局に割り当てられていて、その免許の無い者はその電波を出すことができません。
ただし、電波法によれば、微弱電波ならば周波数を自由に設定して使用することができます。
その件については、総務省の以下のページを熟読してください。

微弱無線局の規定

このページに書いてあるように、距離が３ｍ のところで電界強度が 500μV/m 以下であれば自由に使うことができます。

電子工作で、3.3V～5V で銅線を引き回して、マイコンの GPIO を 40kHzで High-Low 切り替える程度ならば、電波は50㎝ も飛びませんので、電波法違反にはならないと言えます。
実際のところ、ブレッドボードのジャンパワイヤーなどは、それ以上の周波数のパルス波（方形波）を I2C や SPI 通信で使っているので、問題ないと言えるでしょう。

ただし、電圧や電流を増幅したり、高効率のアンテナを作って微弱無線局の規定を超えたら電波法違反となって捕まってしまいます。
その点は十分ご注意ください。

ESP-WROOM-32 ( ESP32 )のプログラムを組んで、GPIO からDAC ( DAコンバーター)ピンを使って純粋なサイン波を出そうと試みましたが、40kHz という高周波は無理のようです。
ですから今回は高調波ノイズを含みますが、GPIO の High-Low切り替えのみの方形波（パルス波）を搬送波として作ってみることにしました。

マーカー（Ｍ）及びポジションマーカー（Ｐ０～Ｐ５）

時刻をタイムコードに変換したデータを実際の電波で送信するには、搬送波の振幅の大きさを変えてデータを送ります。
これは要するにデジタルの AM 変調です。

マーカーおよびポジションマーカーとは、データの開始点や終了点を示したり、データを区切ったりする役割をするものです。
その電波の波形はこうなります。

搬送波の40kHz を保ったまま、Highレベルを 200ms、Low レベルを 800ms にして、振幅の大きさを 10:1 の比率にすると規定されています。
これを ESP32 ( ESP-WROOM-32 )だけで実現しようとすると結構難しいです。

なぜかというと、GPIO を連続して長時間パルスを出し続けるプログラムを組むと、マイコンを監視する機能のウォッチドッグタイマの動作する余地が無いからです。
ですから、Lowレベルは delay関数を使って休止させることにしました。
delay関数を使っている間はウォッチドッグタイマが動作することができます。
振幅は 10:1 の比率ではなくなってしまいますが、それでも電波時計は受信できたので今回はヨシとします。

２進数のゼロについて

２進数のゼロというデータの電波はこんな感じです。

ESP32 でやる場合は、Lowレベル をdelay関数で休止します。

２進数の１について

２進数の１という電波はこんな感じです。

ESP32 でやる場合は、Lowレベル をdelay関数で休止します。

以上の３つの種類のパルスを ESP-WROOM-32 ( ESP32 )の GPIO で作ることができれば、標準電波 JJY の疑似電波が出力できるということになります。
よくよく解明してみると、意外と簡単そうに見えますね。

時刻のBCD 値とは

２進の０とか、２進の１とかいうデータは、時刻を BCD値に変換した２進数の値のことです。

例えば３７分という10進数の値を BCD値に変換するとこんな感じになります。
時計の場合は各桁を分けた方が、プログラミングを操作しやすいですね。

パリティビットとは

パリティビットとは、電波でデータを送受信した際の誤りチェックに使うものです。
例えば、電波でビットを送信していて、途中でノイズが入って、ゼロであるはずの値が１となってしまった場合、パリティビットで整合性をチェックして、誤っていたらそのビットは受信しないという判断ができます。

標準電波の出し方のページにあるように、パリティビットの計算は

PA1 = (20h+10h+8h+4h+2h+1h) mod 2
PA2 = (40m+20m+10m+8m+4m+2m+1m) mod 2

となっています。
要するに、PA1 は「時」を BCD値に変換した２進数ビットを全て足して、2で割った余り。
PA2 は「分」を BCD値に変換した２進数ビットを全て足して、2で割った余りです。

Arduino IDE でプログラミングする場合、

PA1 = (20h+10h+8h+4h+2h+1h) % 2;
PA2 = (40m+20m+10m+8m+4m+2m+1m) % 2;

となります。
時刻や分を取得した後、しばらく経ってパリティを送信して、整合性が取れていれば、前に送信した時刻データは正しいということになります。

では、実際にプログラムを組んでみましょう。

使用するもの

ESPr Developer 32 または ESP32-DevKitC

ESP-WROOM-32開発ボードは、USB機器に優しいソフトスタート機能が付いていて、Windows機器との相性が良いFTDI製 USBシリアル変換を搭載した、スイッチサイエンス製の ESPr Developer 32 がお勧めです。

スイッチサイエンスさんのページ→ ESPr® Developer 32

私のレビューの記事は以下を参照してください。

ESPr Developer 32 ( スイッチサイエンス製 ) を使ってみました

本家 Espressif社製の開発ボードは、秋月電子通商さんや、Amazonさんで購入できます。

秋月電子通商さんのページ→　ＥＳＰ３２－ＤｅｖＫｉｔＣ　ＥＳＰ－ＷＲＯＯＭ－３２開発ボード

砲弾型LED

一般的な砲弾型LED です。
10mA の電流が流れても壊れないものにしてください。
GPIO に 10mA 以上流れないように、以下の電流制限抵抗をつけます。

固定抵抗

GPIO に流れる電流を 10mA に抑えるための抵抗です。
今回の私の環境では、70Ω程度で電流が10mA でした。
後で紹介する方法で抵抗値を決めます。

ブレッドボードに挿せる φ0.65mm 単線電線

ブレッドボードに挿せる、単線(φ0.65mm)電線をアンテナに使います。
要するに硬いジャンパーワイヤー線です。
長めの物が必要です。

自己融着テープ

アンテナ線を固めるためのものです。
マスキングテープとかでもよいのですが、年月が経つとベタ付くので、自己融着テープが良いかと思います。

サンハヤト SAD-101 ニューブレッドボード

ブレッドボードはサンハヤト製の SAD-101 は列が多くて、抜き差しし易くお勧めです。

Wi-Fi環境

インターネットに接続できる Wi-Fi環境が必要です。

1kΩ程度の可変抵抗器（ボリューム）

LED に10mA の電流を流すための抵抗値を決めるための試験用です。

電流計

LED に 10mA の電流が流れているかどうかのチェック用です。
私は以下のアナログテスターを使っています。

ジャンパーワイヤー、パソコン、USBケーブル等

Arduino core for ESP32 の設定を事前に済ませておく

Arduino IDE は最新版の 1.8.3 以降を使用してください。

Arduino core for ESP32 のインストール方法は以下のページを参照してください。

Arduino core for the ESP32 のインストール方法

簡易アンテナを作る

※あくまで無線工学素人工作で、自己満足工作です。
本来のアンテナ作成方法ではありません。
くれぐれもアンテナを増強したり、高性能アンテナに変えないでください。
電波法違反に抵触する恐れがあります。

硬いジャンパーワイヤー、つまり、φ0.65mm 単線電線を使って、簡易アンテナを作ります。

40kHz 電波の波長の整数倍に出来るだけ近づけようとしたのですが、波長は約 7.5km という膨大な長さですので、あまり長さは関係ないのかもしれません。
私は電波に関しては素人ですので、とりあえずそれに近い１辺が7.5㎝にしてみるという安易な考えで作ってみました。

こんな感じで、電線を３回くらい巻いて、１辺を7.5㎝として四角く形を整えて、マスキングテープで仮止めします。

次に、自己融着テープを切って、下図の様に引っ張りながら巻き付けます。
自己融着テープはマスキングテープと違って、日数が経過してもベタ付きません。

こんな感じで引き伸ばしながら巻き付けます。

そうするとこんな感じないなります。

後は、先の被覆を剥いて終わりです。

アンテナに接続する抵抗値を決める。

ESP-WROOM-32 の GPIO に流せる電流値は最大 12mA までです。
12mA ギリギリでは怖いので、10mA の電流を流すことに決めたいと思います。

GPIO の電圧は 3.3V と低いので、電波として飛ばすためには 10mA は欲しいところです。
実験したところ、5mA よりは 10mA 流した方が電波時計にしっかり受信できていました。
本当は 5V 欲しいところですが、今回は 3.3V で我慢します。

ということで、下図の様に可変抵抗器（ボリューム）と電流計を接続してみます。
ボリュームは最大抵抗値にしておくことを忘れないでください。

そこで、下図の様な単純なスケッチを Arduino IDE に入力してコンパイル実行します。

【ソースコード】 (※無保証　※PCの場合、ダブルクリックすればコード全体を選択できます)

void setup() {
  pinMode(17, OUTPUT);
  digitalWrite(17, HIGH);
}

void loop() {

}

可変抵抗器を慎重に調整しながら、電流計が 10mA になったところで止めます。
間違えても 12mA 以上流さないでください。
マイコンボードが故障する可能性がありますので十分注意してください。

私の場合の抵抗値は約 70Ωでした。

接続する

では、抵抗値が決定したところで、下図を参考に接続してみてください。

写真ではこんな感じになります。
70Ωの抵抗は無かったので、51Ωと20Ωの抵抗を直列で接続しています。

スケッチの入力

スケッチを入力する前に考慮しなければいけないことは、例えば標準電波 ( JJY )出力機能がついた自作時計を作る場合、時計表示プログラムで電波発信のパルス出力に支障が無いようにしなければいけません。
そうすると、ESP-WROOM-32 ( ESP32 )は CPU がデュアルコアで、マルチタスクプログラムを組むことが出来るので、それを使います。
マルチタスク（デュアルコア）のプログラミングについては以下の記事を参照してください。

Arduino – ESP32 のマルチタスク ( Dual Core ) を試す

では、40kHz の搬送波で「２進の０」というパルスをマルチタスクで出してみたいと思います。

GPIO は 17番を使用します。

【ソースコード】 (※無保証　※PCの場合、ダブルクリックすればコード全体を選択できます)

const uint8_t Denpa_pin = 17;

//*********** セットアップ ******************
void setup() {
  pinMode(17, OUTPUT);
  TaskHandle_t th; //マルチタスクハンドル定義
  //マルチタスク実行
  xTaskCreatePinnedToCore(Task1, "Task1", 4096, NULL, 5, &th, 0);
}
//*********** メインループ ******************
void loop() {

}
//*********** マルチタスク ******************
void Task1(void *pvParameters){
  while(1){
    //２進の０パルス
    Generator_High(800);
    Generator_Low(200);
  }
}
//*********** 40kHz High レベル発信**********
void Generator_High(uint16_t H_time){
  int i;
  uint16_t H_cnt = 493; //Highレベルが12.5μs になるようにこの値を微調整
  uint16_t L_cnt = 422; //LOWレベルが12.5μs になるようにこの値を微調整
  
  uint32_t LastTime1 = millis();
  while(1){
    digitalWrite(Denpa_pin, HIGH);
    for(i=0; i<H_cnt; i++){
      NOP();  //No Operation(無演算命令）関数
    }
    digitalWrite(Denpa_pin, LOW);
    for(i=0; i<L_cnt; i++){
      NOP();  //No Operation(無演算命令）関数
    }
    if(millis() - LastTime1 == H_time) break;
  }
}
//*********** 40kHz LOW レベル **************
void Generator_Low(uint32_t H_time){
  digitalWrite(Denpa_pin, LOW);
  delay(H_time);
}

【解説】

●8行目：
ここで、メインループのCPUコアとは別のコアでパルス波を出すタスクを実行開始します。
メインループのコア番号は１で、Task1 のコア番号は0 です。

●11-13行：
今回の実験ではメインループには一切プログラムを置きません。

●15-21行：
ここで、Core 0 のTask1 が無限ループで実行されます。
while 文などで無限ループを組む場合、最低 delay(1) が無いとウォッチドッグタイマが動作できないのでご注意ください。
この場合、19行目の関数で delay(200) が実行されているので、問題ありません。

「２進の0」というデータは上記で説明したように、40kHz のパルスを800ms出せば良いです。

●23-40行：
ここの部分が重要です。
40kHz という高周波パルスを出す場合、適当なライブラリ関数が見つからなかったので、無謀にも digitalWrite で HIGH – LOW を切り替えてみました。

問題は、delayMicroseconds 関数がうまく機能しないので、アセンブラ？用関数の NOP() を使いました。
これは無演算命令らしく、これを繰り返し実行して、HIGHレベルをキープしたりして、細かい時間の調整ができました。
これについては Twitter で複数の方々から教えていただきました。

100MHz 程度のオシロスコープでモニタリングしながら、25-26行の数値を微調整して、High-Low レベルそれぞれ 12.5μs に調整します。
気を付けなければならないのは、38行目の if文の計算時間が結構かかりますので、それを差し引いています。
この調整がしっかりできないと、ピッタリ 40kHz の搬送波を作ることが出来なく、電波時計も反応しませんので慎重に調整します。
でも、この方法は私的にはあまり良くありません。
もっと良いレジスタやライブラリ関数を使って安定したパルスを出したいと思っていますが、今回はその方法が見つかりませんでした。

●42-45行：
標準電波 ( JJY )の規定では、Lowレベルは High の10分の１レベルですが、マイコンのウォッチドッグタイマを動作させるために delay 関数を使って停止させています。
これでも電波時計は反応してくれるので問題ないと思います。

 

コンパイル書き込み、実行

では、スケッチをコンパイル書き込みし、実行させてみてください。
LED が 800ms 点灯し、200ms 消灯していると思います。

ここで、100MHz クラスのオシロスコープでGPIO #17 の電圧値を測定してみます。
すると、こんな感じになりました。

しっかり 800ms のパルス波と、200ms の休止が出力されています。

これをもっと拡大してみるとこうなります。

イイ感じで 12.5 + 12.5 = 25μs のパルス長になりました。

これを 高速フーリエ変換（ FFT解析 ）して周波数を見てみます。
私の使用しているこの USB オシロスコープは FFT解析機能があって便利です。

こんな感じになりました。

先ほど説明した通り、パルス波（方形波）なので、40kHz の奇数倍周波数もしっかり出ていますね。
要するにこれはノイズです。
けっこう高周波まで高いレベルで出ています。
こんな電波を強いレベルで世間に放出したら、とんでもない迷惑ですね。
3m以上は飛ばさないように気を付けましょう！

実は、オシロのレンジを細かくしてみると、この40kHz はピッタリではなくて、39.90 Hz でした。
パルス長も微妙に不安定だったりします。
こんな感じで、波形も乱れたりします。

これは for文が原因なのか、ESP32 のそういう仕様なのかはよく分かりません。
これの原因が解る方がいらっしゃったら教えてください。

いずれにせよ、マイコンのGPIO で電波を出力しようとすることが間違えているかも知れません。
本来ならば、安定した搬送波はそれ専用のICチップやデバイスを別途用意するべきだと思います。
近いうちにそれは試そうと思っています。

 

簡易電磁波テスターで計測

※以下はあくまで自己満足測定です。大げさかもしれませんが、少なくとも自分自身が知りたかったのです。

では、ESP-WROOM-32 の GPIO で生成した電波がどれくらい飛んでいるか、調べてみたいと思います。

随分昔に格安の電磁波テスターを購入していて、しばらく使ってなかったのですが、今回は良い機会だったので使って見ました。
こんな製品です。

●電磁波測定器 GM3120

これ、安すぎるので、正確な測定かどうかは疑問ですが、ザッとした目安には良いかもしれません。

ただ、使い方に注意があります。
下図の様に手から離して測定しても電界値は全く反応しません。

磁界のμT のところは反応しています。
電界というのは、人間の体に吸収されるとのことです。
おそらく、中の電界センサー板に入る電波が相殺されてゼロになってしまうようで、手に持てば反対側から来る電界を手が吸収してくれているのだと思われます。
（あくまで個人的な想像です）

ということで、下図の様に手でしっかり持って測定します。
すると、垂直に立ち上がった電線の中央にピッタリ付けて測定した値はこうなります。

155 V/m というかなり高い値です。
これをちょっと離してみます。

すると、たちまち値が低くなって 5 V/m まで下がりました。
もう少し離してみると

殆ど検出しなくなりました。

ということで、電波は殆ど飛ばないようです。

次にアンテナループの中心で測ってみます。

さっきの電線付近よりも少ないですね。

これをちょっと離してみます。

さっきの電線付近でこれくらい離したら検知しませんでしたが、こちらの方が飛んでいるっぽいです。

次に、上部水平の電線に平行に測ってみます。

かなり高い値が出ました。
垂直電線の倍くらいありますね。
これは、電波の偏波面の影響でしょうか。

では、この位置でちょっと離してみます。

すると、この距離で検知しなくなりました。

以上をまとめると、

●電線に接触させた方が電波が強い。
●ループアンテナの中央はそれほど電波が強くないが、ちょっと離しても電波が飛んでいる。
●電線と平行に受信アンテナを立てると感度が良い。
●この程度の信号とアンテナでは、10㎝以上離すと電波は受信できない。

ということが言えそうです。
安物テスターなので信頼度はありませんが、だいたいこんな感じです。
ということは、ブレッドボード上のジャンパーワイヤーなどはこれくらいの電波が常に放出されていると言えますね。
いずれにせよ、これくらいの微弱電波ならば電波法に抵触することは無いと思います。

ただ、電圧や電流を増幅させたり、アンテナをもっと高効率のものに変えてしまうと電波法違反になってしまうので要注意です。

まとめ

以上、ESP-WROOM-32 ( ESP32 )の GPIO から 標準電波 ( JJY )を出す方法の第１弾でした。
あくまで疑似的で、高調波ノイズの多い方法です。

次回はこれからさらに進めて、実際に電波時計を合わせる 標準電波 JJY を出力させてみようと思います。

今回はここまでです。

ではまた・・・。

この後の以下の記事では、サイン波発生器を使って、高調波ノイズを極力抑えて電波時計を合わせた実験をしました。
合わせてご覧ください。

https://www.mgo-tec.com/blog-entry-ad9833-sign-radio-clock-jjy-esp32.html

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