アンテナ設計 分配編

技術

これは

アンテナ端子数が20とか30とかを超えてしまった逸般の誤家庭に於ける分配設計のお話。 応用としてマンションとかアパート、豪邸のようななんかアンテナ端子がいっぱいある場所の設計にも使えるかも。しらんけど。

前提事項

この記事を読む上で知っておきたい知識をあなたに。

信号品質

信号品質とは、信号の品質の良さを表す値である
SN比 (Signal Noise 比) とも呼ばれ、この値が大きいほど信号の品質が良い。こちらは信号の強さではないが、あまりにも信号が弱い場合は下がる

メーカーによって値の設定が全く異なるため、同一メーカーの機器で測定をしたものを除いてどちらのほうが品質が良いとか言えない代物である

テレビジョン受信機などで表示される 「アンテナレベル」はこちらの値であり、信号強度ではない

アンテナレベル

信号強度

機材に寄っては「受信強度指数」と呼ばれたり、PanasonicのCATV向けSTBの隠し機能 *1 として見れたり
こちらは流れてくる信号の強さを示す値で、品質は関係ない。

信号強度、信号品質

分配器

入力から入った信号を等分する。
原則、2, 3, 4, 5, 6, 8 端子の分配器が販売されている。

おそらく最安で高品質な分配器を提供してくれるであろうソリッドケーブル製品のリンクを張っておく

分岐器

入力から入ってきた信号の一部を結合出力へ出力する。
入力 - 出力間の損失を小さくしたい場合に利用する。
原則、1, 2, 4 端子の分岐器が販売されている。

1分岐器

混合(分波)器

周波数の異なる信号を混ぜたり、分けたりする機材。
例えば、 衛星(BS/CS)と地上(CATV/VHF/UHF)を混ぜるなどの用途に利用される。

特定周波数以下と特定周波数以上を分ける回路となっているため、方向を逆にすることで混合器としても分波器としても使うことができる。

混合分波器

終端抵抗

空き端子に接続する。開放状態だと電波の反射が発生するため、端末が接続されているかのように見えるようにするためにつける。
分岐器の出力に何も繋がない場合、ブースターに近い位置の分配器の空き端子などに接続する。

特に、分岐器の出力を開放した場合は結合出力の信号に影響が発生するため必ず設置する。

終端抵抗

ブースター (増幅器)

信号を増幅するための機器。基本的に来た信号をそのまま増幅するため、もともと信号の質が悪い場合は特に効果がない。また、定格入出力を守らない場合はノイズを発生させるなど逆効果となる場合があるため、理解して使う必要がある。

動作的にはオーディオアンプと同じ挙動をするため、定格を超えると音割れしたり、出力が何らかの原因により入力に回り込んだ場合に共振 (ハウリング) が発生し、周囲に迷惑をかける可能性がある。

また、信号に合わせた機材を利用する必要があり、受信環境がCATVなのにUHFブースターを利用したり、その逆を行った場合は正常な受信ができなくなる。*2

アンテナ受信以外の方法で放送を受信している場合 (ex. CATV, 共同アンテナ等)、必ず提供事業者にどのようなブースターを利用することが望ましいか確認する必要がある。 また、あまりにも古いものを利用している場合は 700MHz 帯域の携帯電話利用などで正常に動かなくなる可能性があるため、新しく買うなら 4K8K 対応モデルを購入されることをおすすめします。*3

以下にマスプロ製品の代表的な4K対応ブースターを紹介しておきます。

ブースターの仕様書の読み方

ここでは、サン電子製のCBF-K35DAを参考に解説する。
https://sun-ele.co.jp/products/detail?p=CBF-K35DA

利得

増幅できる信号の強度を示す。
例えば、利得が35dBuのブースターへ40dBuの信号を入力した場合、最大 75dBu で出力できる。

適正入力レベル

そのブースターに入力できる信号強度の範囲である。
特に地上デジタルの弱電界に設置する場合や遠距離受信する場合は「下限」の値が重要となる。
例えば、アンテナで受信した信号のレベルが 37dBu の場合に 35dBu のものなら問題なく利用できるが 40dBu のもの場合は若干受信が不安定になる可能性がある。

余談ではあるが、適正入力を上回る場合は、そもそもブースターなんていらないんじゃない？とかいう話になる。どうしても使いたい場合はアッテネータ(減衰器)で減衰させて入力する必要がある。
わざわざ信号強度下げて、上げ直すのってなかなか無駄だよねっ？ねっ！

定格出力レベル

そのブースターの出力できる信号強度の上限である。
オーディオでは、定格を上回ると「音割れ」という動作が発生する。音割れと同じ原理により、信号の品質が悪くなってしまう。
出力定格に関しては、ブースターの本体にも記載されている。

雑音指数

増幅器の入力と出力それぞれの信号品質がどれだけ悪化するかを示す値である。
計算式としては ${入力信号品質} / ${出力信号品質}

この値は、小さければ小さいほど高性能となる。

多段 (カスケード) 接続

ブースターは必要に応じて多段接続する必要が出てくる。多段接続は以下の内容を守って接続する

  1. 多段接続は3段までとする
  2. 定格出力及び利得はすべてのブースターにおいて 2段のときは -5dBu, 3段のときは -8dBu を目安とする *4
  3. 2段構成で2段目の利得を最大として利用した場合は、1段目のブースターを -10dBu 運用する

DXアンテナ CUF45HS 取扱説明書より

カスケード接続時の利得設定

Tips: 多段接続の場合、以下のように設定可能な範囲内で利得を設定するとノイズが可能な限り少なくなると考えられる

  • 途中にあるブースターは可能な限り低めの利得を設定する
  • 末端にあるブースターは可能な限り高めの利得を設定する

例: 1段目の出力を、2段目のすべてのブースターに 65～75dBu程度 で入力できる最小限の値で設定を行う。

屋外用と屋内用

屋内用は水に濡れる可能性がない場所に設置する
屋外用は水に濡れる可能性がある場所に設置する。例えば、ベランダや屋根の上で衛星+地上を混合して1本のケーブルで引き込みたい場合や、外壁を取り回して各部屋にアンテナ線を引き込みたいときなど利用する

屋外で利用する場合は、雨線内*5でも屋外用の分配器を利用することが望ましい。雨線内でも錆びてだめになっている分配器をいくつも見たことがある

屋外用が販売されていない機材を屋外で利用したい場合は、ウォルボックス等で水に濡れないように保護する

日東工業 プラボックス(屋根付) OP10-22A 色彩:ホワイトグレー色

受信機

定格入力レベル (受信機)

受信機には定格入力レベルというものがあり、定格入力レベルは書いてあるのであれば、取扱説明書の「仕様」に記載されている。
まぁ、大体の場合は書いてなくても以下の範囲内であることが多い。

特に、性能が悪いチューナーを利用する場合、いずれも 60～75dBuくらいまでと考えたほうが良い *6

損失

損失には複数種類の損失が存在し、以下の様なものである

  • 分配損失: 分配器の入力/出力間で減衰する信号強度
  • 結合損失: 分岐器の入力/結合出力間で減衰する信号強度
  • 挿入損失: 分岐器の入力/出力間で減衰する信号強度
  • 通過損失: 混合器の本来の経路を通過する場合に減衰する信号強度
  • 阻止帯域減衰: 混合器の逆側から入ってきた信号を減衰する信号強度
  • 電線(ケーブル)損失：電線の損失。左旋信号(2.1～3.4GHz帯)10mとか20m延ばすと影響が出てくる

損失はケーブルや分配器、分岐器、混合器などの仕様書に記載されているので確認してほしい

LNB電源 (BSアンテナ電源)

衛星放送は、十数GHz という同軸を伝送した場合、減衰が激しく使い物にならない周波数で衛星から放送されている
そのため、アンテナに同軸で伝送可能な周波数まで変換してから同軸で伝送している。その周波数変換アダプタ(LNB)はDC15Vで動作しているが、チューナーからLNBへ送る電源のことをLNB電源という

一般的に共聴システムではブースターから電源を供給するため、チューナーから供給することはしない

ここまでは用語解説的な付属資料です。さぁ本編へ進みましょう……。

標準的な利得

ケーブル事業者やフレッツテレビ、BS/CS衛星アンテナの一般的な出力レベルのお話

詳しくは提供事業者に問い合わせて、回答を得てください。

基本分配設計

分配数が偏るとそれぞれの端子に到着する電波の強度に偏りが発生し、調整が難しくなるため分配数はすべての端子において可能な限り同じ分配数にする必要がある。

チューナーまでの分配数「通過するすべての分配数をかけあわせたもの」となる。

上記の分配で、それぞれのチューナーにたどり着く信号の違いはこんな感じ。幅が広ければ広いほど信号が強い。

例えば、13分配システム を構築する際の正しい例2つ、正しくない例2つの合計 4つ例を示す。

それぞれ、以下の信号強度の差が現れる。

  1. すべての信号強度が 16分の1
  2. 16分の1と12分の1 の2種類がある。信号強度に最大で1.33倍の差が (約1dBu程度) がある。しかし、これは誤差の範囲。
  3. 8分の1と 48分の1 の2種類がある。信号強度に最大で6倍の差 (約12dBu程度) がある
  4. 8分の1 と 24分の1 の2種類がある。信号強度に最大で3倍の差 (約6dBu程度) がある

分配設計 (4K8K 左旋対応版)

分配設計に関して、考慮する事項は以下の通り

  • 分配時は、各アンテナ端子への出力が 65～75dBu程度に収まるように設定
  • 電波強度の統一が難しいため、可能な限り送り配線はしない
  • 高周波数帯域の損失が非常に高いため、そのシステムで流す信号のうち、一番高い周波数について考える
  • 可能な限り、分配器の個数は少なめに設定する
  • 可能な限り、ブースターの段数は少ない数にする

128端子設備の場合の構成図を下記に記載する

128端子は 8分配 + 8分配 + 2分配 の構成にて実現可能であるが、この分配損失は 19.3 +19.3 + 7.3 = 45.9 dBu であり、ブースター利得を最大にして 108dBu 出力でも 62.1dBu となってしまい、1台で構成することは難しいため、2段での構成を考える (まあ実際は多分ぎりぎり足りるので大丈夫だと思います)

ブースターはサン電子製 CBUF-K38DS を利用する

CBUF-K38DS 仕様書 (抜粋)

仕様書から、以下の情報を読み取ることができる

  • 利得は 最大で 43dBu である
  • 入力信号は 45～85dBu の範囲に収める必要がある
  • 定格出力は 108dBu である

ブースターの多段接続の話から、以下の範囲で利用が可能である

  • 定格出力は 103dBu まで
  • 利得は38dBu まで

今回はマスプロの分配器を利用する。まずはじめに分配損失表を確認する

分配損失表

次に、分配構成を考える。この場合は128端子の構成を考えるため、2, 4, 8 分配器を利用する
また、100dBu 出力のブースターを 3.2GHz 帯の減衰を考慮して有効な分配を設計すると、以下のようになる

  • 64分配 (8分配2段、100 - (19.3 + 19.3) = 61.4dBu/端子) 不足
  • 32分配 (4+8分配、100 - (13 + 19.3 ) = 67.7dBu/端子) 割とギリギリ
  • 16分配 (4+4分配、100 - (13 + 13 ) = 74dBu/端子) 適正
  • 16分配 (2+8分配、100 - (13 + 7.3 ) = 73.4dBu/端子) 適正
  • 8分配 (8分配、 100 - 19.3 = 80.7dBu/端子) 過剰

ここでは、ブースターの下でそのまま受信機に差し込むような環境を想定しているため、32分配を利用することとすると、以下のような構成となる。
1段目の分配数を8に変更しても問題なく動作するため、最大で 256端子 まで増やすことが可能である *7

128端子の分配構成

あくまでも、上記構成は同じ部屋にすべてのポートが欲しい場合の構成である。 通常アパートやマンションでは線路(ケーブル)損失が発生する、居住者がレコーダへ分配するなどの可能性を加味して 75dBu 程度が分配器から出力されることが望ましい。
一般的な 5C-FBケーブルに於ける 3.2GHz帯の損失は 10m あたり 5dBu 以下である。場合によっては16分配/ブースターでも足りなくなるのである

128端子の分配構成2

ブースターはヤフオクで購入する場合、未使用新品のものでも 6000円程度する。少しでもケチりたい。フレッツ・テレビや一般的なFTTH型CATVの出力はだいたい 75dBu 以上である。 また、部屋のコンセントから割と良質な状態で信号が出力されている場合、1段目のブースターが不要になることも考えられる。

ブースター4台だけで以下の構成が可能である。

1段目のブースターを不要とする場合の構成

分配設計 (周波数制限版)

「うちのレコーダーは 4Kなんか対応していないぞ！」という方向けの設計。もちろんうちも4K対応のチューナーなんてそんなにいっぱいない。つまり、考慮不要なのである
そういったときに上記の分配損失表を見ると、いかに高周波数対応がブースター数の上昇に加担しているのかわかると思う。ブースターは高い装置なのである

CS右旋が 100dBu で出力されている場合に 8分配器2段で合計64分配する場合は以下の計算となる
100 - ( 17 + 17 ) = 66dBu

有料放送なんて見てないよ！BS右旋だけでいいよ！という場合、以下の通りとなる
100 - ( 13.5 + 13.5 ) = 73dBu

BS右旋だけでいいなら、更に2分配器を追加しても 73 - 5 = 68dBu で端子レベルとして全然足りるのである。いかに高周波数対応がもったいないかわかる
4Kを捨てるだけでブースターの数をかなり減らせるのである

余談ではあるが、性能の良い受信機だけを使うのであれば、CS右旋が 60dBu 程度でも何の問題もないため、4K放送を見ないのであれば 100dBu で出力されるブースター1台ですべて賄えてしまうのである

高い建物の場合

世の中には高い建物 (ex. マンション) 等が存在する場合がある。そういった建物の場合は次のような設計とすると効率よく配線できる
以下の例では 6階建て、各階8部屋 (合計48部屋)、各戸2端子の合計端子数 96端子 の建物の場合である。ブースター8台 のなかなかゴージャスな設置台数となっている。

  • 0段目: 超低ノイズブースターは、屋上から1Fまでの線路で損失する減衰量を補うために屋上に設置する
  • 1段目: 各ブースターまでの利得を確保するために最下階に設置する
  • 2段目: 各部屋へ配送するために各階に設置する

全48戸のマンションのアンテナ設計

ちなみに、左旋放送に対応しない場合はブースターの数が 3～4台で済む。やはり人類には 4K/8K 放送は早すぎるのである……。

[参考] 同一構成で左旋に対応しない場合

余談

なんか困ったときにどうぞ

TOKYO MX が弱くて設計が困難

キー局 (UHF21～28ch) と TOKYO MX (UHF 16ch) の信号強度が 20dBu 程度異なっており、強度を統一したいときなどには、レベル差改善フィルタなどを利用する

e431.jp

遠距離受信や弱電界地域で信号が弱すぎる

信号が弱すぎてブースターで増幅するとノイズが増えてしまう場合などは、「前置ブースター」と呼ばれる機材を利用する

個人的には適正入力が 35dBu以上となっているサン電子製の HB-U25MC をおすすめします。マスプロや日本アンテナ、DXアンテナ製品は 40dBu 以上の物が多く、こちらの製品はより弱い信号に対応できるため。

サン電子製 HB-U25MC

左旋放送を意図してカットしたい

BS/CS 左旋用ローパスフィルタを利用すれば良い。損失の都合上などの理由で左旋信号をカットしたいときなどに有効 *8

マスプロ 4K左旋カットフィルター LPF-2150-P

CATVとかのV-ONUからの出力が強い

出力端子から 80～90dBu とかで出力されていて、ブースターのつまみをいくらいじっても定格出力の範囲に収まらない場合は減衰器(アッテネータ)を利用する
なお、そんだけもとの信号が強いのであればそもそもブースターなんて使わないでもいいんじゃない？とか8分配器でも入れて、予め減衰させればいいんじゃない？とか思ってしまう *9

減衰器(アッテネーター) 3本セット(-6dB/-10dB/-15dB)

電流をカットしたい

BSアンテナのLNB電源を意図してカットしたいことがある。例えば、よくわからないメーカーの受信機 *10 でLNB電源のON/OFFを設定できない場合などである
そういった機材は分配器の非通電側端子に接続すればよいが、全電通分配器などを使っている場合はこちらの選択肢になると考えられる

電流カットフィルタというものが販売されており、そちらを利用することで電源をカットすることができる

マスプロ電工 電流カットアダプター ECAFW

LNB電源を常時供給したい

通常、ブースターから供給するわけなので、考える必要がないはずではある。しかし、4分配以下であればブースターを使わなくてもBS/CSを楽しむことはできる
特に超安価なチューナーやUSB接続のPCチューナーとかではLNB電源の供給に対応していない事がある。その場合、電源供給器を利用することでBSアンテナ電源を供給することができる *11

電源供給機 (ブースター電源部) DC15V 0.6A FE-TPI-SET2

ブースター選び方ガイド

基本的に、アンテナで直接受信している場合のみ UHF ブースターを用いる *12
ただし、共同受信設備(山の上にアンテナを立てているなど)を利用している場合は、必ず施設管理者に確認する必要がある *13

集合住宅の場合は、管理会社に確認する必要がある

ブースター選び方ガイド

*1:PanasonicのSTBで見る方法としてはリモコンの「サブメニュー」→「受信状況」で受信状況を表示した状態でリモコンの「決定」ボタンを10秒以上長押しするとなんか表示される

*2:CATVブースターは「品質の確保された信号」を増幅する設計となっているため、アンテナ受信での利用には向かない

*3:この2つに関連性はないが、4K8K放送に対応しているモデルは UHF の 710MHz 対応が行われているため

*4:メーカー推奨値はそれぞれ -3, -5 であるが、気象/季節により入力が変化する可能性があるため、この値をおすすめします。

*5:屋根の下で雨に濡れないことを想定するエリアを雨線内という。台風などで雨が吹き付ける可能性は考慮していない

*6:ここで言う性能の悪チューナーとは、聞いたことのないようなメーカーの筐体のことである。(例: Dynaconnective, KEIAN, PLEXなど)

*7:4入力のチューナーなら、64台接続が可能

*8:意図して信号をカットすると、ブースターの出力に余裕ができることがある。理由としては 左旋信号は減衰しやすいため、予め強めに出力されることが多く飽和しやすい

*9:そこまでしてブースターを多段接続したいなら止めませんが、8分配したあとに必要なだけブースターを並べれば1台ケチれるし、信号の劣化も少なくなる

*10:具体名を上げるとPLEX社の一部の機種など

*11:特に、PC向けのチューナーからLNB電源を供給した場合、チューナーの寿命を縮める結果となってしまうことがある

*12:CATV用のブースターなら全帯域対応しているから、そちらを使うという事は非推奨となる。理由としてはCATVブースターは安定した電波を増幅するためのものであり、アンテナ受信のように安定していない電波を増幅することには向いていないため。また、710MHz以上が他用途に流用されており、ノイズを増幅する可能性がある

*13:UHF帯パススルーなのか周波数変換パススルーなのかで利用するブースターが異なるため。特に周波数変換パススルーの場合は VHF, ミッドバンド, スーパーハイバンドに変換されている場合はCATVブースターである必要がある