월요일, 8월 20, 2018
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튜너 이야기 #2 – 중간주파수

글쓴이 : SOONDORI(블로그 글 발췌 정리)

Super-Heterodyne 방식이 요즘 사용하는 모든 튜너의 기본작동 방법이고 학습을 하다보면 중간주파수(Intermediate Frequency)라는 개념이 나온다. 100Mhz FM 방송을 수신하고 그것을 그대로 필요한 만큼 다단계 증폭을 하면 100Mhz 주변의 불요한 것들도 모두 증폭될 뿐만 아니라 고주파에 깔끔하게 반응하는 소자를 써야하므로 가격도 비싸진다. 이것은 정말 바보짓하는 셈. 그래서 효과적인 처리방법으로 취급주파수를 낮추는 방법이 발명되었다. 참고로 Heterodyne의 사전적 의미는 두 개의 연동하는 시그널을 혼합한다는 뜻이고 Super는 나중에 붙었다. (표제부 사진 출처 : https://www.mikrocontroller.net/attachment/193791/UKW-Tuner_Carat.jpg)

(자료출처 : http://www.vias.org/basicradio/img/basic_radio_hoag_Page_369-326.gif)

AM은 진폭변조(Amplitude Modulation)이고 FM은 주파수변조(Frequency Modulation)로 각기 작동방법이 다르다. AM은 소리의 크기에 따라 방송국 안테나의 출력이 달라지는 것이고 FM의 경우는 일정한 주파수 안에 음의 폭이 달라지는 그러니까 음의 높이가 아니라 음의 톤이 달라지는 것으로 묘사하면 이해하기 쉽겠다.

(FM : 그림에서 볼 수 있듯 (캐리어(반송파)에 Sine파로 표현되는 음을 혼합하면 낮은 레벨에서는 구간 주파수가 낮아지고 높은 레벨에서는 구간주파수가 높아지는 결과가 나온다. 그러하면 성우의 멘트의 높낮이에 따라 매 시간 또는 매 구간기준으로 Frequency가 변화하는 전파를 만들어 낼 수 있다. 이때 진폭(레벨)은 동일. 위 표현은 발신자(방송국)의 예로서 수신기에서도 동일하다.)

(간단 FM Tranmitter 회로의 예 : http://www.circuitstoday.com/wp-content/uploads/2008/04/fm-transmitter-circuit.JPG)

TR BF494의 단자사이에는 약간의 캐패시터용량이 있다. 아주~ 작다. 코일과 캐패시터 그리고 TR. 고유의 정전용량을 고려하여 발진회로를 만들어 놓았다. 이후 음성이 MIC를 통해 입력되면 TR의 특성인 바로서 단자간 고유 정전용량에 미소한 변화가 생긴다. 그 변화가 기본발진(L1+C2)기 중 C의 값에 영향을 주고 그 결과 주파수의 밀도가 변화한다. 즉, 음의 높낮이에 따라 주파수 밀도가 높고 낮게 변하는 셈이고 이것은 주파수가 변화하는 것이다.

변화한다… 여기서 이상한 점 하나. 그렇다면 고정값으로 이야기하는 KBS 1FM 93.1Mhz의 의미는 무엇일까? “93.1Mhz로 선국했다”고 말할 때 사실은 93.1Mhz를 기점으로 ±Aplha 만큼의 주파수가 변하고 있다. 아무 소리가 없다면 93.1Mhz+0Hz일 것이고 낮은 톤이 입력되면, 예를 들어 93.1Mhz + 100hz, 높은 음이 입력되면 93.1Mhz+1Khz와 같은 식으로, 좌/우 채널을 포함하여 미리 정의된 여유 주파수 내에서 뭔가가 수시로 변동되고 있다고 이해하면 된다.

아무튼, 이상의 일들은 프론트-앤드라는 장치 안에서 벌어지는 일로서 1) 수신된 주파수에 대해서 2) Local Oscillator로 표현된 회로에서 어떤 주파수를 발생시킨 후 3) 둘을 빼거나 더한다. 예를 들어 93.1Mhz 방송을 동조회로에서 잡아냈다 치고 여기에 10.7Mhz의, 항상성을 갖는 주파수를 더하면 93.1+10.7=103.8Mhz 또는 뺄 경우 93.1-10.7=82.4Mhz가 나온다. 이중에 (예를 들어) 103.8Mhz를 가지고 수신한 93.1Mhz를 다시 빼면 다시 10.7Mhz가 나온다. 이 ‘빼기’ 전과 후의 10.7Mhz에 있어서 ‘빼기’ 를 한 후의 10.7Mhz에는 수신된 93.1Mhz 안에 들어있던 음성정보가 묻어 있다는 점이 다르다.

다른 각도에서 이야기하자면 이것은 음성신호가 포함된 10.7Mhz 방송국을 하나를 선택한 것과 같다. 93.1Mhz 고주파신호를 그대로 증폭하는 것보다는 10.7Mhz 짜리 신호를 증폭하는 것이 훨씬 수월하고 회로적으로 기생발진 등이 없어 안정적이며 사용소자들의 구매단가 걱정도 없다. 이런 일은 위 그림의 First Detector 블럭에서 처리된다. (실은 Mixer라는 다른 이름으로 이해해도 무방)

참고로 AM의 경우 IF를 455Khz를 쓴다. 그런데 왜 굳이 10.7Mhz, 455Khz를 쓰는 것일까? 아마도 발명자가 당시에 여차저차 그렇게 정했을 것이며 한 번 정해진 것은 국제표준이 되어 끝까지 갈 수 밖에 없으므로 수 십 년째 사용하고 있는 것일뿐. 한편, 여기서… 더했다 빼고는 뭐하자는 의도? 또 어떻게 주파수를 더하거나 뺀다는 것이지? 개념이 통 이해가 안될 수 있다.

그 다음으로 주파수를 더하고 빼는 방법은 회로적으로 다양한데… 개념적으로는 다음과 같다. X초에 N개 펄스가 있는 경우를 합산 카운트를 한다고 하면 어찌어찌하여 아래 그림과 같이 7 + 5 = 9개라는 전혀 다른 수치가 나왔다. 초 당 펄스클럭의 개수를 주파수라고 생각하면 분명히 주파수가 달라진 것이다. + 되었으므로 더 X 초당 7개 보다 더 높은 9개가 나온 것. 이 그림대로 -를 한다고 하면 총 네 개의 펄스가 나온다. 7 – 5 = 4. 이 역시 모종의 관계식에서 차감의 효과로 또다른 뭔가가 나온다는 뜻.

학습의 대상이 된 Kenwood 미니 튜너의 회로를 살펴보면… 빨간 원 안의 회로가 Font-End 안에 있는 국부발진 회로이다.

MOS-FET로 1차 증폭된 신호(예, 93.1Mhz 시그널)에 대하여 이 회로에서 만들어진 신호가 A점에서 합산 또는 차감된다. 한편, D3으로 표현되는 VariCAP은 입력될 주파수에 연동될 수 있어야 하므로 화살표로 표시된 라인을 따라가면 Up/Down 버튼 조작과 연동되는 전압조절회로에 연결되어 있다. 당연하게도 전 단계의 D1, D2 VariCAP도 같은 라인에 연결되어 있다. 그러므로 이 단계까지의 회로에 있어서는 총 세 개의 VariCAP들이 전압변동에 따라 선형적으로 연결되어 작동하고 있는 셈.

아래 도면에서 빨간 점으로 표현된 부분이 프론트-엔드의 출력 즉, IF단계의 첫 번째 인출점이다. 이후 AN217이라는 AM 튜너 겸 FM IF 증폭용 IC를 경유하고 오른쪽에 있는 RVIuPC1167 IF 앰프 겸 디텍터 IC로 신호가 전달된다. 대략은 중간주파수 증폭과 튜닝으로 기능을 추정, 요약할 수 있을 듯하고 두 개의 IC를 쓰고 있는 것은 테크닉스 설계자의 의도일 뿐이다. 또는 펄스로 제어하는 AM 튜너라는 것도 필요하므로 AM Tuner와 IF 증폭기능을 하나에 묶어 놓는 것이 더 유용했을 듯하다. 이후 FM은 더 강화된 회로를 통해 다듬는다. 그런 통합소자 IC를 사서 제조자가 가르쳐주는 대로 회로설계를 하면 그만. Q2 입력단의 신호는 따로 경로를 따라 PLL 칩으로 들어가도록 되어 있다. 주파수 변동보상(Automatic Frequency Compensation)이나 AGC(Automatic Gain Control) 등 여하한 폐루프 컨트롤을 위한 설계상의 조치일 것.

(빨간 점에서 시작된 IF는 CF101로 표현된 SAW 필터를 거쳐서 AN217로 들어감. SAW(Surface Acoustic Wave Filter, 표면탄성파필터)를 거처 불요한 시그널은 제거 된다. 입력 → 표면탄성파를 이용한 전기/기계적인 변환(이 과정에서 필터링) → 출력으로 신호가 흐름)

이 시점까지의 시그널은, 1) 동조가 된 후, 2) 10.7Mhz 내부주파수로 변환되었고 3) 그 신호강도가 증폭된 상태로 정의할 수 있겠다. 그 다음 처리는 이 IF에서 스테레오 음원을 꺼내고 필요한 만큼 증폭해주는 일이다.

(고급 튜너들은 멋진 BOX 안에 Front-End를 담아 시각적 가치를 높힌다. Front End는 RF를 다루는 기기들에 있어서 일반적으로 사용되는 용어. 출처 : http://liquidaudio.com.au/wp-content/uploads/2015/10/IMG_3043.jpg)

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